多材料3D打印具有多模式傳感功能的離子電容傳感器

來(lái)源：高分子科技

在過(guò)去十年中，離電器件（Ionotronics or Iontronics，離子-電子混合器件，即基于離子與電子協(xié)同作用的器件）因其固有的柔韌性，可拉伸性，光學(xué)透明性和生物相容性等優(yōu)勢(shì)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。然而，現(xiàn)有的離電傳感器由于器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成分易泄漏，導(dǎo)致器件穩(wěn)定性差，傳感功能單一，極大地限制了實(shí)際應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)制造性能穩(wěn)定且具有多模式傳感能力的離電傳感器具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝團(tuán)隊(duì)與機(jī)械與能源工程系葛锜團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了通過(guò)多材料光固化3D打印技術(shù)一體化設(shè)計(jì)制造基于聚電解質(zhì)彈性體的多模式傳感離子電容傳感器，解決了傳統(tǒng)離電傳感器穩(wěn)定性差和功能性單一的問(wèn)題，為可拉伸離電傳感器的設(shè)計(jì)、智造與應(yīng)用提供了新的解決方案。

相關(guān)研究成果以“Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing”為題發(fā)表在《Nature Communication》期刊。南方科技大學(xué)科研助理李財(cái)聰、博士生程健翔和何耘豐為論文共同第一作者，楊燦輝助理教授與葛锜教授為論文共同通訊作者。本研究得到了深圳市軟材料力學(xué)與智造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

如圖1所示，受人體皮膚對(duì)于拉、壓、扭及其組合等外力的多模態(tài)感知能力的啟發(fā)，研究人員利用多材料光固化3D打印技術(shù)制備了具有多模式傳感能力的離電傳感器。傳感器采用了聚電解質(zhì)彈性體（PEE），其高分子網(wǎng)絡(luò)中含有固定的陰離子或陽(yáng)離子，以及可移動(dòng)的反離子，具備抗離子泄漏的特性。在打印過(guò)程中，PEE材料與傳感器上的介電彈性體（DE）材料之間通過(guò)共價(jià)和拓?fù)浠ミB形成了牢固的界面粘接。

圖1. 皮膚啟發(fā)的多模式傳感離電傳感器。(a) 人體皮膚內(nèi)多種力感受器示意圖。(b) 人體皮膚可以感知單一的力學(xué)信號(hào)如壓拉、壓、壓+剪、壓+扭。(c) 基于多材料數(shù)字光固化3D打印技術(shù)制備具有多模式傳感能力的離電傳感器。

研究人員首先合成了一種名為1-丁基-3-甲基咪唑134-3-磺丙基丙烯酸酯（BS）的單體，作為聚電解質(zhì)材料的組成成分之一，并與另一種名為MEA的疏水單體一起進(jìn)行共聚。然后通過(guò)優(yōu)化BS和MEA的比例，平衡聚電解質(zhì)材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能，從而優(yōu)化傳感器的性能，如圖2所示。

圖2. 聚電解質(zhì)彈性體的設(shè)計(jì)、制備與光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)性能以及熱、溶劑穩(wěn)定性。

如圖3所示，研究人員進(jìn)行光流變測(cè)試驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的PEE材料的可打印性。然后通過(guò)180°剝離測(cè)試，分別測(cè)量了3D打印和手動(dòng)組裝的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)的界面粘接強(qiáng)度。結(jié)果表明，3D打印的雙層結(jié)構(gòu)由于PEE和DE之間形成的共價(jià)鍵和拓?fù)淅p結(jié)而具有強(qiáng)韌的界面，剝離過(guò)程發(fā)生了PEE材料的本體斷裂, 粘接能達(dá)339.3 J/m2；相比之下，手動(dòng)組裝的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)界面弱，剝離過(guò)程發(fā)生了界面斷裂，粘接能只有4.1 J/m2。在耐久度測(cè)試中，基于PEE的電容式傳感器由于無(wú)離子泄漏可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的信號(hào)，而基于傳統(tǒng)的LiTFSI摻雜離子彈性體的傳感器由于離子泄漏，信號(hào)持續(xù)發(fā)生漂移，直至發(fā)生短路。

圖3. 離電傳感器的可打印性與性能。(a) PEE存儲(chǔ)模量和損耗模量隨光固化時(shí)間的變化曲線(xiàn)。(b) 固化時(shí)間與能量密度隨層厚的變化關(guān)系。(c) 打印的PEE陣列展示。(d) 3D打印和手動(dòng)組裝的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)的180°剝離曲線(xiàn)。(e) 3D打印的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)本體斷裂示意圖。(f) 手動(dòng)組裝的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)界面斷裂示意圖。(g) 基于PEE和基于LiTFSI摻雜離子彈性體的電容式傳感器的ΔC/C0隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。(h) 基于PEE的電容式傳感器無(wú)離子泄漏。(i) 基于LiTFSI摻雜離子彈性體的電容式傳感器離子泄漏示意圖。

3D打印技術(shù)為器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了極高的靈活性。如圖4所示，研究人員分別設(shè)計(jì)并一體化打印了拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)四種不同的離電傳感器，器件均具有良好的性能和穩(wěn)定性。特別地，通過(guò)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即可以實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度的大幅度優(yōu)化，例如通過(guò)在壓縮傳感器的介電彈性體層引入微結(jié)構(gòu)可以將靈敏度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，又可以實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度的按需調(diào)控，例如通過(guò)設(shè)計(jì)剪切傳感器前端的輪廓線(xiàn)或扭轉(zhuǎn)傳感器的扇形區(qū)域數(shù)量可以分別實(shí)現(xiàn)不同相應(yīng)的剪切傳感器和扭轉(zhuǎn)傳感器。

圖4. 拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)離電傳感器。(a) 拉伸傳感器原理示意圖。(b) 電容-拉伸應(yīng)變曲線(xiàn)。(c) 壓縮傳感器原理示意圖。(d) 有/無(wú)微結(jié)構(gòu)的壓力傳感器的電容-壓力曲線(xiàn)。(e) 剪切傳感器原理示意圖。(f) 一種剪切傳感器實(shí)物圖。(g) 不同靈敏度的剪切傳感器的電容-剪切應(yīng)變曲線(xiàn)。(h) 剪切傳感器的疲勞測(cè)試曲線(xiàn)。(i) 扭轉(zhuǎn)傳感器原理示意圖。(j) 一種扭轉(zhuǎn)傳感器實(shí)物圖。(k) 不同靈敏度的扭轉(zhuǎn)傳感器的電容-扭轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)。(l) 扭轉(zhuǎn)傳感器的疲勞測(cè)試曲線(xiàn)。

如圖5所示，研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)并一體化打印了拉壓、壓剪、壓扭三種組合式離電傳感器。組合式傳感器最大的挑戰(zhàn)之一在于不同傳感通路之間相互的信號(hào)串?dāng)_，例如，當(dāng)器件拉伸時(shí)，由于材料的泊松效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致垂直方向上的器件幾何尺寸縮小，等效于壓縮變形，導(dǎo)致拉伸激勵(lì)引起壓縮通道的信號(hào)變化。研究人員結(jié)合有限元模擬分析，通過(guò)合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地避免了不同通道之間的信號(hào)串?dāng)_。

圖5. 組合式離電傳感器。(a) 拉壓組合傳感器示意圖。(b) 器件實(shí)物圖。(c) 拉壓組合傳感器等效電路圖。(d) 單一傳感模式下的器件信號(hào)。(e) 壓縮激勵(lì)下的電容-圈數(shù)變化曲線(xiàn)。(f) 拉伸激勵(lì)下的電容-圈數(shù)變化曲線(xiàn)。(g) 拉壓組合變形下的信號(hào)譜。(h) 壓剪組合傳感器示意圖。(i) 器件實(shí)物圖。(j) 壓剪組合傳感器等效電路圖。(k) 單一傳感模式下的器件信號(hào)。(l) 壓扭組合傳感器示意圖。(m) 器件實(shí)物圖。(n) 壓扭組合傳感器等效電路圖。(o) 單一傳感模式下的器件信號(hào)。

最后，研究人員展示了一個(gè)由四個(gè)剪切傳感器和一個(gè)壓縮傳感器組成的可穿戴遙控單元，并將其連接到一個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制無(wú)人機(jī)的飛行，如圖6所示。這個(gè)可穿戴遙控單元中的四個(gè)剪切傳感器負(fù)責(zé)感知手部的手指運(yùn)動(dòng)，用于控制無(wú)人機(jī)的方向。而壓縮傳感器則用于感知手指的壓力，控制無(wú)人機(jī)的翻滾。這種可穿戴遙控單元的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供更加靈活的控制方式。

圖6. 組合式離電傳感器用于無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)操控。(a) 無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)示意圖。(b) 組合式離電傳感器中剪切傳感模塊工作模式示意圖。(c) 剪切傳感模塊工作原理。(d) 傳感器五個(gè)通道電容信號(hào)測(cè)試。(e) 指令編譯邏輯。(f) 組合式離電傳感器實(shí)時(shí)電容信號(hào)。(g) 不同時(shí)刻的無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40583-5