基于可拉伸复合材料的弹性触觉传感器及其阵列的研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:dengliguo1971
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随着社会步入以数据为核心的数字经济时代,人们在数据的获取上产生了前所未有的渴望。作为数据获取的唯一窗口,传感器在过去数十载里蓬勃发展,在形态上实现从传统刚性过渡到可弯曲的柔性,并朝着可拉伸的弹性化发展。这种变革极大地颠覆了人们对传感器的固有认识,而变革背后的原因分别是被监测物的表面类型变化引起的需求牵引,以及近些年来材料科学与技术的研究深入带来的科技支撑。作为传感器中重要类型之一,触觉传感器是一类将外界微小的机械刺激灵敏地转换成可检测电信号并进行信号收集传输的压力传感器。其中微小的机械刺激是与人体触觉相匹配的微压力。将触觉传感器阵列化则可以进一步实现对施压物体形状、位置、运动等多维度的信息监测。因此,该类传感器在电子皮肤、人机交互、软体机器人等领域有着极高的应用价值。然而,实现触觉传感器的弹性化不仅对传感器中核心的导电材料、压敏材料提出了新的力学要求,而且核心材料各项功能在拉伸变形中的适应性和稳定性也提出了更高要求。因此,本论文以本征可拉伸的弹性复合材料为研究对象,针对传统弹性导电复合材料中存在导电性与拉伸性不兼容且动态稳定性差等问题、现有弹性压敏复合材料中存在对压力和拉伸都比较敏感的耦合问题以及弹性复合材料阵列化的集成技术需求,开展了以下主要的研究:(1)提出改变导电填料物质形态的策略:选用高导电、低熔点且无毒的镓基液态金属作为导电填料,将其替换传统硬质固体填料与弹性基体预聚物共混结合,从而形成具有可流动变形的导电网络的本征可拉伸弹性导电复合材料。该材料体系避免了填料与基体的模量严重失衡的情况出现,因此该复合材料的电导率高达1.34×10~5S/m,且具有与纯弹性基体相似的拉伸能力,克服了导电性与拉伸性不兼容问题。同时,液态金属在在弹性基体内部形成了独特的葫芦串三维导电网络。在材料拉伸过程中,液态金属与基体同步变形确保导电网络的稳定。在葫芦串三维导电网络中脖颈-球茎的互相配合以及不同取向的协同作用下,复合材料在拉伸100%时电阻变化仅为4.3%,展现出卓越的动态稳定性。这比传统弹性导电复合材料的动态稳定性提高了2-5倍数,克服了动态稳定性差的问题。(2)提出自下而上的功能填料取向排列策略:选用表面具有微刺突起的海胆状磁性颗粒作为压敏填料,将其与弹性基体预聚物共混后,在垂直磁场作用下形成横向绝缘而垂直排列的独特分布。因此,该弹性压敏复合材料中存在弹性模量有明显差异的两个区域。填料排列形成的颗粒链区域(59.1 MPa)和纯弹性基体区域(2.4 MPa)分别负责对压力的高灵敏感知和对拉伸的应力释放。该材料的压力灵敏度达到12.05 k Pa-1,且拉伸400%时依旧展现了与初始状态相似的高灵敏特点,不易被拉伸干扰。这意味着此方法能够有效且便捷地解决弹性压敏复合材料压力-拉伸的耦合问题。同时,基于此制备的弹性触觉传感器所展现的灵敏度和抗干扰性均优越于已报道的弹性触觉传感器,其他关键压力传感参数也十分稳定且良好。例如,迟滞系数仅为5.25%,检测下限可达22 mg,响应时间小于50 ms,机械耐用性达到10,000次。此外,基于该弹性压敏复合材料的弹性触觉传感器成功作为可穿戴设备和人机交互系统的前端感受器。(3)提出直写打印和丝网印刷作为阵列化集成技术:通过改变填料的混合比例、分布状态以及颗粒尺度,将处于未固化糊状的复合材料的流变特性调控到直写打印和丝网印刷技术使用需求,且分辨率达到百微米级别。这是充分利用了复合物中异质相之间的内摩擦,使糊状复合材料在高剪切作用下,储能模量低于损耗模量,从而具备如流体般的易加工性质;在低剪切作用下,储能模量高于损耗模量,从而保持特定形状如同固体材料。因此,成功制备了6×6像素的弹性触觉传感阵列,并开发了相应的信号获取的电路和后端采集的检测系统。该系统模拟人体皮肤处于松弛和收紧绷状态时对施压物体的重量、形状等在内的压力感知功能,准确率达到90%以上。这将极大地填补了弹性传感器在触觉感知的空白,具有极高的工程应用价值,有望用于电子皮肤、软体机器人以及人机交互等系统。
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