南科(ke)大楊(yang)燦輝(hui)和(he)葛锜團(tuan)隊(dui)：多(duo)材(cai)料3D打(da)印(yin)具有(you)多(duo)模式(shi)傳(chuan)感(gan)功能(neng)的離(li)子(zi)電容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)

在過去(qu)十年(nian)中，離(li)電器(qi)件（Ionotronics or Iontronics，離(li)子(zi)-電子(zi)混合器(qi)件，即基(ji)於離(li)子(zi)與(yu)電子(zi)協同(tong)作用的器(qi)件）因其(qi)固有(you)的柔韌(ren)性(xing)，可(ke)拉(la)伸性，光(guang)學(xue)透(tou)明(ming)性和(he)生(sheng)物(wu)相容(rong)性(xing)等(deng)優勢(shi)引(yin)起(qi)了(le)越來(lai)越多(duo)的關註(zhu)。然而(er)，現(xian)有(you)的離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)由(you)於器(qi)件結構(gou)簡單、成分(fen)易(yi)泄(xie)漏(lou)，導(dao)致器(qi)件穩定(ding)性差(cha)，傳感(gan)功能單壹，極(ji)大(da)地限制了(le)實際(ji)應用。因(yin)此(ci)，設計制造(zao)性能(neng)穩定(ding)且(qie)具有(you)多(duo)模式(shi)傳(chuan)感(gan)能力的離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)具有(you)重要(yao)的工程應(ying)用價(jia)值。

南(nan)方科(ke)技大學(xue)力學(xue)與(yu)航(hang)空航(hang)天工(gong)程系(xi)楊燦輝(hui)團(tuan)隊(dui)與(yu)機械與(yu)能(neng)源工程系(xi)葛锜團(tuan)隊(dui)，報道(dao)了(le)通(tong)過多(duo)材(cai)料光(guang)固化3D打(da)印(yin)技術(shu)壹體(ti)化設計制造(zao)基(ji)於聚電解(jie)質彈性(xing)體(ti)的多(duo)模式(shi)傳(chuan)感(gan)離(li)子(zi)電容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)，解決(jue)了(le)傳統離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)穩定(ding)性差(cha)和(he)功(gong)能性(xing)單壹的問(wen)題，為可(ke)拉(la)伸離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)的設計、智造(zao)與(yu)應(ying)用提供了(le)新的解決(jue)方案。

相(xiang)關研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)以(yi)“Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing"為題發表在《Nature Communication》期(qi)刊(kan)。南方科(ke)技大學(xue)科(ke)研(yan)助理李財(cai)聰(cong)、博(bo)士(shi)生(sheng)程健(jian)翔和(he)何耘豐(feng)為論文(wen)共同第壹作者，楊(yang)燦輝(hui)助理教(jiao)授(shou)與(yu)葛锜教(jiao)授(shou)為論文(wen)共同通(tong)訊(xun)作者。本研(yan)究(jiu)得(de)到了(le)深圳(zhen)市軟(ruan)材(cai)料力學(xue)與(yu)智(zhi)造重點(dian)實(shi)驗室(shi)和(he)廣(guang)東省自然科(ke)學(xue)基(ji)金(jin)等(deng)項(xiang)目支(zhi)持(chi)。

如(ru)圖1所示，受(shou)人(ren)體(ti)皮膚(fu)對於拉(la)、壓、扭及其(qi)組(zu)合等外(wai)力的多(duo)模態(tai)感(gan)知能(neng)力的啟(qi)發，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)利用多(duo)材(cai)料光(guang)固化3D打(da)印(yin)技術(shu)制備(bei)了(le)具有(you)多(duo)模式(shi)傳(chuan)感(gan)能力的離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)。傳感器(qi)采用了(le)聚電解(jie)質彈性(xing)體(ti)（PEE），其(qi)高(gao)分(fen)子(zi)網絡(luo)中含有(you)固定的陰離(li)子(zi)或陽離(li)子(zi)，以(yi)及可(ke)移(yi)動(dong)的反(fan)離(li)子(zi)，具備抗(kang)離(li)子(zi)泄(xie)漏(lou)的特性。在打印(yin)過程中，PEE材料(liao)與(yu)傳(chuan)感器(qi)上(shang)的介電彈性(xing)體(ti)（DE）材料(liao)之(zhi)間(jian)通(tong)過共價(jia)和(he)拓撲(pu)互(hu)連形(xing)成了(le)牢(lao)固的界(jie)面粘接。

圖(tu)1. 皮膚啟(qi)發的多(duo)模式(shi)傳(chuan)感(gan)離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)。(a) 人體(ti)皮膚(fu)內多(duo)種(zhong)力感(gan)受(shou)器(qi)示意圖(tu)。(b) 人體(ti)皮膚(fu)可(ke)以(yi)感知單壹的力學(xue)信(xin)號如(ru)壓拉(la)、壓、壓+剪、壓+扭。(c) 基(ji)於多(duo)材(cai)料數字光(guang)固化3D打(da)印(yin)技術(shu)制備(bei)具有(you)多(duo)模式(shi)傳(chuan)感(gan)能力的離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)。

研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)首先合成了(le)壹種(zhong)名為1-丁(ding)基(ji)-3-甲(jia)基(ji)咪(mi)唑134-3-磺丙(bing)基(ji)丙(bing)烯(xi)酸酯(zhi)（BS）的單體(ti)，作為聚電解(jie)質材(cai)料的組(zu)成(cheng)成分(fen)之(zhi)壹，並(bing)與(yu)另壹種(zhong)名為MEA的疏(shu)水(shui)單體(ti)壹起(qi)進(jin)行共聚。然後(hou)通(tong)過優化BS和(he)MEA的比例(li)，平衡(heng)聚電解(jie)質材(cai)料的力學(xue)性(xing)能和(he)電學(xue)性(xing)能，從而(er)優化傳(chuan)感(gan)器(qi)的性能(neng)，如(ru)圖2所示。

圖2. 聚電解(jie)質彈性(xing)體(ti)的設計、制備(bei)與(yu)光(guang)學(xue)、力學(xue)、電學(xue)性(xing)能以(yi)及熱、溶(rong)劑(ji)穩定(ding)性。

如(ru)圖3所示，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)進行光(guang)流(liu)變(bian)測試(shi)驗證了(le)所開(kai)發的PEE材料(liao)的可(ke)打(da)印(yin)性。然後(hou)通(tong)過180°剝(bo)離(li)測(ce)試，分(fen)別(bie)測(ce)量(liang)了(le)3D打印(yin)和(he)手(shou)動(dong)組(zu)裝的PEE/DE雙層(ceng)結(jie)構(gou)的界(jie)面粘接強(qiang)度。結果(guo)表明(ming)，3D打印(yin)的雙層(ceng)結(jie)構(gou)由(you)於PEE和(he)DE之(zhi)間(jian)形(xing)成的共價(jia)鍵(jian)和(he)拓撲(pu)纏(chan)結(jie)而(er)具有(you)強韌的界(jie)面，剝(bo)離(li)過程發生(sheng)了(le)PEE材料(liao)的本體(ti)斷裂(lie), 粘接能(neng)達339.3 J/m2；相(xiang)比之(zhi)下(xia)，手動(dong)組(zu)裝的PEE/DE雙層(ceng)結(jie)構(gou)界(jie)面弱(ruo)，剝(bo)離(li)過程發生(sheng)了(le)界(jie)面斷裂(lie)，粘接能(neng)只(zhi)有(you)4.1 J/m2。在耐久(jiu)度測試(shi)中，基(ji)於PEE的電容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)由(you)於無(wu)離(li)子(zi)泄(xie)漏(lou)可(ke)以(yi)長(chang)時(shi)間(jian)保持(chi)穩定(ding)的信號(hao)，而(er)基(ji)於傳(chuan)統的LiTFSI摻雜(za)離(li)子(zi)的彈性(xing)體(ti)的傳感(gan)器(qi)由(you)於離(li)子(zi)泄(xie)漏(lou)，信號(hao)持(chi)續發生(sheng)漂移(yi)，直(zhi)至發生(sheng)短(duan)路。

圖3. 離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)的可(ke)打(da)印(yin)性與(yu)性(xing)能。(a) PEE存儲模量(liang)和(he)損(sun)耗模量(liang)隨(sui)光固化時(shi)間(jian)的變(bian)化曲線。(b) 固化時(shi)間(jian)與(yu)能(neng)量(liang)密度隨(sui)層厚的變(bian)化關(guan)系(xi)。(c) 打(da)印(yin)的PEE陣(zhen)列(lie)展示。(d) 3D打印(yin)和(he)手(shou)動(dong)組(zu)裝的PEE/DE雙層(ceng)結(jie)構(gou)的180°剝(bo)離(li)曲線。(e) 3D打(da)印(yin)的PEE/DE雙層(ceng)結(jie)構(gou)本體(ti)斷裂(lie)示意圖(tu)。(f) 手動(dong)組(zu)裝的PEE/DE雙層(ceng)結(jie)構(gou)界(jie)面斷裂(lie)示意圖(tu)。(g) 基(ji)於PEE和(he)基(ji)於LiTFSI摻(chan)雜(za)離(li)子(zi)的彈性(xing)體(ti)的電容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的ΔC/C0隨(sui)時(shi)間(jian)變(bian)化曲線。(h) 基(ji)於PEE的電容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)無(wu)離(li)子(zi)泄(xie)漏(lou)。(i) 基(ji)於LiTFSI摻(chan)雜(za)離(li)子(zi)的彈性(xing)體(ti)的電容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)離(li)子(zi)泄(xie)漏(lou)示意圖(tu)。

3D打印(yin)技術(shu)為器(qi)件的結構(gou)設計提供(gong)了(le)很高(gao)的靈(ling)活(huo)性。如(ru)圖4所示，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)分(fen)別(bie)設計並(bing)壹體(ti)化打(da)印(yin)了(le)拉(la)伸、壓縮(suo)、剪切(qie)、扭轉(zhuan)四(si)種(zhong)不同(tong)的離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)，器(qi)件均具有(you)良好的性能(neng)和(he)穩定(ding)性。特別地，通(tong)過器(qi)件的結構(gou)設計，即可(ke)以(yi)實現(xian)傳感(gan)器(qi)靈(ling)敏度的大幅(fu)度優化，例(li)如(ru)通(tong)過在壓縮(suo)傳(chuan)感器(qi)的介電彈性(xing)體(ti)層引(yin)入微結構(gou)可(ke)以(yi)將靈(ling)敏度提高(gao)兩個數量(liang)級(ji)，又可(ke)以(yi)實現(xian)傳感(gan)器(qi)靈(ling)敏度的按需(xu)調控，例(li)如(ru)通(tong)過設計剪切(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)前(qian)端(duan)的輪(lun)廓線或(huo)扭轉(zhuan)傳感(gan)器(qi)的扇(shan)形(xing)區(qu)域數量(liang)可(ke)以(yi)分(fen)別(bie)實(shi)現(xian)不同(tong)相應(ying)的剪切(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)扭轉(zhuan)傳感(gan)器(qi)。

圖4. 拉(la)伸、壓縮(suo)、剪切(qie)、扭轉(zhuan)離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)。(a) 拉(la)伸傳感(gan)器(qi)原理(li)示意圖(tu)。(b) 電容(rong)-拉(la)伸應變(bian)曲線。(c) 壓縮(suo)傳(chuan)感器(qi)原理(li)示意圖(tu)。(d) 有(you)/無(wu)微結構(gou)的壓力傳(chuan)感器(qi)的電容(rong)-壓力曲線。(e) 剪切(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)原理(li)示意圖(tu)。(f) 壹種(zhong)剪切(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)實物(wu)圖。(g) 不(bu)同(tong)靈(ling)敏度的剪切(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的電容(rong)-剪切(qie)應(ying)變(bian)曲線。(h) 剪切(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的疲(pi)勞測試曲線。(i) 扭轉(zhuan)傳感(gan)器(qi)原理(li)示意圖(tu)。(j) 壹種(zhong)扭轉(zhuan)傳感(gan)器(qi)實物(wu)圖。(k) 不(bu)同(tong)靈(ling)敏度的扭轉(zhuan)傳感(gan)器(qi)的電容(rong)-扭轉(zhuan)角(jiao)曲線。(l) 扭轉(zhuan)傳感(gan)器(qi)的疲(pi)勞測試曲線。

如(ru)圖5所示，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)進壹步(bu)設計並(bing)壹體(ti)化打(da)印(yin)了(le)拉(la)壓、壓剪、壓扭三種(zhong)組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)。組(zu)合式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)最(zui)大的挑戰(zhan)之(zhi)壹在於不(bu)同(tong)傳感(gan)通(tong)路之(zhi)間(jian)相互(hu)的信號(hao)串(chuan)擾，例(li)如(ru)，當(dang)器(qi)件拉(la)伸時(shi)，由(you)於材(cai)料(liao)的泊(bo)松效(xiao)應會導(dao)致垂(chui)直(zhi)方向上(shang)的器(qi)件幾何尺寸(cun)縮(suo)小，等效(xiao)於壓縮(suo)變(bian)形(xing)，導(dao)致拉(la)伸激勵(li)引(yin)起(qi)壓縮(suo)通(tong)道(dao)的信號(hao)變(bian)化。研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)結合有(you)限元模擬(ni)分(fen)析(xi)，通(tong)過合理的器(qi)件結構(gou)設計，有(you)效地避(bi)免了(le)不同(tong)通(tong)道(dao)之(zhi)間(jian)的信號(hao)串(chuan)擾。

圖5. 組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)。(a) 拉(la)壓組(zu)合傳感(gan)器(qi)示意圖(tu)。(b) 器(qi)件實物(wu)圖。(c) 拉(la)壓組(zu)合傳感(gan)器(qi)等效電路圖。(d) 單壹傳(chuan)感(gan)模式(shi)下(xia)的器(qi)件信號。(e) 壓縮(suo)激(ji)勵下(xia)的電容(rong)-圈數變(bian)化曲線。(f) 拉(la)伸激勵(li)下(xia)的電容(rong)-圈數變(bian)化曲線。(g) 拉(la)壓組(zu)合變(bian)形(xing)下(xia)的信號(hao)譜(pu)。(h) 壓剪組(zu)合傳感(gan)器(qi)示意圖(tu)。(i) 器(qi)件實物(wu)圖。(j) 壓剪組(zu)合傳感(gan)器(qi)等效電路圖。(k) 單壹傳(chuan)感(gan)模式(shi)下(xia)的器(qi)件信號。(l) 壓扭組(zu)合傳感(gan)器(qi)示意圖(tu)。(m) 器(qi)件實物(wu)圖。(n) 壓扭組(zu)合傳感(gan)器(qi)等效電路圖。(o) 單壹傳(chuan)感(gan)模式(shi)下(xia)的器(qi)件信號。

最(zui)後(hou)，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)展示了(le)壹個由(you)四(si)個剪切(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)壹個壓縮(suo)傳(chuan)感器(qi)組(zu)成(cheng)的可(ke)穿(chuan)戴(dai)遙(yao)控單元，並(bing)將其(qi)連接(jie)到壹個遠程控制系(xi)統，用(yong)於遠(yuan)程無(wu)線控制無(wu)人機的飛(fei)行，如(ru)圖6所示。這個可(ke)穿(chuan)戴(dai)遙(yao)控單元中的四(si)個剪切(qie)傳(chuan)感(gan)器(qi)負責感知手(shou)部(bu)的手指(zhi)運(yun)動(dong)，用於控制無(wu)人機的方向。而(er)壓縮(suo)傳(chuan)感器(qi)則用於感(gan)知手(shou)指(zhi)的壓力，控制無(wu)人機的翻滾(gun)。這種(zhong)可(ke)穿(chuan)戴(dai)遙(yao)控單元的設計可(ke)以(yi)實現(xian)人機交互(hu)，提供(gong)更加(jia)靈(ling)活(huo)的控制方式(shi)。

圖(tu)6. 組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)用於無(wu)人機的遠程無(wu)線操控。(a) 無(wu)人機控制系(xi)統示意圖(tu)。(b) 組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)中剪切(qie)傳(chuan)感(gan)模塊(kuai)工作模式(shi)示意圖(tu)。(c) 剪切(qie)傳(chuan)感(gan)模塊(kuai)工作原理(li)。(d) 傳(chuan)感器(qi)五個通(tong)道(dao)電容(rong)信(xin)號(hao)測(ce)試。(e) 指(zhi)令編(bian)譯邏輯。(f) 組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感(gan)器(qi)實時(shi)電容(rong)信(xin)號(hao)。(g) 不(bu)同時(shi)刻(ke)的無(wu)人機飛(fei)行狀(zhuang)態。

文(wen)章(zhang)來源：高(gao)分(fen)子(zi)科(ke)技（已(yi)獲(huo)得(de)轉(zhuan)載權(quan)）

023-4058

MultiMatter C1

基(ji)於高(gao)精(jing)度數字光(guang)處理(li)3D打(da)印(yin)技術(shu)和(he)離(li)心(xin)式(shi)多(duo)材(cai)料切(qie)換(huan)技術(shu)，MultiMatter C1多(duo)材(cai)料3D打(da)印(yin)裝備可(ke)實(shi)現(xian)任意(yi)復(fu)雜(za)異(yi)質結(jie)構(gou)快速成(cheng)型(xing)，在力學(xue)超(chao)材料、生(sheng)物(wu)醫學(xue)、柔(rou)性電子(zi)、軟(ruan)體(ti)機器(qi)人等領(ling)域具有(you)重要(yao)應用(yong)潛力。

離(li)心(xin)式(shi)多(duo)材(cai)料切(qie)換(huan)技術(shu)：開(kai)發的離(li)心(xin)式(shi)多(duo)材(cai)料切(qie)換(huan)技術(shu)可(ke)實(shi)現(xian)高(gao)效材(cai)料切(qie)換(huan)和(he)殘(can)液去(qu)除(chu)。離(li)心(xin)轉(zhuan)速可(ke)調，最(zui)高(gao)達8000轉(zhuan)/分(fen)鐘，60秒內(nei)即可(ke)完成多(duo)材(cai)料切(qie)換(huan)，單次打(da)印(yin)多(duo)材(cai)料切(qie)換(huan)最(zui)大次(ci)數高(gao)達2000次(ci)。

可(ke)打(da)印(yin)材料範圍廣(guang)：該(gai)設備支(zhi)持(chi)粘度在50-5000 cps範圍內(nei)的硬性樹(shu)脂、彈性(xing)體(ti)、水(shui)凝膠、形(xing)狀記憶高(gao)分(fen)子(zi)和(he)導(dao)電彈性(xing)體(ti)等材(cai)料及這些(xie)材料(liao)組(zu)合結構(gou)的多(duo)材(cai)料3D打(da)印(yin)，為不同行業和(he)應(ying)用領(ling)域，提供(gong)了(le)材料(liao)選擇(ze)的靈(ling)活(huo)性。

多(duo)功(gong)能多(duo)材(cai)料耦(ou)合結構(gou)實現(xian)：該(gai)設備可(ke)打(da)印(yin)高(gao)復(fu)雜(za)度、高(gao)精(jing)度、多(duo)功(gong)能、多(duo)材(cai)料耦(ou)合結構(gou)，支(zhi)持(chi)同時(shi)打(da)印(yin)2種(zhong)材料(liao)，可(ke)打(da)印(yin)層內多(duo)材(cai)料和(he)層(ceng)間(jian)多(duo)材(cai)料，且(qie)多(duo)材(cai)料層(ceng)內(nei)過渡(du)區(qu)尺寸(cun)在200μm以(yi)內，為復(fu)雜(za)多(duo)材(cai)料結(jie)構(gou)制造(zao)提供(gong)高(gao)精(jing)度解決(jue)方案。