南科大Nature Communications！多(duo)材料3D打印(yin)離子(zi)傳(chuan)感器(qi)

近期，南(nan)方(fang)科技(ji)大學力學與(yu)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)工(gong)程(cheng)系楊(yang)燦(can)輝(hui)團(tuan)隊(dui)與(yu)機械(xie)與(yu)能源工程(cheng)系葛锜(锜)團隊(dui)合作(zuo)在《Nature Communications》上發(fa)表(biao)題為“Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing"的(de)論文(wen)，報(bao)道(dao)了通(tong)過(guo)多(duo)材料數字光(guang)固化(hua)3D打(da)印(yin)技(ji)術壹體(ti)化(hua)設(she)計(ji)制造基(ji)於聚電解質彈性(xing)體(ti)的(de)多(duo)模(mo)式(shi)傳(chuan)感離(li)子(zi)電(dian)容傳(chuan)感器(qi)。

在過(guo)去的(de)十年(nian)中，離電(dian)器(qi)件(jian)（Ionotronics or Iontronics，離子(zi)-電(dian)子(zi)混(hun)合器件，即(ji)基(ji)於離子(zi)與(yu)電(dian)子(zi)協(xie)同(tong)作(zuo)用(yong)的(de)器件(jian)）因其固(gu)有的(de)柔韌(ren)性(xing)，可(ke)拉(la)伸(shen)性(xing)，光(guang)學透明性(xing)和(he)生物(wu)相(xiang)容性(xing)等(deng)優(you)勢(shi)引(yin)起(qi)了(le)越(yue)來越(yue)多(duo)的(de)關註(zhu)。然(ran)而，現(xian)有的(de)離電(dian)傳(chuan)感器(qi)由於器件結構(gou)簡單(dan)、成(cheng)分(fen)易(yi)泄漏，導致器(qi)件(jian)穩定(ding)性(xing)差(cha)，傳(chuan)感功能單(dan)壹，極(ji)大地(di)限(xian)制了(le)實際應用(yong)。因此，設計與(yu)制(zhi)造(zao)性(xing)能穩定(ding)且(qie)具有多(duo)模(mo)式(shi)傳(chuan)感能力的(de)離電(dian)傳(chuan)感器(qi)具有重(zhong)要的(de)工程(cheng)應用(yong)價(jia)值(zhi)。該研(yan)究則解(jie)決了(le)傳(chuan)統離(li)電傳(chuan)感器(qi)穩定(ding)性(xing)差(cha)和(he)功能性(xing)單(dan)壹的(de)問題，為可拉(la)伸(shen)離電傳(chuan)感器(qi)的(de)設計(ji)、智造與(yu)應(ying)用(yong)提供(gong)了(le)新(xin)的(de)解決方(fang)案(an)。

圖1. 皮(pi)膚(fu)啟發(fa)的(de)多(duo)模(mo)式(shi)傳(chuan)感離(li)電傳(chuan)感器(qi) (a) 人體(ti)皮(pi)膚(fu)內多(duo)種力感受(shou)器示意(yi)圖(tu) (b) 人(ren)體(ti)皮(pi)膚(fu)可以(yi)感知單(dan)壹的(de)力學信(xin)號(hao)如(ru)壓(ya)拉(la)、壓(ya)、壓+剪、壓+扭 (c) 基(ji)於多(duo)材料數字光(guang)固化(hua)3D打(da)印(yin)技(ji)術制備具(ju)有多(duo)模(mo)式(shi)傳(chuan)感能力的(de)離電(dian)傳(chuan)感器(qi)。

如圖1所(suo)示，受人(ren)體(ti)皮(pi)膚(fu)對於拉(la)、壓(ya)、扭及其組(zu)合等(deng)外力的(de)多(duo)模(mo)態感知能力的(de)啟發(fa)，研(yan)究人員利(li)用(yong)多(duo)材料數字光(guang)固化(hua)（digital light processing, DLP） 3D打(da)印(yin)技(ji)術制備了(le)具(ju)有多(duo)模(mo)式(shi)傳(chuan)感能力的(de)離電(dian)傳(chuan)感器(qi)。傳(chuan)感器(qi)采(cai)用(yong)了聚(ju)電(dian)解(jie)質彈性(xing)體(ti)（PEE），其高(gao)分(fen)子(zi)網(wang)絡中含有固(gu)定(ding)的(de)陰離(li)子(zi)或陽(yang)離(li)子(zi)，以(yi)及(ji)可移動(dong)的(de)反離(li)子(zi)，具(ju)備抗離(li)子(zi)泄漏的(de)特性(xing)。在打印(yin)過(guo)程(cheng)中，PEE材料與(yu)傳(chuan)感器(qi)上的(de)介電彈(dan)性(xing)體(ti)（DE）材料之(zhi)間(jian)通(tong)過(guo)共(gong)價(jia)和(he)拓(tuo)撲互連形(xing)成(cheng)了(le)牢(lao)固(gu)的(de)界面(mian)粘(zhan)接(jie)。

圖2. 聚(ju)電解(jie)質彈性(xing)體(ti)的(de)設計(ji)、制(zhi)備與(yu)光(guang)學、力學、電(dian)學性(xing)能以(yi)及(ji)熱、溶(rong)劑(ji)穩定(ding)性(xing)。

研(yan)究人員首(shou)先合成(cheng)了(le)壹種名為1-丁基(ji)-3-甲基(ji)咪唑134-3-磺丙基(ji)丙烯酸(suan)酯(zhi)（BS）的(de)單(dan)體(ti)，作(zuo)為聚電解(jie)質材料的(de)組(zu)成(cheng)成(cheng)分(fen)之(zhi)壹，並(bing)與(yu)另(ling)壹種名為MEA的(de)疏(shu)水(shui)單(dan)體(ti)壹起(qi)進(jin)行共(gong)聚。然(ran)後(hou)通過(guo)優(you)化(hua)BS和(he)MEA的(de)比例(li)，平衡聚(ju)電(dian)解質材料的(de)力學性(xing)能和(he)電(dian)學性(xing)能，從而優(you)化(hua)傳(chuan)感器(qi)的(de)性(xing)能，如圖(tu)2所(suo)示。

圖3. 離(li)電傳(chuan)感器(qi)的(de)可打(da)印(yin)性(xing)與(yu)性(xing)能 (a) PEE存儲模(mo)量和(he)損耗模(mo)量隨光(guang)固化(hua)時(shi)間(jian)的(de)變化(hua)曲(qu)線(xian) (b) 固化(hua)時(shi)間(jian)與(yu)能量密度隨層厚的(de)變化(hua)關(guan)系(xi) (c) 打印的(de)PEE陣列展示 (d) 3D打印(yin)和(he)手(shou)動組(zu)裝的(de)PEE/DE雙(shuang)層結構(gou)的(de)180°剝(bo)離(li)曲(qu)線 (e) 3D打印的(de)PEE/DE雙(shuang)層結構(gou)本體(ti)斷裂示意(yi)圖(tu) (f) 手(shou)動組(zu)裝的(de)PEE/DE雙(shuang)層結構(gou)界面(mian)斷裂示意(yi)圖(tu) (g) 基(ji)於PEE和(he)基(ji)於LiTFSI摻雜離(li)子(zi)的(de)彈性(xing)體(ti)的(de)電容式(shi)傳(chuan)感器(qi)的(de)ΔC/C0隨時(shi)間(jian)變(bian)化(hua)曲(qu)線(xian) (h) 基(ji)於PEE的(de)電容式(shi)傳(chuan)感器(qi)無(wu)離子(zi)泄漏 (i) 基(ji)於LiTFSI摻雜離(li)子(zi)的(de)彈性(xing)體(ti)的(de)電容式(shi)傳(chuan)感器(qi)離子(zi)泄漏示意(yi)圖(tu)。

如(ru)圖(tu)3所(suo)示，研(yan)究人員進(jin)行光(guang)流變(bian)測(ce)試(shi)驗證(zheng)了所(suo)開發(fa)的(de)PEE材料的(de)可打(da)印(yin)性(xing)。然(ran)後(hou)通過(guo)180°剝(bo)離(li)測(ce)試，分別(bie)測量(liang)了(le)3D打(da)印和(he)手(shou)動組(zu)裝的(de)PEE/DE雙(shuang)層結構(gou)的(de)界面(mian)粘(zhan)接(jie)強(qiang)度(du)。結果表(biao)明，3D打印(yin)的(de)雙(shuang)層結構(gou)由於(yu)PEE和(he)DE之(zhi)間(jian)形(xing)成(cheng)的(de)共(gong)價(jia)鍵(jian)和(he)拓(tuo)撲纏結而具有強(qiang)韌(ren)的(de)界面(mian)，剝(bo)離(li)過(guo)程(cheng)發(fa)生了PEE材料的(de)本體(ti)斷裂, 粘(zhan)接(jie)能達339.3 J/m²；相(xiang)比之(zhi)下(xia)，手(shou)動組(zu)裝的(de)PEE/DE雙(shuang)層結構(gou)界面(mian)弱，剝(bo)離(li)過(guo)程(cheng)發(fa)生了界面(mian)斷裂，粘(zhan)接(jie)能只有4.1 J/m²。在耐久(jiu)度測(ce)試(shi)中，基(ji)於PEE的(de)電容式(shi)傳(chuan)感器(qi)由於無(wu)離子(zi)泄漏可(ke)以(yi)長(chang)時(shi)間(jian)保(bao)持(chi)穩定(ding)的(de)信(xin)號(hao)，而基(ji)於傳(chuan)統的(de)LiTFSI摻雜離(li)子(zi)的(de)彈性(xing)體(ti)的(de)傳(chuan)感器(qi)由於離子(zi)泄漏，信(xin)號(hao)持(chi)續(xu)發(fa)生漂移，直(zhi)至發(fa)生短路。

圖4. 拉(la)伸(shen)、壓縮、剪切(qie)、扭轉離(li)電(dian)傳(chuan)感器(qi) (a) 拉(la)伸(shen)傳(chuan)感器(qi)原理示意(yi)圖(tu) (b) 電(dian)容-拉(la)伸(shen)應變曲(qu)線(xian) (c) 壓(ya)縮傳(chuan)感器(qi)原理示意(yi)圖(tu) (d) 有/無(wu)微結構(gou)的(de)壓力傳(chuan)感器(qi)的(de)電容-壓力曲線(xian) (e) 剪切(qie)傳(chuan)感器(qi)原理示意(yi)圖(tu) (f) 壹種剪切(qie)傳(chuan)感器(qi)實物(wu)圖(tu) (g) 不同靈(ling)敏(min)度(du)的(de)剪切(qie)傳(chuan)感器(qi)的(de)電容-剪切(qie)應(ying)變(bian)曲(qu)線(xian) (h) 剪切(qie)傳(chuan)感器(qi)的(de)疲勞測試(shi)曲線 (i) 扭轉傳(chuan)感器(qi)原理示意(yi)圖(tu)(j) 壹種扭轉傳(chuan)感器(qi)實物(wu)圖(tu) (k) 不同靈(ling)敏(min)度(du)的(de)扭轉傳(chuan)感器(qi)的(de)電容-扭轉角曲線 (l) 扭轉傳(chuan)感器(qi)的(de)疲勞測試(shi)曲線。

3D打(da)印技(ji)術為器件的(de)結構(gou)設計(ji)提(ti)供了(le)很高的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。如(ru)圖4所(suo)示，研(yan)究人員分(fen)別(bie)設計(ji)並(bing)壹體(ti)化(hua)打(da)印(yin)了拉(la)伸(shen)、壓縮、剪切(qie)、扭轉四(si)種不同的(de)離電(dian)傳(chuan)感器(qi)，器件均具有良(liang)好(hao)的(de)性(xing)能和(he)穩定(ding)性(xing)。特(te)別(bie)地(di)，通過(guo)器件(jian)的(de)結構(gou)設計(ji)，即(ji)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)傳(chuan)感器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)大幅度優(you)化(hua)，例(li)如(ru)通(tong)過(guo)在壓縮傳(chuan)感器(qi)的(de)介電彈(dan)性(xing)體(ti)層引入微結構(gou)可以(yi)將靈(ling)敏(min)度(du)提高(gao)兩(liang)個(ge)數(shu)量(liang)級(ji)，又(you)可以(yi)實(shi)現(xian)傳(chuan)感器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)按需(xu)調(tiao)控(kong)，例(li)如(ru)通(tong)過(guo)設計(ji)剪切(qie)傳(chuan)感器(qi)前端(duan)的(de)輪(lun)廓線(xian)或扭轉傳(chuan)感器(qi)的(de)扇形(xing)區域數量可以(yi)分(fen)別(bie)實現(xian)不同相(xiang)應的(de)剪切(qie)傳(chuan)感器(qi)和(he)扭轉傳(chuan)感器(qi)。

圖5. 組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感器(qi) (a) 拉(la)壓(ya)組(zu)合傳(chuan)感器(qi)示意(yi)圖(tu) (b) 器(qi)件(jian)實物(wu)圖(tu) (c) 拉(la)壓(ya)組(zu)合傳(chuan)感器(qi)等效(xiao)電(dian)路圖 (d) 單(dan)壹傳(chuan)感模(mo)式(shi)下(xia)的(de)器件(jian)信(xin)號(hao) (e) 壓(ya)縮激(ji)勵下(xia)的(de)電容-圈(quan)數變(bian)化(hua)曲(qu)線(xian) (f) 拉(la)伸(shen)激(ji)勵下(xia)的(de)電容-圈(quan)數變(bian)化(hua)曲(qu)線(xian) (g) 拉(la)壓(ya)組(zu)合變(bian)形下(xia)的(de)信(xin)號(hao)譜 (h) 壓剪組(zu)合傳(chuan)感器(qi)示意(yi)圖(tu) (i) 器(qi)件(jian)實物(wu)圖(tu) (j) 壓剪(jian)組(zu)合傳(chuan)感器(qi)等效(xiao)電(dian)路圖 (k) 單(dan)壹傳(chuan)感模(mo)式(shi)下(xia)的(de)器件(jian)信(xin)號(hao) (l) 壓(ya)扭組(zu)合傳(chuan)感器(qi)示意(yi)圖(tu) (m) 器(qi)件(jian)實物(wu)圖(tu) (n) 壓扭組(zu)合傳(chuan)感器(qi)等效(xiao)電(dian)路圖 (o) 單(dan)壹傳(chuan)感模(mo)式(shi)下(xia)的(de)器件(jian)信(xin)號(hao)。

如(ru)圖(tu)5所(suo)示，研(yan)究人員進(jin)壹步(bu)設(she)計並(bing)壹體(ti)化(hua)打(da)印(yin)了拉(la)壓(ya)、壓剪、壓扭三種組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感器(qi)。組(zu)合式(shi)傳(chuan)感器(qi)挑戰之(zhi)壹在於不同傳(chuan)感通(tong)路之(zhi)間(jian)相(xiang)互的(de)信(xin)號(hao)串(chuan)擾(rao)，例(li)如(ru)，當(dang)器(qi)件(jian)拉(la)伸(shen)時(shi)，由於(yu)材(cai)料的(de)泊松效(xiao)應(ying)會(hui)導致垂(chui)直(zhi)方向(xiang)上的(de)器件(jian)幾(ji)何(he)尺寸(cun)縮小，等(deng)效(xiao)於(yu)壓(ya)縮變形，導致拉(la)伸(shen)激(ji)勵引起(qi)壓(ya)縮通道(dao)的(de)信(xin)號(hao)變(bian)化(hua)。研(yan)究人員結合(he)有限(xian)元模(mo)擬分(fen)析，通(tong)過(guo)合理(li)的(de)器件(jian)結構(gou)設計(ji)，有效(xiao)地(di)避免了(le)不同通(tong)道(dao)之(zhi)間(jian)的(de)信(xin)號(hao)串(chuan)擾(rao)。

圖6. 組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感器(qi)用(yong)於無(wu)人機的(de)遠程(cheng)無(wu)線操(cao)控(kong) (a) 無(wu)人機控(kong)制(zhi)系統(tong)示意(yi)圖(tu) (b) 組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感器(qi)中剪切(qie)傳(chuan)感模(mo)塊工作(zuo)模(mo)式(shi)示意(yi)圖(tu) (c) 剪(jian)切(qie)傳(chuan)感模(mo)塊工作(zuo)原理 (d) 傳(chuan)感器(qi)五個通(tong)道(dao)電容信(xin)號(hao)測(ce)試(shi) (e) 指令編譯(yi)邏(luo)輯(ji) (f) 組(zu)合式(shi)離(li)電傳(chuan)感器(qi)實時(shi)電容信(xin)號(hao) (g) 不同時(shi)刻(ke)的(de)無(wu)人機飛(fei)行狀態(tai)。

最(zui)後(hou)，研(yan)究人員展示了壹個(ge)由(you)四(si)個(ge)剪(jian)切(qie)傳(chuan)感器(qi)和(he)壹個(ge)壓(ya)縮傳(chuan)感器(qi)組(zu)成(cheng)的(de)可穿(chuan)戴遙(yao)控(kong)單(dan)元，並將其連(lian)接(jie)到壹個(ge)遠程(cheng)控制系統(tong)，用(yong)於遠程(cheng)無(wu)線控(kong)制無(wu)人機的(de)飛(fei)行，如(ru)圖6所(suo)示。這(zhe)個(ge)可(ke)穿(chuan)戴遙(yao)控(kong)單(dan)元中的(de)四(si)個(ge)剪(jian)切(qie)傳(chuan)感器(qi)負責(ze)感知手(shou)部的(de)手(shou)指運(yun)動，用(yong)於控(kong)制(zhi)無(wu)人機的(de)方向(xiang)。而壓縮傳(chuan)感器(qi)則用(yong)於感知手(shou)指的(de)壓力，控制(zhi)無(wu)人機的(de)翻滾(gun)。這(zhe)種可穿(chuan)戴遙(yao)控(kong)單(dan)元的(de)設計(ji)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)人(ren)機交(jiao)互，提供(gong)更(geng)加靈(ling)活(huo)的(de)控制(zhi)方(fang)式(shi)。