具有彎曲宏觀裂紋的多功能水凝膠傳感器

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背景介紹

軟機器是生命和機器的橋梁。由于它們的柔軟和輕盈，它們本質(zhì)上是安全的，對人類友好。與剛性機器相比，能夠與環(huán)境交互的智能軟機器更有希望融入人類社會。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的軟機器都是以一種智能有限的方式運行的。例如，一種廣泛使用的軟機器，即軟夾具，通過被動適應(yīng)物體和夾具之間的變形來抓取目標。當(dāng)目標比夾持器更軟、更脆弱時，軟夾持器的功能失效。賦予軟機器智能需要對環(huán)境及其自身狀態(tài)的感官感知，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。具有簡單結(jié)構(gòu)但具有多種功能的可拉伸傳感器是非常理想的，例如那些能夠檢測軟夾具的變形和觸覺力的傳感器。

依賴導(dǎo)電聚合物對變形的電阻響應(yīng)的應(yīng)變和觸覺傳感器無處不在，實例包括摻雜有炭黑的聚二甲基硅氧烷、涂覆有碳納米管的橡膠纖維和涂覆有金屬納米線的聚氨酯纖維。由大塊導(dǎo)電材料制成的電阻傳感器的靈敏度本質(zhì)上受歐姆定律的支配。在小變形情況下，規(guī)范系數(shù)（GF）被限制為一個單位。為了提高電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)，在導(dǎo)電材料中引入了微/納米級單向裂紋。打開和閉合裂縫會斷開并重新連接電流路徑，導(dǎo)致電阻急劇變化。然而，這種強化機制僅適用于特定的應(yīng)變范圍（小于5%），取決于詳細的微觀結(jié)構(gòu)。高靈敏度和大的檢測范圍仍然是可拉伸傳感器的折衷方案。

本文亮點

1. 本工作提出了一種由高度開裂的水凝膠（HCHG）實現(xiàn)的設(shè)計，該水凝膠對大范圍的拉伸應(yīng)變、彎曲和觸覺力非常敏感。

2. 當(dāng)預(yù)切割的彎曲裂紋被外部載荷閉合/打開時，該機制依賴于流動離子電流的橫截面積的連續(xù)急劇變化。水凝膠的高斷裂韌性抑制了裂紋的擴展，使傳感變得穩(wěn)健。

3. 通過設(shè)計裂紋模式，0–20%拉伸應(yīng)變的靈敏度為80，觸覺力的靈敏度為0.45 kPa?1。與大塊水凝膠制成的傳感器相比，靈敏度分別提高了兩個和三個數(shù)量級，同時保持了可檢測的應(yīng)變范圍（高達215%）。

4. 展示了HCHG傳感器在操縱機械臂和用軟夾具無損抓取更軟物體方面的應(yīng)用。

圖文解析

圖1 用于軟機器的使用HCHG的多功能傳感器。a） 具有高靈敏度的應(yīng)變和觸覺傳感器是軟機器所需要的，尤其是用于操縱甚至更軟的物體。b） 所提出的使用破裂離子水凝膠的電阻傳感器對小變形具有高靈敏度的原理。當(dāng)水凝膠被拉長時，裂紋在小變形時逐漸張開，并切斷了離子電流的局部路徑，導(dǎo)致電阻急劇上升。此外，彎曲裂紋逐漸張開，導(dǎo)致在寬應(yīng)變范圍內(nèi)具有高靈敏度。c） 所提出的傳感原理依賴于在大變形時沒有任何擴展的裂紋開口。因此，使用具有高韌性的水凝膠。d） 我們設(shè)計的裂紋模式傳感器與使用大塊材料的現(xiàn)有電阻應(yīng)變傳感器之間的應(yīng)變系數(shù)比較。

圖2 設(shè)計大塊水凝膠中的裂紋圖案，以實現(xiàn)高靈敏度和大的可測量應(yīng)變范圍。a） 裂紋圖案的晶胞的配置。以下所有分析都是在一個晶胞上進行的。b） 大塊水凝膠中裂紋圖案的制備示意圖。c） HCHG中彎曲裂紋在單軸拉伸下的張開過程。比例尺為1毫米。d） HCHG、本體水凝膠和在伸長率下具有簡單直裂紋的水凝膠的相對電阻變化的比較。在應(yīng)變超過20%之前，HCHG的變形會出現(xiàn)電阻的線性急劇增加。e） 接觸壓力下HCHG和本體水凝膠相對電阻變化的比較。f、 g）對于小的拉伸應(yīng)變和接觸壓力，HCHG和本體水凝膠的應(yīng)變系數(shù)。h、 i）晶胞的幾何參數(shù)t和r對最大變形和規(guī)范因子的影響。

圖3 含有不同數(shù)量元素的HCHG在伸長和接觸壓力下的性能。a） 不同元件布局的相對電阻在單軸伸長率下，尤其是在小應(yīng)變下，幾乎表現(xiàn)出相同的響應(yīng)。b） 含有1×3元素的HCHG的電阻在階躍伸長的區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定。c） 電阻響應(yīng)在循環(huán)拉伸下是可重復(fù)的。d）在小伸長率下HCHG的檢測極限和e）分辨率。f） HCHG用作應(yīng)變傳感器時的響應(yīng)和恢復(fù)時間。響應(yīng)和恢復(fù)時間是通過從傳感器的電響應(yīng)時間中減去加載/卸載過程的時間延遲而得出的。g） 接觸壓力下的相對電阻響應(yīng)幾乎與單個布局無關(guān)。h） HCHG作為壓力傳感器工作時的檢測極限和分辨率。測量了11.7 Pa階躍壓力下的電阻響應(yīng)，以顯示HCHG作為壓力傳感器的分辨率。當(dāng)接觸壓力保持恒定時，也含有單一元素的HCHG的電阻保持穩(wěn)定。i） 接觸壓力循環(huán)加載下HCHG的電阻響應(yīng)。

圖4 由兩個HCHG和一個TPU薄膜組成的夾層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多重傳感。夾在可拉伸TPU膜之間的兩種HCHG對a）伸長率敏感，其中兩種HCHG都增加了它們的電阻，b）壓縮，其中兩個HCHG都降低了它們的阻力，以及c）彎曲，其中一種HCHG增加了它的電阻，而另一種則降低了。

圖5 基于HCHG的人體運動檢測控制機器人手臂。a） 通過身體運動操縱機械臂的控制圖。機器人手臂和人類上肢跛行的關(guān)節(jié)被繪制出來。對各種跛行運動的檢測為機器人關(guān)節(jié)提供致動信號。b） 附著在食指、手腕、肘部和拇指（用紅色虛線框標記）上的傳感器對各種姿勢的相對阻力響應(yīng)。機械臂和人體肢體的運動是相互關(guān)聯(lián)的。c） 用分布式傳感器通過人體上肢跛行控制機械臂下棋：①初始狀態(tài)，②抓握，③移動，④釋放。

圖6 HCHG在物體操縱中的軟夾持器應(yīng)用的多傳感能力。比例尺為1厘米。a） 一個軟夾具配備了兩個HCHG，一個作為彎曲傳感器，另一個作為觸覺傳感器。b） 用于在開放和閉環(huán)模式下操作對象的軟夾持器的控制圖。c） 粘附在軟夾具外表面的破裂水凝膠起到彎曲傳感器的作用。當(dāng)夾具周期性地抓取和釋放網(wǎng)球時，彎曲傳感器的響應(yīng)是可重復(fù)的。d） 當(dāng)夾持器抓取具有不同半徑的硬球時，彎曲傳感器的相對阻力變化會發(fā)生變化。e） 附著在抓握手指內(nèi)表面的HCHG起到觸覺傳感器的作用。當(dāng)夾持器循環(huán)抓取和釋放網(wǎng)球時，其響應(yīng)也是可重復(fù)的。f） 夾持器抓取海綿、豆腐和Dixie杯的照片，有反饋控制和無反饋控制。g） 用反饋控制抓取海綿的詳細過程。h） 當(dāng)用反饋控制抓取不同尺寸的海綿時，觸覺傳感器的相對電阻響應(yīng)幾乎相同。

審核編輯：劉清