4D打印仿蠍子縫結構,實現傳感-執行一體化

生物體完美地將傳感和執行融合在一起,達到一體化的目的,但對於機器人等智能裝備而言,卻是一個極為復雜和具有挑戰的難題。為此,近年來國內外學者將半柔性、柔性傳感器集成到機器人等智能裝備中,以期實現其傳感-執行一體化功能。但目前的傳感和執行多是相互獨立,需通過將其在元器件水平集成,因此研發在材料水平上集成的傳感-執行一體化智能器件,成為一個新的發展趨勢,有望為其靈敏度和響應速度的提升提供新途徑。

華中科技大學史玉升教授團隊《Adv.Sci.》封底文章: 4D打印仿蠍子縫結構,實現傳感-執行一體化

近期,華中科技大學史玉升教授團隊受蠍子縫感受器超敏縫結構的啟發,仿生設計出梯度縫結構,4D打印炭黑納米粒子/聚乳酸(PLA)復合材料,成形出具有自主形變並能自感知應變和溫度的仿生縫結構器件。該器件通過材料-結構-功能一體化4D打印,創造性的在材料水平上實現瞭傳感-執行一體化功能。

傳感-執行一體化原理:炭黑納米粒子/PLA復合材料具有良好的導電性能和形狀記憶效應,該材料的4D打印器件加熱後可發生可控形狀變化。

在加熱過程中,由於炭黑納米粒子與PLA的膨脹率不同,炭黑納米粒子間的距離改變引起電子遂穿效應變化,使器件電阻改變,從而將熱信號轉變為電阻信號實現溫度自感知(如圖1所示);同時,器件在形狀改變過程中,器件縫結構周邊的炭黑納米粒子會接觸-分離,器件內局部接觸電阻變化使器件的電阻改變,從而將自身形變信號轉變為電阻信號實現應變自感知(如圖2所示)。

華中科技大學史玉升教授團隊《Adv.Sci.》封底文章: 4D打印仿蠍子縫結構,實現傳感-執行一體化
圖1 溫度感知
華中科技大學史玉升教授團隊《Adv.Sci.》封底文章: 4D打印仿蠍子縫結構,實現傳感-執行一體化
圖2 應變感知

基於此,研究者將該仿生4D打印器件應用於模擬手指觸碰手機屏幕(如圖3所示)。在溫度激勵下器件形狀改變,模擬手指主動觸碰屏幕,在這個過程中器件形變引起其縫結構間距的變化使器件整體電阻改變,實現器件形狀變化自感知。在觸碰瞬間,可通過電阻的變化檢測到器件觸碰屏幕的應力,實現觸碰應變自感知。

華中科技大學史玉升教授團隊《Adv.Sci.》封底文章: 4D打印仿蠍子縫結構,實現傳感-執行一體化
圖3 應用案例

該研究成果將智能材料、仿生結構和4D打印有機結合,實現瞭材料水平上傳感-執行一體化,為未來機器人等智能裝備的關鍵器件研發提供瞭新的思路和途徑。

上述研究由華中科技大學、吉林大學、中國地質大學(武漢)和清華大學合作完成。在史玉升教授和韓志武教授的共同指導下,以“4D Printing Strain Self‐Sensing and Temperature Self‐Sensing IntegratedSensor-Actuator with Bioinspired Gradient Gaps”為題發表在《Advanced Science》上,其中,陳道兵博士為論文第一作者,文世峰副教授和周燕副教授為論文共同通訊作者。

論文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000584

相关新闻