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(jī)器是生命和機(jī)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(duì)人類友好。與剛性機(jī)器相比，能夠與環(huán)境交互的智能軟機(jī)器更有希望融入人類社會(huì)。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的軟機(jī)器都是以一種智能有限的方式運(yùn)行的。例如，一種廣泛使用的軟機(jī)器，即軟夾具，通過(guò)被動(dòng)適應(yīng)物體和夾具之間的變形來(lái)抓取目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)比夾持器更軟、更脆弱時(shí)，軟夾持器的功能失效。賦予軟機(jī)器智能需要對(duì)環(huán)境及其自身狀態(tài)的感官感知，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。具有簡(jiǎn)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(cè)軟夾具的變形和觸覺(jué)力的傳感器。

依賴導(dǎo)電聚合物對(duì)變形的電阻響應(yīng)的應(yīng)變和觸覺(jué)傳感器無(wú)處不在，實(shí)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(gè)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(jí)單向裂紋。打開(kāi)和閉合裂縫會(huì)斷開(kāi)并重新連接電流路徑，導(dǎo)致電阻急劇變化。然而，這種強(qiáng)化機(jī)制僅適用于特定的應(yīng)變范圍（小于5%），取決于詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。高靈敏度和大的檢測(cè)范圍仍然是可拉伸傳感器的折衷方案。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作提出了一種由高度開(kāi)裂的水凝膠（HCHG）實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，該水凝膠對(duì)大范圍的拉伸應(yīng)變、彎曲和觸覺(jué)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(kāi)時(shí)，該機(jī)制依賴于流動(dòng)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(kuò)展，使傳感變得穩(wěn)健。

3. 通過(guò)設(shè)計(jì)裂紋模式，0–20%拉伸應(yīng)變的靈敏度為80，觸覺(jué)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(gè)和三個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)保持了可檢測(cè)的應(yīng)變范圍（高達(dá)215%）。

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

圖文解析

圖1 用于軟機(jī)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(jué)傳感器是軟機(jī)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(duì)小變形具有高靈敏度的原理。當(dāng)水凝膠被拉長(zhǎng)時(shí)，裂紋在小變形時(shí)逐漸張開(kāi)，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(kāi)，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(shí)沒(méi)有任何擴(kuò)展的裂紋開(kāi)口。因此，使用具有高韌性的水凝膠。d） 我們?cè)O(shè)計(jì)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(jì)大塊水凝膠中的裂紋圖案，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和大的可測(cè)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(gè)晶胞上進(jìn)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(kāi)過(guò)程。比例尺為1毫米。d） HCHG、本體水凝膠和在伸長(zhǎng)率下具有簡(jiǎn)單直裂紋的水凝膠的相對(duì)電阻變化的比較。在應(yīng)變超過(guò)20%之前，HCHG的變形會(huì)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(duì)電阻變化的比較。f、 g）對(duì)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(duì)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(zhǎng)和接觸壓力下的性能。a） 不同元件布局的相對(duì)電阻在單軸伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)率下HCHG的檢測(cè)極限和e）分辨率。f） HCHG用作應(yīng)變傳感器時(shí)的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間是通過(guò)從傳感器的電響應(yīng)時(shí)間中減去加載/卸載過(guò)程的時(shí)間延遲而得出的。g） 接觸壓力下的相對(duì)電阻響應(yīng)幾乎與單個(gè)布局無(wú)關(guān)。h） HCHG作為壓力傳感器工作時(shí)的檢測(cè)極限和分辨率。測(cè)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(shí)，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(gè)HCHG和一個(gè)TPU薄膜組成的夾層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多重傳感。夾在可拉伸TPU膜之間的兩種HCHG對(duì)a）伸長(zhǎng)率敏感，其中兩種HCHG都增加了它們的電阻，b）壓縮，其中兩個(gè)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(yùn)動(dòng)檢測(cè)控制機(jī)器人手臂。a） 通過(guò)身體運(yùn)動(dòng)操縱機(jī)械臂的控制圖。機(jī)器人手臂和人類上肢跛行的關(guān)節(jié)被繪制出來(lái)。對(duì)各種跛行運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)為機(jī)器人關(guān)節(jié)提供致動(dòng)信號(hào)。b） 附著在食指、手腕、肘部和拇指（用紅色虛線框標(biāo)記）上的傳感器對(duì)各種姿勢(shì)的相對(duì)阻力響應(yīng)。機(jī)械臂和人體肢體的運(yùn)動(dòng)是相互關(guān)聯(lián)的。c） 用分布式傳感器通過(guò)人體上肢跛行控制機(jī)械臂下棋：①初始狀態(tài)，②抓握，③移動(dòng)，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(gè)軟夾具配備了兩個(gè)HCHG，一個(gè)作為彎曲傳感器，另一個(gè)作為觸覺(jué)傳感器。b） 用于在開(kāi)放和閉環(huán)模式下操作對(duì)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(shí)，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(shí)，彎曲傳感器的相對(duì)阻力變化會(huì)發(fā)生變化。e） 附著在抓握手指內(nèi)表面的HCHG起到觸覺(jué)傳感器的作用。當(dāng)夾持器循環(huán)抓取和釋放網(wǎng)球時(shí)，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(wú)反饋控制。g） 用反饋控制抓取海綿的詳細(xì)過(guò)程。h） 當(dāng)用反饋控制抓取不同尺寸的海綿時(shí)，觸覺(jué)傳感器的相對(duì)電阻響應(yīng)幾乎相同。

審核編輯：劉清