一種可應(yīng)用于智能穿戴、人形機(jī)器人的無(wú)漂移柔性壓力傳感器

2024年3月21日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛教授和力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝助理教授研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種無(wú)漂移柔性壓力傳感器，解決了柔性壓力傳感器中由于軟材料蠕變導(dǎo)致的難以精準(zhǔn)測(cè)量靜態(tài)壓力的普遍性難題，相關(guān)論文以“Creep-free polyelectrolyte elastomer for drift-free iontronic sensing”為題發(fā)表在Nature Materials期刊上。論文通訊作者是楊燦輝、郭傳飛，（共同）第一作者是何耘豐、程雨。

圖1：無(wú)漂移柔性壓力傳感器的原理、材料和化學(xué)組成

柔性壓力傳感器可將壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，而“離-電型”柔性壓力傳感器——一種具有極高靈敏度的器件，更是在機(jī)器人觸覺(jué)、虛擬現(xiàn)實(shí)以及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值（圖1a）。但現(xiàn)有的柔性壓力傳感器普遍存在明顯的信號(hào)漂移問(wèn)題（圖1b）。信號(hào)漂移一方面來(lái)自于離子凝膠的漏液，另一方面來(lái)自于軟材料的蠕變（圖1c）。因此，柔性壓力傳感器往往“測(cè)得靈敏”，但“測(cè)不準(zhǔn)”，無(wú)法用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)壓力的精準(zhǔn)計(jì)量，使得這種器件在諸多領(lǐng)域無(wú)法替代傳統(tǒng)的硬質(zhì)傳感器。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)基于軟材料力學(xué)原理，從材料的分子結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)、制備了一種無(wú)泄漏、低蠕變的聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電彈性體，有效地抑制了離-電型柔性壓力傳感器的信號(hào)漂移。這種材料是一種共聚物，包含有帶電的分子鏈段以及不帶電的潤(rùn)滑中性鏈段（圖1d）。前者把陽(yáng)離子束縛在分子鏈上，以網(wǎng)絡(luò)彈性阻礙離子的向外擴(kuò)散，有效避免離子泄露；后者可有效降低分子鏈之間的靜電吸引，大幅降低材料的蠕變。在上述分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提高交聯(lián)密度，進(jìn)一步降低了材料的蠕變。

圖2：聚電解質(zhì)彈性體的特性

制備的離子導(dǎo)體是一種聚電解質(zhì)彈性體（PEE），P（AMT-co-MA）-PMA，具有抗蠕變性。在200kPa拉應(yīng)力下，樣品保持穩(wěn)定的機(jī)械和電氣性能（例如拉伸應(yīng)變和阻抗）（圖2a）；當(dāng)受到峰值應(yīng)力為400kPa、頻率為1Hz的三角波循環(huán)載荷時(shí)，峰值應(yīng)變?cè)?0萬(wàn)次循環(huán)中幾乎沒(méi)有變化（圖2b）。研究團(tuán)隊(duì)一共制備了三種PEE，只含有帶電分子鏈段的PAMT表示為PEE1，同時(shí)含有帶電分子鏈段和不帶電的可滑中性鏈段的P（AMT-co-MA）表示為PEE2，以及在PEE2基礎(chǔ)上加入長(zhǎng)鏈PMA增韌的P（AMT-co-MA）-PMA表示為PEE3。三種材料的單軸拉伸曲線如圖2c所示。增韌的PEE3的性能得到顯著提升，具有61.3%的斷裂應(yīng)變，560kPa的拉伸強(qiáng)度（圖2d），323.5 J m-2的斷裂能（圖2e）和8.2 MPa的壓縮強(qiáng)度（圖2f）。PEE具有非粘性表面并且表現(xiàn)出低遲滯。PEE與金電極的粘附能為20.78 J m-2（圖2g），在加卸載循環(huán)測(cè)試中，第一次和第1000次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重疊，在1000次循環(huán)中平均遲滯<3%（圖2h）。離子導(dǎo)體的電學(xué)性能同樣至關(guān)重要，團(tuán)隊(duì)對(duì)PEE3進(jìn)行交流阻抗測(cè)量并畫出其奈奎斯特曲線（圖2i）和波德相位圖（圖2j）。

圖3：離電傳感器的特性

團(tuán)隊(duì)通過(guò)在兩層金電極之間夾一層PEE來(lái)構(gòu)建傳感器（圖3a）。當(dāng)受到2.5 kPa的瞬間載荷時(shí)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間約3.8 ms，恢復(fù)時(shí)間約5.8 ms（圖3b）。傳感器在0-1000 kPa范圍內(nèi)都表現(xiàn)出較高的靈敏度（圖3c）。向傳感器施加約500 kPa的靜壓，其電容在48小時(shí)內(nèi)漂移量低于1%（圖3d）。向傳感器施加400kPa的方波循環(huán)載荷，傳感器在總共1000個(gè)循環(huán)中的每個(gè)循環(huán)相應(yīng)地輸出方波信號(hào)（圖3e）。團(tuán)隊(duì)也在更復(fù)雜的情況下驗(yàn)證了傳感器的無(wú)漂移性能，通過(guò)在375 kPa的靜壓上疊加50 kPa的周期性波動(dòng)，傳感器的響應(yīng)與刺激同相（圖3f）。

作為對(duì)比，研究團(tuán)隊(duì)選用了目前廣泛使用的離子凝膠（PVDF-HFP）-[EMIM][TFSI]進(jìn)行比較，在500kPa的靜態(tài)壓縮下，電容信號(hào)在10分鐘內(nèi)漂移約102.9%（圖3g）。其信號(hào)同時(shí)也在方波循環(huán)載荷中漂移（圖3h），或在疊加靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷的情況下漂移（圖3i）。

圖4：各種離電傳感器的漂移比和漂移率

研究團(tuán)隊(duì)提出了漂移比和漂移率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)定量表征靜壓下的信號(hào)穩(wěn)定性（圖4a）。團(tuán)隊(duì)共制作了十種傳感器，其離子導(dǎo)體分別為優(yōu)化的PEE、三種未優(yōu)化的PEE、四種離子凝膠、一種水凝膠以及一種鋰鹽摻雜彈性體。在500kPa靜態(tài)壓力下連續(xù)測(cè)試10分鐘，基于優(yōu)化PEE的傳感器在10分鐘內(nèi)表現(xiàn)出約0.33%的平均漂移比，比所有其他傳感器低兩個(gè)數(shù)量級(jí)（圖4b）。

此外，基于優(yōu)化PEE的傳感器在500kPa下的漂移率比其他傳感器的漂移率低2-4個(gè)數(shù)量級(jí)（圖4c）。研究人員采用傳感器產(chǎn)生漂移行為時(shí)壓力和其自身模量的比值，即P/E，來(lái)表征傳感器在沒(méi)有信號(hào)漂移的情況下工作的許用壓力?；趦?yōu)化PEE的傳感器可以在0.45的P/E下工作，相比之下使用傳統(tǒng)軟材料的傳感器和傳統(tǒng)硅基傳感器僅在低于10-4和10-3的P/E時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)漂移傳感（圖4d）。

圖5：無(wú)漂移柔性壓力傳感器在機(jī)械手抓握操作中的應(yīng)用

最后，研究人員將傳感器集成到一個(gè)機(jī)械抓手上展示了準(zhǔn)確傳感-控制-驅(qū)動(dòng)的一體化系統(tǒng)。該機(jī)械抓手由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配備了一個(gè)用于力監(jiān)測(cè)的商業(yè)傳感器（圖5a）。使用一個(gè)Arduino板來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以改變機(jī)械抓手的閉合程度（DGC），并利用傳感器的信號(hào)作為輸入采用PID程序來(lái)控制DGC（圖5b）。該工作演示了集成有無(wú)信號(hào)漂移傳感器機(jī)械抓手的精確控制。其可以在350 kPa的高夾緊壓力下穩(wěn)定地抓住鋼塊。當(dāng)機(jī)械抓手開始工作時(shí)，接觸夾持物后電容上升，一旦達(dá)到電容的設(shè)定值，DGC被固定，并向機(jī)械抓手發(fā)送命令以提升鋼塊。機(jī)械抓手可以穩(wěn)定地夾住鋼塊20 min，在此期間DGC和夾持力都保持穩(wěn)定（圖5c,d）。

相比之下，將有漂移行為的基于離子凝膠的傳感器集成到機(jī)械抓手上，在350 kPa的固定壓力下PID程序會(huì)不斷調(diào)整DGC，使電容接近設(shè)定值，導(dǎo)致鋼塊滑脫（圖5e）?；跓o(wú)信號(hào)漂移傳感器對(duì)力的精確檢測(cè)，機(jī)械抓手可以安全操作脆弱的物體，研究人員演示了在1500秒內(nèi)穩(wěn)定抓住一個(gè)小番茄（圖5f）。相比之下，當(dāng)使用基于水凝膠的傳感器時(shí)，水凝膠脫水會(huì)導(dǎo)致電信號(hào)的降低而導(dǎo)致DGC增加，最終機(jī)械抓手捏壞了小番茄（圖5g）。

可精準(zhǔn)計(jì)量的柔性壓力傳感器具有大規(guī)模工程化應(yīng)用價(jià)值，在智能穿戴、人形機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01848-6