4D打印仿蝎子缝结构,实现传感-执行一体化

生物体完美地将传感和执行融合在一起,达到一体化的目的,但对于机器人等智能装备而言,却是一个极为复杂和具有挑战的难题。为此,近年来国内外学者将半柔性、柔性传感器集成到机器人等智能装备中,以期实现其传感-执行一体化功能。但目前的传感和执行多是相互独立,需通过将其在元器件水平集成,因此研发在材料水平上集成的传感-执行一体化智能器件,成为一个新的发展趋势,有望为其灵敏度和响应速度的提升提供新途径。

华中科技大学史玉升教授团队《Adv.Sci.》封底文章: 4D打印仿蝎子缝结构,实现传感-执行一体化

近期,华中科技大学史玉升教授团队受蝎子缝感受器超敏缝结构的启发,仿生设计出梯度缝结构,4D打印炭黑纳米粒子/聚乳酸(PLA)复合材料,成形出具有自主形变并能自感知应变和温度的仿生缝结构器件。该器件通过材料-结构-功能一体化4D打印,创造性的在材料水平上实现了传感-执行一体化功能。

传感-执行一体化原理:炭黑纳米粒子/PLA复合材料具有良好的导电性能和形状记忆效应,该材料的4D打印器件加热后可发生可控形状变化。

在加热过程中,由于炭黑纳米粒子与PLA的膨胀率不同,炭黑纳米粒子间的距离改变引起电子遂穿效应变化,使器件电阻改变,从而将热信号转变为电阻信号实现温度自感知(如图1所示);同时,器件在形状改变过程中,器件缝结构周边的炭黑纳米粒子会接触-分离,器件内局部接触电阻变化使器件的电阻改变,从而将自身形变信号转变为电阻信号实现应变自感知(如图2所示)。

华中科技大学史玉升教授团队《Adv.Sci.》封底文章: 4D打印仿蝎子缝结构,实现传感-执行一体化
图1 温度感知
华中科技大学史玉升教授团队《Adv.Sci.》封底文章: 4D打印仿蝎子缝结构,实现传感-执行一体化
图2 应变感知

 

基于此,研究者将该仿生4D打印器件应用于模拟手指触碰手机屏幕(如图3所示)。在温度激励下器件形状改变,模拟手指主动触碰屏幕,在这个过程中器件形变引起其缝结构间距的变化使器件整体电阻改变,实现器件形状变化自感知。在触碰瞬间,可通过电阻的变化检测到器件触碰屏幕的应力,实现触碰应变自感知。

华中科技大学史玉升教授团队《Adv.Sci.》封底文章: 4D打印仿蝎子缝结构,实现传感-执行一体化
图3 应用案例

 

该研究成果将智能材料、仿生结构和4D打印有机结合,实现了材料水平上传感-执行一体化,为未来机器人等智能装备的关键器件研发提供了新的思路和途径。

上述研究由华中科技大学、吉林大学、中国地质大学(武汉)和清华大学合作完成。在史玉升教授和韩志武教授的共同指导下,以“4D Printing Strain Self‐Sensing and Temperature Self‐Sensing IntegratedSensor-Actuator with Bioinspired Gradient Gaps”为题发表在《Advanced Science》上,其中,陈道兵博士为论文第一作者,文世峰副教授和周燕副教授为论文共同通讯作者。

论文链接:

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

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