3D打印高性能柔性可彎曲傳感器，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝的協(xié)同控制

導(dǎo)讀：增材制造（AM）為傳感器創(chuàng)造了新的可能性，因?yàn)檫@種制造技術(shù)允許在具體應(yīng)用中進(jìn)行定制。這種特性最近被用于軟體機(jī)器人和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用中。不同的增材制造技術(shù)在打印速度、精度和可用材料方面提供了獨(dú)特的優(yōu)勢。許多研究已經(jīng)進(jìn)行，以通過修改材料成分來改善傳感器的性能。盡管如此，人們對傳感器形狀對傳感器輸出的影響的基本方面知之甚少。

2022年9月19日，南極熊獲悉，在《Additive Manufacturing Letters》雜志最近發(fā)表的一篇題為“Conductive Compliant Mechanisms: Geometric tuning of 3D printedflexural sensors”論文中，研究人員展示了增材制造（AM）在制造撓性傳感器中的應(yīng)用，以評估傳感器幾何形狀對傳感器輸出的影響，從而強(qiáng)調(diào)了幾何設(shè)計(jì)考慮在增材制造微調(diào)撓性傳感器中的重要性。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000573?via%3Dihub#fig0001

關(guān)于這項(xiàng)研究

導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（CPCs）是可以檢測大量應(yīng)變的傳感器的一個有吸引力的材料選擇。由于長碳納米管（CNT）的高纏結(jié)性，基于CNT的化合物通常適用于高應(yīng)變操作。另一種用于制造CPC傳感器的物質(zhì)是導(dǎo)電碳黑（CCB）。純粹的應(yīng)變值很容易理解，但幾個彎曲傳感器的應(yīng)用可能涉及彎曲過程中遇到的壓縮和拉伸應(yīng)力的組合。雖然從純應(yīng)變的角度理解很簡單，但從梁彎曲過程中出現(xiàn)的拉伸和壓縮應(yīng)力的組合來看，理解起來就比較困難。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)制作了三個具有不同變形測量區(qū)域的傳感器，并對其進(jìn)行測試，以評估傳感器幾何形狀的影響。他們的目的是證明在整個設(shè)計(jì)過程中如何增強(qiáng)彎曲傳感器的幾何形狀。三種傳感器的比較是在一個實(shí)驗(yàn)測試裝置上進(jìn)行的，該裝置允許傳感器循環(huán)加載，同時測量其電阻。

△本研究的圖形概要

為了達(dá)到穩(wěn)定的長絲和充分的分散性，導(dǎo)電長絲的制備分兩步進(jìn)行。擠壓過程穩(wěn)定后，在制備長絲前丟棄了運(yùn)行中的材料。材料擠壓增材制造（MEX）被用來生產(chǎn)三種不同的傳感器設(shè)計(jì)。短曲和長曲設(shè)計(jì)分別圍繞一個固定的位置進(jìn)行彎曲，彎曲面積較小或較大。所有的傳感器設(shè)計(jì)都是分三套生產(chǎn)的。

△復(fù)合材料長絲生產(chǎn)的過程

傳感器的彎曲特性是使用定制的測試設(shè)備進(jìn)行的。每個樣品都接受了兩次測試。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)使用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行了表征。在進(jìn)行顯微鏡檢查之前，對長絲進(jìn)行了低溫?cái)嗔�，并對傳感器試樣進(jìn)行了低溫微加工。在0.5V振幅的電壓激勵下，進(jìn)行了阻抗光譜分析。

△傳感器設(shè)計(jì)和尺寸

結(jié)果分析

在傳感器的橫截面上觀察到了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在傳感器制造后沒有顯示出明顯的排列。結(jié)果阻抗的相位和幅度在所有樣品中都顯示出相同的反應(yīng)。響應(yīng)的特點(diǎn)是非常平坦的，這意味著在整個觀察范圍內(nèi)，燈絲的電氣行為類似于一個典型的電阻器。

△(a) 細(xì)絲的低溫?cái)嗔褭M截面和 (b) MEX 生產(chǎn)的傳感器的橫截面的 SEM 圖像。

三個傳感器有不同的彎曲部分長度，但設(shè)計(jì)在相同的腳印下，因此觀察到的差異是變形濃度。在最大彎曲角度下，加長、縮短和簡單彎曲傳感器的電阻平均相對變化分別為0.16%、4.30%和0.77%。它們由類似的材料制成，并承受相同程度的彎曲。然而，它們的輸出振幅卻有很大的不同。

△長絲的阻抗光譜

在整個彎曲周期內(nèi)，通過彎曲產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變對短彎曲的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了主導(dǎo)性影響。對于一半的彎曲周期，簡單的彎曲表現(xiàn)出電阻的增加和減少。層的融合是由于MEX過程，它可以通過印刷溫度和速度來調(diào)節(jié)，允許進(jìn)一步的手段來修改傳感器的信號。彎曲擴(kuò)展的柔性傳感器所需的力大約是彎曲簡單的柔性傳感器所需力的四分之一。另一方面，短柔性傳感器需要的彎曲力是簡單柔性傳感器的25倍。

△左側(cè)是測試設(shè)置的圖像，右側(cè)是三個傳感器及其彎曲行為的圖像。

△磨合后前 12 個循環(huán)的圖表。

△顯示未融合層的傳感器橫截面圖像。箭頭突出顯示了在彎曲過程中可能塌陷的兩個空隙。

△三種設(shè)計(jì)的磁滯回線并比較每個復(fù)制的傳感器。

結(jié)論

總而言之，研究人員確定了彎曲傳感器的反應(yīng)對彎曲部分長度的依賴性。盡管所有的設(shè)計(jì)都經(jīng)受了相同程度的彎曲，但信號輸出有很大的不同。短的彎曲傳感器的表現(xiàn)比延長的彎曲傳感器好27.7倍，簡單的彎曲傳感器好5.6倍。這些結(jié)果表明，內(nèi)部的拉伸和壓縮應(yīng)力影響著傳感器的信號，取決于彎曲的濃度。

此外，這項(xiàng)研究為組合和整合傳感器到順應(yīng)系統(tǒng)中提供了新的可能性。通過研究MEX過程對其他性能特征（如恢復(fù)和響應(yīng)時間）的影響，可以實(shí)現(xiàn)額外的改進(jìn)。據(jù)作者說，加強(qiáng)信號輸出的線性和傳感器的再現(xiàn)對于未來的發(fā)展至關(guān)重要，以研究由于傳感器的幾何形狀對其他性能的影響。