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(shì),。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(duì)傳感器形狀對(duì)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(píng)估傳感器幾何形狀對(duì)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(cè)大量應(yīng)變的傳感器的一個(gè)有吸引力的材料選擇。由于長(zhǎng)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(gè)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(jiǎn)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(gè)具有不同變形測(cè)量區(qū)域的傳感器,，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,，以評(píng)估傳感器幾何形狀的影響。他們的目的是證明在整個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置上進(jìn)行的,，該裝置允許傳感器循環(huán)加載，同時(shí)測(cè)量其電阻,。

△本研究的圖形概要

為了達(dá)到穩(wěn)定的長(zhǎng)絲和充分的分散性,，導(dǎo)電長(zhǎng)絲的制備分兩步進(jìn)行,。擠壓過程穩(wěn)定后，在制備長(zhǎng)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(zhǎng)曲設(shè)計(jì)分別圍繞一個(gè)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(zhǎng)絲生產(chǎn)的過程

傳感器的彎曲特性是使用定制的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行的。每個(gè)樣品都接受了兩次測(cè)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(duì)長(zhǎng)絲進(jìn)行了低溫?cái)嗔�,，并�?duì)傳感器試樣進(jìn)行了低溫微加工,。在0.5V振幅的電壓激勵(lì)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(gè)觀察范圍內(nèi),，燈絲的電氣行為類似于一個(gè)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(gè)傳感器有不同的彎曲部分長(zhǎng)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(zhǎng),、縮短和簡(jiǎn)單彎曲傳感器的電阻平均相對(duì)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(zhǎng)絲的阻抗光譜

在整個(gè)彎曲周期內(nèi)，通過彎曲產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變對(duì)短彎曲的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了主導(dǎo)性影響,。對(duì)于一半的彎曲周期,，簡(jiǎn)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(hào),。彎曲擴(kuò)展的柔性傳感器所需的力大約是彎曲簡(jiǎn)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(jiǎn)單柔性傳感器的25倍,。

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

△磨合后前 12 個(gè)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(gè)空隙,。

△三種設(shè)計(jì)的磁滯回線并比較每個(gè)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(duì)彎曲部分長(zhǎng)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(hào)輸出有很大的不同。短的彎曲傳感器的表現(xiàn)比延長(zhǎng)的彎曲傳感器好27.7倍,，簡(jiǎn)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(hào),，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(duì)其他性能特征（如恢復(fù)和響應(yīng)時(shí)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(hào)輸出的線性和傳感器的再現(xiàn)對(duì)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(duì)其他性能的影響。