在過(guò)去十年中，離電器件（Ionotronics or Iontronics，離子-電子混合器件，即基于離子與電子協(xié)同作用的器件）因其固有的柔韌性，可拉伸性，光學(xué)透明性和生物相容性等優(yōu)勢引起了越來(lái)越多的關(guān)注。然而，現有的離電傳感器由于器件結構簡(jiǎn)單、成分易泄漏，導致器件穩定性差，傳感功能單一，極大地限制了實(shí)際應用。因此，設計制造性能穩定且具有多模式傳感能力的離電傳感器具有重要的工程應用價(jià)值。

南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝團隊與機械與能源工程系葛锜團隊，報道了通過(guò)多材料光固化3D打印技術(shù)一體化設計制造基于聚電解質(zhì)彈性體的多模式傳感離子電容傳感器，解決了傳統離電傳感器穩定性差和功能性單一的問(wèn)題，為可拉伸離電傳感器的設計、智造與應用提供了新的解決方案。

相關(guān)研究成果以“Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing"為題發(fā)表在《Nature Communication》期刊。南方科技大學(xué)科研助理李財聰、博士生程健翔和何耘豐為論文共同第一作者，楊燦輝助理教授與葛锜教授為論文共同通訊作者。本研究得到了深圳市軟材料力學(xué)與智造重點(diǎn)實(shí)驗室和廣東省自然科學(xué)基金等項目支持。

如圖1所示，受人體皮膚對于拉、壓、扭及其組合等外力的多模態(tài)感知能力的啟發(fā)，研究人員利用多材料光固化3D打印技術(shù)制備了具有多模式傳感能力的離電傳感器。傳感器采用了聚電解質(zhì)彈性體（PEE），其高分子網(wǎng)絡(luò )中含有固定的陰離子或陽(yáng)離子，以及可移動(dòng)的反離子，具備抗離子泄漏的特性。在打印過(guò)程中，PEE材料與傳感器上的介電彈性體（DE）材料之間通過(guò)共價(jià)和拓撲互連形成了牢固的界面粘接。

圖1. 皮膚啟發(fā)的多模式傳感離電傳感器。(a) 人體皮膚內多種力感受器示意圖。(b) 人體皮膚可以感知單一的力學(xué)信號如壓拉、壓、壓+剪、壓+扭。(c) 基于多材料數字光固化3D打印技術(shù)制備具有多模式傳感能力的離電傳感器。

研究人員首先合成了一種名為1-丁基-3-甲基咪唑134-3-磺丙基丙烯酸酯（BS）的單體，作為聚電解質(zhì)材料的組成成分之一，并與另一種名為MEA的疏水單體一起進(jìn)行共聚。然后通過(guò)優(yōu)化BS和MEA的比例，平衡聚電解質(zhì)材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能，從而優(yōu)化傳感器的性能，如圖2所示。

圖2. 聚電解質(zhì)彈性體的設計、制備與光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)性能以及熱、溶劑穩定性。

如圖3所示，研究人員進(jìn)行光流變測試驗證了所開(kāi)發(fā)的PEE材料的可打印性。然后通過(guò)180°剝離測試，分別測量了3D打印和手動(dòng)組裝的PEE/DE雙層結構的界面粘接強度。結果表明，3D打印的雙層結構由于PEE和DE之間形成的共價(jià)鍵和拓撲纏結而具有強韌的界面，剝離過(guò)程發(fā)生了PEE材料的本體斷裂, 粘接能達339.3 J/m2；相比之下，手動(dòng)組裝的PEE/DE雙層結構界面弱，剝離過(guò)程發(fā)生了界面斷裂，粘接能只有4.1 J/m2。在耐久度測試中，基于PEE的電容式傳感器由于無(wú)離子泄漏可以長(cháng)時(shí)間保持穩定的信號，而基于傳統的LiTFSI摻雜離子的彈性體的傳感器由于離子泄漏，信號持續發(fā)生漂移，直至發(fā)生短路。

圖3. 離電傳感器的可打印性與性能。(a) PEE存儲模量和損耗模量隨光固化時(shí)間的變化曲線(xiàn)。(b) 固化時(shí)間與能量密度隨層厚的變化關(guān)系。(c) 打印的PEE陣列展示。(d) 3D打印和手動(dòng)組裝的PEE/DE雙層結構的180°剝離曲線(xiàn)。(e) 3D打印的PEE/DE雙層結構本體斷裂示意圖。(f) 手動(dòng)組裝的PEE/DE雙層結構界面斷裂示意圖。(g) 基于PEE和基于LiTFSI摻雜離子的彈性體的電容式傳感器的ΔC/C0隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。(h) 基于PEE的電容式傳感器無(wú)離子泄漏。(i) 基于LiTFSI摻雜離子的彈性體的電容式傳感器離子泄漏示意圖。

3D打印技術(shù)為器件的結構設計提供了很高的靈活性。如圖4所示，研究人員分別設計并一體化打印了拉伸、壓縮、剪切、扭轉四種不同的離電傳感器，器件均具有良好的性能和穩定性。特別地，通過(guò)器件的結構設計，即可以實(shí)現傳感器靈敏度的大幅度優(yōu)化，例如通過(guò)在壓縮傳感器的介電彈性體層引入微結構可以將靈敏度提高兩個(gè)數量級，又可以實(shí)現傳感器靈敏度的按需調控，例如通過(guò)設計剪切傳感器前端的輪廓線(xiàn)或扭轉傳感器的扇形區域數量可以分別實(shí)現不同相應的剪切傳感器和扭轉傳感器。

圖4. 拉伸、壓縮、剪切、扭轉離電傳感器。(a) 拉伸傳感器原理示意圖。(b) 電容-拉伸應變曲線(xiàn)。(c) 壓縮傳感器原理示意圖。(d) 有/無(wú)微結構的壓力傳感器的電容-壓力曲線(xiàn)。(e) 剪切傳感器原理示意圖。(f) 一種剪切傳感器實(shí)物圖。(g) 不同靈敏度的剪切傳感器的電容-剪切應變曲線(xiàn)。(h) 剪切傳感器的疲勞測試曲線(xiàn)。(i) 扭轉傳感器原理示意圖。(j) 一種扭轉傳感器實(shí)物圖。(k) 不同靈敏度的扭轉傳感器的電容-扭轉角曲線(xiàn)。(l) 扭轉傳感器的疲勞測試曲線(xiàn)。

如圖5所示，研究人員進(jìn)一步設計并一體化打印了拉壓、壓剪、壓扭三種組合式離電傳感器。組合式傳感器最大的挑戰之一在于不同傳感通路之間相互的信號串擾，例如，當器件拉伸時(shí)，由于材料的泊松效應會(huì )導致垂直方向上的器件幾何尺寸縮小，等效于壓縮變形，導致拉伸激勵引起壓縮通道的信號變化。研究人員結合有限元模擬分析，通過(guò)合理的器件結構設計，有效地避免了不同通道之間的信號串擾。

圖5. 組合式離電傳感器。(a) 拉壓組合傳感器示意圖。(b) 器件實(shí)物圖。(c) 拉壓組合傳感器等效電路圖。(d) 單一傳感模式下的器件信號。(e) 壓縮激勵下的電容-圈數變化曲線(xiàn)。(f) 拉伸激勵下的電容-圈數變化曲線(xiàn)。(g) 拉壓組合變形下的信號譜。(h) 壓剪組合傳感器示意圖。(i) 器件實(shí)物圖。(j) 壓剪組合傳感器等效電路圖。(k) 單一傳感模式下的器件信號。(l) 壓扭組合傳感器示意圖。(m) 器件實(shí)物圖。(n) 壓扭組合傳感器等效電路圖。(o) 單一傳感模式下的器件信號。

最后，研究人員展示了一個(gè)由四個(gè)剪切傳感器和一個(gè)壓縮傳感器組成的可穿戴遙控單元，并將其連接到一個(gè)遠程控制系統，用于遠程無(wú)線(xiàn)控制無(wú)人機的飛行，如圖6所示。這個(gè)可穿戴遙控單元中的四個(gè)剪切傳感器負責感知手部的手指運動(dòng)，用于控制無(wú)人機的方向。而壓縮傳感器則用于感知手指的壓力，控制無(wú)人機的翻滾。這種可穿戴遙控單元的設計可以實(shí)現人機交互，提供更加靈活的控制方式。

圖6. 組合式離電傳感器用于無(wú)人機的遠程無(wú)線(xiàn)操控。(a) 無(wú)人機控制系統示意圖。(b) 組合式離電傳感器中剪切傳感模塊工作模式示意圖。(c) 剪切傳感模塊工作原理。(d) 傳感器五個(gè)通道電容信號測試。(e) 指令編譯邏輯。(f) 組合式離電傳感器實(shí)時(shí)電容信號。(g) 不同時(shí)刻的無(wú)人機飛行狀態(tài)。

文章來(lái)源：高分子科技（已獲得轉載權）

023-4058

MultiMatter C1

基于高精度數字光處理3D打印技術(shù)和離心式多材料切換技術(shù)，MultiMatter C1多材料3D打印裝備可實(shí)現任意復雜異質(zhì)結構快速成型，在力學(xué)超材料、生物醫學(xué)、柔性電子、軟體機器人等領(lǐng)域具有重要應用潛力。

離心式多材料切換技術(shù)：開(kāi)發(fā)的離心式多材料切換技術(shù)可實(shí)現高效材料切換和殘液去除。離心轉速可調，最高達8000轉/分鐘，60秒內即可完成多材料切換，單次打印多材料切換最大次數高達2000次。

可打印材料范圍廣：該設備支持粘度在50-5000 cps范圍內的硬性樹(shù)脂、彈性體、水凝膠、形狀記憶高分子和導電彈性體等材料及這些材料組合結構的多材料3D打印，為不同行業(yè)和應用領(lǐng)域，提供了材料選擇的靈活性。

多功能多材料耦合結構實(shí)現：該設備可打印高復雜度、高精度、多功能、多材料耦合結構，支持同時(shí)打印2種材料，可打印層內多材料和層間多材料，且多材料層內過(guò)渡區尺寸在200μm以?xún)?，為復雜多材料結構制造提供高精度解決方案。