В последнее время,Южный университет науки и техники, факультет механики и аэрокосмической техники, команда Ян Цаньхуй и факультет машиностроения и энергетики Ge Jun команда в Nature CommunicationsОпубликовано под названием«Ионотронные датчики на основе полиэлектролитных эластомеров с многорежимными возможностями датчика через многоматериальную 3D-печать»Диссертация, сообщает о принятииМногоматериальная технология 3D - печати цифрового фотоотвержденияА.

В течение последнего десятилетия ионизированные устройства (Ionotronics or Iontronics, ионно - электронные гибриды, то есть устройства, основанные на взаимодействии ионов и электронов) вызывали все большую озабоченность из - за их присущих им преимуществ гибкости, растяжимости, оптической прозрачности и биосовместимости. Тем не менее, существующие ионизационные датчики из - за простой структуры устройства, легко просачиваются компоненты, что приводит к плохой стабильности устройства и единой функции датчика, что значительно ограничивает практическое применение. Поэтому ионизационные датчики, спроектированные и изготовленные со стабильными характеристиками и многорежимным датчиком, имеют важное инженерное значение. Исследование решает проблему плохой стабильности и функциональности традиционных ионизирующих датчиков, предлагая новые решения для проектирования, интеллектуального создания и применения растягиваемых ионизирующих датчиков.

Диаграмма 1.Вдохновленный кожей мультимодальный сенсорный ионизационный датчик (a) Схема мультимодального рецептора силы в коже человека (b) Кожа человека может воспринимать один механический сигнал, такой как натяжение, давление, давление + сдвиг, давление + кручение (c) На основе технологии 3D - печати многопрофильного цифрового фотоотверждения для подготовки ионизационного датчика с мультимодальным датчиком.

Как показано на рисунке 1, вдохновленные мультимодальным восприятием кожи человека внешними силами, такими как растяжение, давление, скручивание и его комбинация, исследователи использовали технологию 3D - печати с цифровым световым отверждением (digital light processing, DLP) для подготовки ионизационных датчиков с мультимодальным датчиком. Датчики используют полиэлектролитные эластомеры (PEE), в которых высокомолекулярные сети содержат фиксированные анионы или катионы, а также подвижные антиионы, обладающие характеристиками антиионной утечки. Во время печати между материалом PEE и материалом диэлектрического эластомера (DE) на датчике образуется прочный интерфейс сцепления через ковалентные и топологические взаимосвязи.

Диаграмма 2.Конструкция, подготовка и оптика полиэлектролитных эластомеров, механические, электрические свойства, а также термическая и растворительная стабильность.

Исследователи сначала синтезировали мономер под названием 1 - бутил - 3 - метилимидазол 134 - 3 - сульфоакрилат (BS) в качестве компонента полиэлектролитного материала и сополимеризировались с другим гидрофобным мономером под названием MEA. Затем, оптимизируя соотношение BS и MEA, уравновешивая механические и электрические свойства полиэлектролитного материала, оптимизируйте производительность датчика, как показано на рисунке 2.

Диаграмма 3.Электрический датчикУдарим.Печатность и производительность (a) Модуль памяти PEE и модуль потерь изменяются со временем затвердевания света кривая (b) Время отверждения и плотность энергии изменяются с толщиной слоя (c) Печатная решетка PEE показывает (d) 3D - печать и ручную сборку двухслойной структуры PEE / DE кривая отслаивания 180° (e) 3D - печать Схема разрушения двухслойной структуры PEE / DE схема разрушения интерфейса двухслойной структуры вручную Конденсаторный датчик на основе PEE без ионной утечки (i) схема ионной утечки конденсаторного датчика на основе эластомера, легированного ионами LiTFSI.

Как показано на рисунке 3, исследователи провели тест потока света, чтобы проверить печатность разработанного материала PEE. Затем с помощью теста на отслаивание на 180° была измерена прочность сцепления интерфейса между 3D - печатью и ручной сборкой двухслойной структуры PEE / DE. Результаты показывают, что двухслойная структура 3D - печати имеет прочный интерфейс из - за ковалентных связей и топологической запутанности, образованных между PEE и DE. В процессе отслаивания происходит разрушение онтологии материала PEE, а сцепление может достигать 339,3 J / m²Напротив, двухслойный структурный интерфейс PEE / DE, собранный вручную, слаб, и в процессе отслаивания происходит разрыв интерфейса, а энергия сцепления составляет всего 4,1 J / m²В тестах на долговечность конденсаторные датчики на основе PEE могут поддерживать стабильный сигнал в течение длительного времени из - за отсутствия ионной утечки, в то время как датчики на основе традиционных эластомеров, легированных ионами LiTFSI, дрейфуют из - за ионной утечки до короткого замыкания.

Диаграмма 4.Схема принципов датчика растяжения, сжатия, сдвига, поворота ионизационного датчика (a) растяжения (b) конденсаторно - растягивающая кривая деформации (c) Схема принципов датчика сжатия (d) конденсаторно - нажимная кривая (e) сдвига датчика давления с / без микроструктурыпередачаСенсорСхема принципа (f) Физическая схема датчика сдвига (g) кривая конденсаторно - сдвиговой деформации датчика сдвига различной чувствительности (h) кривая усталости датчика сдвига (i) Схема принципа датчика кручения (j)ЦиреальныйГрафик объектов (k) кривая конденсаторно - крутящего угла датчика различной чувствительности (l) кривая испытания на усталость датчика кручения.

Технология 3D - печати обеспечивает высокую гибкость при проектировании конструкции устройства. Как показано на рисунке 4, исследователи спроектировали и интегрировали четыре различных типа ионизационных датчиков растяжения, сжатия, сдвига и кручения, каждый из которых обладает хорошей производительностью и стабильностью. В частности, благодаря структурной конструкции устройства можно добиться значительной оптимизации чувствительности датчика, например, путем введения микроструктуры в диэлектрическую эластомерную оболочку датчика сжатия, которая может увеличить чувствительность на два порядка, а также путем регулирования чувствительности датчика по требованию, например, путем проектирования контура передней части датчика сдвига или количества секторов датчика кручения, которые могут достигать различных соответствующих датчиков сдвига и крутки соответственно.

Диаграмма 5.Комбинированный ионизационный датчик (a) Схема комбинированного датчика растяжения (b) Физическая схема устройства (c) Эквивалентная схема комбинированного датчика растяжения (d) Эквивалентная схема сигнала устройства в режиме единого датчика (e) кривая изменения емкости - числа кругов при возбуждении сжатия (f) кривая изменения емкости - числа кругов при возбуждении растяжения (g) кривая изменения конденсатора - числа кругов при комбинированной деформации напряженияНамерение (i)Физическая схема устройства (j) Эквивалентная схема комбинированного датчика сдвига давления (k) Схема сигнала устройства (l) комбинированного датчика крутки давления в режиме единого датчика (m) Физическая схема устройства (n) Эквивалентная схема комбинированного датчика сдвига давления (o) Сигнал устройства в режиме единого датчика.

Как показано на рисунке 5, исследователи дополнительно разработали и интегрировали три комбинированных ионизационных датчика: растягивающее давление, ножницы под давлением и скручивание под давлением. Одна из проблем комбинированных датчиков заключается в перекрестных помехах сигналов между различными сенсорными каналами, например, когда устройство растягивается, поскольку эффект Пуассона материала приводит к уменьшению геометрических размеров устройства в вертикальном направлении, что эквивалентно деформации сжатия, что приводит к изменению сигнала канала сжатия, вызванному возбуждением растяжения. В сочетании с симуляционным анализом конечных элементов исследователи эффективно избегали помех сигналов между различными каналами с помощью разумной конструкции устройства.

Рисунок 6. Комбинированный ионизационный датчик для дистанционного беспроводного управления БПЛА (a) схема системы управления БПЛА (b) схема режима работы модуля датчика сдвига в комбинированном ионизационном датчике (c) принцип работы модуля датчика сдвига (d) датчик пять каналов измерения конденсаторного сигнала (e) команда компиляции логика (f) комбинированный ионизационный датчик конденсаторный сигнал в реальном времени (g)Статус.

Наконец, исследователи продемонстрировали носимый блок дистанционного управления, состоящий из четырех датчиков сдвига и датчика сжатия, и подключили его к системе дистанционного управления для дистанционного беспроводного управления полетом БПЛА, как показано на рисунке 6. Четыре датчика сдвига в этом носимом блоке дистанционного управления отвечают за восприятие движения пальцев рук и используются для управления направлением дрона. Датчики сжатия используются для восприятия давления пальцев и управления рулоном дрона. Этот носимый блок дистанционного управления спроектирован таким образом, чтобы обеспечить взаимодействие между человеком и машиной и обеспечить более гибкий способ управления.