Recentemente,A equipe Yang Canhui do Departamento de Mecânica e Engenharia Aeroespacial da Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul e a equipe Ge Qing do Departamento de Engenharia Mecânica e Energética trabalharam na Nature CommunicationsPublicado com o título“Sensores ionotrônicos baseados em elastómeros polieletrólitos com capacidades de detecção multi-modo através de impressão 3D multi-material”O artigo, relatado pelaTecnologia de impressão 3D de fotocuração digital multimaterialDesign integradoFabricação de sensores iônicos capacitivos de sensor multimodo baseados em elastómeros de polieletrólitos- É.

Na última década, os dispositivos de descarga de eletricidade (Ionotronics ou Iontronics, dispositivos híbridos iões-eletrônicos, ou seja, dispositivos baseados em sinergias iões-eletrônicos) receberam maior atenção por causa de suas vantagens inerentes, como flexibilidade, esticabilidade, transparência óptica e biocompatibilidade. No entanto, os sensores de descarga existentes devido à estrutura simples do dispositivo, os componentes são fáceis de vazar, o que resulta em uma má estabilidade do dispositivo e uma única função de sensor, limitando muito a aplicação prática. Portanto, o projeto e a fabricação de sensores de descarga com desempenho estável e capacidade de sensores multimodo têm um valor importante para aplicações de engenharia. O estudo resolve o problema da baixa estabilidade e funcionalidade dos sensores de descarga convencionais, oferecendo novas soluções para o design, fabricação e aplicação de sensores de descarga esticáveis.

Figura 1.Sensores de descarga de sensores multimodo inspirados na pele (a) Esquema de múltiplos receptores de força na pele humana (b) A pele humana pode perceber um único sinal mecânico, como puxar, pressionar, pressionar + cortar, pressionar + torcer (c) Preparar um sensor de descarga com capacidade de sensor multimodo com base na tecnologia de impressão 3D fotocurada digital multimaterial.

Inspirados pela capacidade de percepção multimodal da pele humana de forças externas como puxar, pressionar, torcer e suas combinações, como mostrado na Figura 1, os pesquisadores usaram a tecnologia de impressão 3D de processamento de luz digital (DLP) multi-material para preparar sensores de descarga com capacidade de sensor multimodal. Os sensores usam elastómeros polieletrólitos (PEE), cuja rede de polímeros contém aniões ou catiões fixos, bem como anti-iões móveis, com propriedades de vazamento anti-iônico. Durante o processo de impressão, a ligação de interface sólida entre o material PEE e o material de elastómero dielétrico (DE) no sensor é formada por meio de interconexão covalente e topológica.

Figura 2.Projeto, preparação e propriedades ópticas, mecânicas e elétricas de elastómeros polieletrólitos, bem como estabilidade térmica e solvente.

Os pesquisadores começaram sintetizando um monómero chamado 1-butil-3-metilmidazol 134-3-sulfopropilacrilato (BS) como um componente do material polieletrólito e se coponesionaram com outro monómero hidrofóbico chamado MEA. Em seguida, as propriedades mecânicas e elétricas do material polieletrólito são equilibradas otimizando a proporção de BS e MEA, otimizando assim o desempenho do sensor, como mostrado na Figura 2.

Figura 3.Sensor de desconectaçãoinstrumento atirávelImpressão e desempenho (a) Curva de mudança do módulo de armazenamento PEE e módulo de perda com o tempo de curação da luz (b) Relação de mudança do tempo de curação com a densidade de energia com a espessura da camada (c) Apresentação de matriz de PEE impressa (d) Curva de descarte de 180 ° para estruturas bicameradas de PEE / DE impressas e montadas manualmente (e) Esquema de ruptura do corpo bicamerado de PEE / DE impresso em 3D (f) Esquema de ruptura da interface bicamerada de PEE / DE montada manualmente (g) Curva de mudança do ΔC / C0 com o tempo para sensores capacitivos baseados em PEE e elastómeros dopados com íons LiTFSI (h) Sensores capacitivos baseados em PEE sem vazamento de íons (i) Intensão de vazamento de íons de sensores capacitivos baseados em elastómeros dopados com íons LiTFSI.

Como mostrado na Figura 3, os pesquisadores realizaram testes de fluxo óptico para verificar a imprimibilidade do material PEE desenvolvido. Em seguida, a força de adesão à interface das estruturas de dupla camada PEE/DE impressas em 3D e montadas manualmente foi medida, respectivamente, através de testes de descarte de 180°. Os resultados mostraram que a estrutura de dupla camada da impressão 3D tem uma interface robusta devido a ligações covalentes e enredos topológicos formados entre PEE e DE, o processo de descarte ocorreu a ruptura do corpo do material PEE, a ligação pode chegar a 339,3 J / m²Em contraste, a interface de estrutura de dupla camada PEE / DE montada manualmente é fraca, o processo de extração ocorreu uma ruptura da interface e a capacidade de adesão é de apenas 4,1 J / m.². Nos testes de durabilidade, os sensores capacitivos baseados em PEE mantêm um sinal estável por um longo período devido a vazamentos iliônicos, enquanto os sensores baseados em elastômeros iônicos dopados LiTFSI tradicionais continuam a derivar o sinal devido a vazamentos iônicos até que ocorre um curto-circuito.

Figura 4Sensores de estiramento, compressão, corte e desvio (a) Esquema do princípio do sensor de estiramento (b) Curva de tensão capacitiva-estiramento (c) Esquema do princípio do sensor de compressão (d) Curva de tensão capacitiva-tensão para sensores de pressão com/sem microestrutura (e) CorteTransmissãoSensoresEsquema do Princípio (f) Diagrama físico de um sensor de corte (g) Curva de tensão de corte capacitiva para sensores de corte de sensibilidade diferente (h) Curva de teste de fadiga para sensores de corte (i) Esquema do Princípio do Sensor de Torsão (j) Um Sensor de TorsãoAparelhoVerdadeDiagrama (k) Curva de ângulo de torção-capacitação para sensores de torção de sensibilidade diferente (l) Curva de teste de fadiga para sensores de torção.

A tecnologia de impressão 3D oferece uma grande flexibilidade para o design estrutural do dispositivo. Como mostrado na Figura 4, os pesquisadores projetaram e imprimiram quatro sensores de descarga diferentes para esticar, comprimir, cortar e reverter, todos com bom desempenho e estabilidade. Em particular, através do design estrutural do dispositivo, é possível alcançar uma otimização significativa da sensibilidade do sensor, por exemplo, através da introdução de microestruturas na camada de elástico dielétrico do sensor de compressão, a sensibilidade pode ser aumentada em duas classes de quantidade, e também pode ser alcançada a regulação sob demanda da sensibilidade do sensor, por exemplo, projetando a linha de contorno da frente do sensor de corte ou o número de áreas setoriais do sensor de torção, diferentes sensores de corte correspondentes e sensores de torção podem ser alcançados, respectivamente.

Figura 5.Sensores de descarga combinados (a) Diagrama do sensor combinado de tensão (b) Diagrama físico do dispositivo (c) Diagrama de circuito equivalente do sensor combinado de tensão (d) Sinal do dispositivo no modo de sensor único (e) Curva de variação de capacitor-círculo sob estímulo de compressão (f) Curva de variação de capacitor-círculo sob estímulo de estiramento (g) Espectro do sinal sob deformação de combinação de tensão (h) Visualização do sensor combinado de tensãointenção (i)Diagrama físico do dispositivo (j) Diagrama de circuito equivalente do sensor combinado de corte de pressão (k) Sinal do dispositivo no modo de sensor único (l) Diagrama do sensor combinado de torque de pressão (m) Diagrama físico do dispositivo (n) Diagrama de circuito equivalente do sensor combinado de torque de pressão (o) Sinal do dispositivo no modo de sensor único.

Como mostrado na Figura 5, os pesquisadores projetaram e imprimiram três sensores de descarga combinados de pressão, corte e torsão. Um dos desafios dos sensores combinados é a interferência de sinais entre os diferentes canais de sensores, por exemplo, quando o dispositivo é esticado, devido ao efeito Poisson do material, a geometria do dispositivo é reduzida na direção vertical, o que equivale a uma deformação de compressão, causando uma mudança de sinal no canal de compressão causada pelo estímulo de estiramento. Os pesquisadores combinaram análises de simulação de elementos finitos para evitar efetivamente a interferência de sinais entre diferentes canais através de um design estrutural razoável do dispositivo.

Figura 6. Sensores de descarga combinados para controle remoto sem fio de drones (a) Esboço do sistema de controle de drones (b) Esboço do modo de funcionamento do módulo de sensor de corte no sensor de descarga combinado (c) Princípio de funcionamento do módulo de sensor de corte (d) Teste de sinal capacitivo de cinco canais do sensor (e) Lógica de compilação de instruções (f) Sinal capacitivo em tempo real do sensor de descarga combinado (g) Voo de drones em diferentes momentosEstado.

Por fim, os pesquisadores mostraram uma unidade de controle remoto vestível composta por quatro sensores de corte e um sensor de compressão, e conectaram-no a um sistema de controle remoto para controlar remotamente o voo de um drone sem fio, como mostrado na Figura 6. Os quatro sensores de corte nesta unidade de controle remoto vestível são responsáveis ​​por detectar o movimento dos dedos da mão para controlar a direção do drone. Os sensores de compressão são usados ​​para detectar a pressão dos dedos e controlar o rolamento do drone. Esta unidade de controle remoto vestível é projetada para permitir a interação homem-computador, oferecendo maneiras mais flexíveis de controlar.