Gần đây,Đội Yang Canhui, Khoa Cơ khí và Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ, Đại học Khoa học và Công nghệ miền Nam, và đội của Gerrard, Khoa Cơ khí và Kỹ thuật Năng lượng, làm việc trong Nature CommunicationsBài viết có tựa đềCảm biến ionotronic dựa trên elastomer polyelectrolyte với khả năng cảm biến đa chế độ thông qua in 3D đa vật liệuLuận văn, đưa tin thông quaCông nghệ in 3D chữa quang kỹ thuật số đa vật liệu Thiết kế tích hợp Sản xuất cảm biến điện dung ion đa chế độ dựa trên chất đàn hồi polyelectrolyte。

Trong thập kỷ qua, các thiết bị tách rời (Ionotronics hoặc Iontronics, các thiết bị trộn ion-điện tử, tức là các thiết bị dựa trên sự phối hợp giữa ion và điện tử) đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng do tính linh hoạt vốn có, khả năng kéo dài, tính minh bạch quang học và khả năng tương thích sinh học. Tuy nhiên, do cấu trúc đơn giản của thiết bị và thành phần dễ bị rò rỉ, cảm biến tắt hiện có dẫn đến sự ổn định kém của thiết bị và chức năng cảm biến duy nhất, hạn chế đáng kể ứng dụng thực tế. Do đó, việc thiết kế và sản xuất các cảm biến tách điện với hiệu suất ổn định và khả năng cảm biến đa chế độ có giá trị ứng dụng kỹ thuật quan trọng. Nghiên cứu này giải quyết một vấn đề duy nhất về tính ổn định và chức năng kém của cảm biến ion hóa truyền thống, cung cấp các giải pháp mới cho thiết kế, sản xuất thông minh và ứng dụng của cảm biến ion hóa có thể kéo dài.

Hình 1.Cảm biến ion cảm biến đa chế độ lấy cảm hứng từ da (a) Sơ đồ nhiều thụ thể lực trong da người (b) Da người có thể cảm nhận các tín hiệu cơ học đơn lẻ như kéo, ép, ép+cắt, ép+xoắn (c) Chuẩn bị cảm biến ion với khả năng cảm biến đa chế độ dựa trên công nghệ in 3D kỹ thuật số đa vật liệu.

Lấy cảm hứng từ khả năng nhận thức đa phương thức của da người đối với các lực bên ngoài như kéo, ép, xoắn và sự kết hợp của chúng, như được hiển thị trong Hình 1, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ in 3D kỹ thuật số xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) để chuẩn bị cảm biến ion với khả năng cảm biến đa phương thức. Cảm biến sử dụng chất đàn hồi polyelectrolyte (PEE), có chứa các anion hoặc cation cố định trong mạng lưới phân tử cao, cũng như các phản ion di động có đặc tính chống rò rỉ ion. Trong quá trình in, một liên kết giao diện mạnh mẽ được hình thành giữa vật liệu PEE và vật liệu đàn hồi điện môi (DE) trên cảm biến thông qua kết nối cộng hóa trị và topo.

Sơ đồ 2.Thiết kế, chuẩn bị và quang học, cơ học, tính chất điện và ổn định nhiệt, dung môi của chất đàn hồi polyelectrolyte.

Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên tổng hợp một monome có tên là 1-butyl-3-methylimidazole 134-3-sulfoacrylate (BS) như một trong những thành phần cấu thành của vật liệu polyelectrolyte và đồng trùng hợp với một monome kỵ nước khác được gọi là MEA. Các tính chất cơ học và điện của vật liệu polyelectrolyte sau đó được cân bằng bằng cách tối ưu hóa tỷ lệ BS và MEA, do đó tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến, như thể hiện trong Hình 2.

Hình 3.Cảm biến điệnMáy có thể đánhĐộ in và hiệu suất (a) Đường cong thay đổi của mô đun lưu trữ PEE và mô đun mất với thời gian bảo dưỡng ánh sáng (b) Mối quan hệ giữa thời gian bảo dưỡng và mật độ năng lượng với độ dày lớp (c) Màn hình mảng PEE in (d) Đường cong lột 180 ° của cấu trúc hai lớp PEE/DE được in 3D và lắp ráp bằng tay (e) Sơ đồ phá vỡ cơ thể cấu trúc hai lớp PEE/DE được in 3D (f) Sơ đồ phá vỡ giao diện cấu trúc hai lớp PEE/DE được lắp ráp bằng tay (g) Cảm biến điện dung C/C0 theo thời gian cho PEE và các chất đàn hồi dựa trên LiTFSI doping ion Cảm biến điện dung dựa trên PEE không rò rỉ ion (i) Sơ đồ rò rỉ ion của cảm biến điện dung dựa trên các ion pha tạp LiTFSI.

Như thể hiện trong Hình 3, các nhà nghiên cứu đã tiến hành kiểm tra lưu biến quang để xác minh khả năng in của vật liệu PEE được phát triển. Sau đó, độ bền liên kết giao diện của cấu trúc hai lớp PEE/DE được in 3D và lắp ráp bằng tay được đo bằng thử nghiệm lột 180 °. Kết quả cho thấy cấu trúc hai lớp in 3D có giao diện mạnh mẽ do liên kết cộng hóa trị và rối topo được hình thành giữa PEE và DE, quá trình lột xảy ra sự phá vỡ cơ thể của vật liệu PEE và khả năng liên kết lên tới 339,3 J/m²; Ngược lại, giao diện cấu trúc hai lớp PEE/DE lắp ráp bằng tay yếu, quá trình lột đã xảy ra sự phá vỡ giao diện, năng lượng liên kết chỉ 4,1 J/m². Trong thử nghiệm độ bền, cảm biến điện dung dựa trên PEE có thể duy trì tín hiệu ổn định trong một thời gian dài do không có rò rỉ ion, trong khi cảm biến của chất đàn hồi dựa trên ion pha tạp LiTFSI truyền thống do rò rỉ ion, tín hiệu tiếp tục trôi cho đến khi ngắn mạch xảy ra.

Hình 4. Kéo căng, nén, cắt, xoắn cảm biến ion hóa (a) Sơ đồ nguyên tắc của cảm biến kéo dài (b) Đường cong căng điện dung kéo dài (c) Sơ đồ nguyên tắc của cảm biến nén (d) Đường cong điện dung - áp suất của cảm biến áp suất có/không có cấu trúc vi mô (e) CắttruyềnCảm biếnSơ đồ nguyên lý (f) Sơ đồ vật lý của một loại cảm biến cắt (g) Đường cong căng thẳng điện dung cắt với độ nhạy khác nhau (h) Đường cong thử nghiệm mỏi của cảm biến cắt (i) Sơ đồ nguyên lý cảm biến xoắn (j) Cảm biến xoắnTrang chủThựcBiểu đồ vật lý (k) Điện dung của cảm biến xoắn với độ nhạy khác nhau Đường cong góc xoắn (l) Đường cong thử nghiệm mệt mỏi của cảm biến xoắn.

Công nghệ in 3D cung cấp tính linh hoạt cao trong thiết kế cấu trúc của thiết bị. Như thể hiện trong hình 4, các nhà nghiên cứu đã thiết kế và tích hợp in bốn cảm biến tách điện khác nhau, kéo, nén, cắt và xoắn, tất cả các thiết bị đều có hiệu suất và ổn định tốt. Đặc biệt, thông qua thiết kế cấu trúc của thiết bị, tức là có thể đạt được tối ưu hóa đáng kể độ nhạy cảm của cảm biến, chẳng hạn như bằng cách giới thiệu cấu trúc vi mô trong lớp đàn hồi điện môi của cảm biến nén có thể tăng độ nhạy lên hai bậc độ lớn, nhưng cũng có thể đạt được điều chỉnh theo yêu cầu về độ nhạy cảm biến, chẳng hạn như bằng cách thiết kế đường viền ở mặt trước của cảm biến cắt hoặc số lượng khu vực quạt của cảm biến xoắn có thể đạt được cảm biến cắt và cảm biến xoắn tương ứng khác nhau.

Hình 5.Cảm biến tắt kết hợp (a) Sơ đồ cảm biến kết hợp áp suất kéo (b) Sơ đồ vật lý của thiết bị (c) Sơ đồ mạch tương đương của cảm biến kết hợp áp suất kéo (d) Tín hiệu thiết bị ở chế độ cảm biến đơn (e) Đường cong thay đổi số vòng điện dung dưới kích thích nén (f) Đường cong thay đổi số vòng điện dung dưới kích thích kéo (g) Phổ tín hiệu dưới biến dạng kết hợp kéo (h) Hiển thị cảm biến kết hợp cắtÝ định (i)Sơ đồ vật lý của thiết bị (j) Sơ đồ mạch tương đương của cảm biến kết hợp cắt xén (k) Tín hiệu thiết bị ở chế độ cảm biến đơn (l) Sơ đồ cảm biến kết hợp xoắn (m) Sơ đồ vật lý của thiết bị (n) Sơ đồ mạch tương đương của cảm biến kết hợp xoắn (o) Tín hiệu thiết bị ở chế độ cảm biến đơn.

Như thể hiện trong Hình 5, các nhà nghiên cứu đã thiết kế thêm và tích hợp in ba cảm biến ion hóa kết hợp, kéo, kéo và xoắn. Một trong những thách thức cảm biến kết hợp nằm ở sự trao đổi chéo tín hiệu giữa các con đường cảm biến khác nhau, ví dụ, khi thiết bị được kéo dài, do hiệu ứng Poisson của vật liệu có thể dẫn đến kích thước hình học của thiết bị giảm theo hướng thẳng đứng, tương đương với biến dạng nén, dẫn đến kích thích kéo gây ra sự thay đổi tín hiệu trong kênh nén. Kết hợp với phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn, các nhà nghiên cứu đã tránh hiệu quả nhiễu xuyên âm tín hiệu giữa các kênh khác nhau thông qua thiết kế cấu trúc thiết bị hợp lý.

Hình 6. Cảm biến tắt kết hợp Điều khiển không dây tầm xa cho máy bay không người lái (a) Sơ đồ hệ thống điều khiển máy bay không người lái (b) Sơ đồ chế độ làm việc của mô-đun cảm biến cắt trong cảm biến tắt kết hợp (c) Nguyên lý làm việc của mô-đun cảm biến cắt (d) Cảm biến kiểm tra tín hiệu điện dung năm kênh (e) Logic biên dịch hướng dẫn (f) Tín hiệu điện dung thời gian thực của cảm biến tắt kết hợp (g) Chuyến bay của máy bay không người lái tại các thời điểm khác nhauTình trạng.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã cho thấy một thiết bị điều khiển từ xa có thể đeo được bao gồm bốn cảm biến cắt và một cảm biến nén và kết nối nó với một hệ thống điều khiển từ xa để điều khiển không dây từ xa bay của máy bay không người lái, như trong Hình 6. Bốn cảm biến cắt trong thiết bị điều khiển từ xa có thể đeo được này chịu trách nhiệm cảm nhận chuyển động ngón tay của bàn tay và được sử dụng để điều khiển hướng của máy bay không người lái. Cảm biến nén được sử dụng để cảm nhận áp suất của ngón tay và điều khiển máy bay không người lái. Thiết kế của thiết bị điều khiển từ xa có thể đeo này cho phép tương tác giữa người và máy, cung cấp một cách điều khiển linh hoạt hơn.