西安交大贾坤副教授/北工大杨庆生教授/北理工陶然副教授 AFM：一种新型基于高密度裂纹的高灵敏、大检测范围柔性可拉伸水凝胶传感器

2023-09-04 来源：高分子科技

由于柔软和轻巧的特点，软机器对人类具有固有的安全和友好性，能够交互的智能软机器有望融入人类社会。软机器的智能化依赖于对环境及其自身状态的感知，结构简单但功能多样的柔性传感器极为重要。近年来，具有移动离子的水凝胶为大变形/接触传感提供了新方法，但体电阻式传感机理（欧姆定律）将其灵敏度限制在1，当前柔性传感器仍无法兼顾高灵敏度和大量程。

为了解决这一矛盾，最近，西安交通大学贾坤副教授课题组与北京工业大学杨庆生教授课题组和北京理工大学陶然副教授课题组联合开发了一种基于高密度裂纹的水凝胶（HCHG）多功能传感器。未变形状态下传感器的裂纹部分闭合，在交变电场作用下，阴离子和阳离子可以穿过封闭的裂纹。当水凝胶变形时，裂纹会在适当变形时逐渐打开/闭合，使得离子电流流过的横截面积发生连续变化，导致电阻急剧改变（图1）。一旦裂缝完全打开，电阻会按照拉伸无裂缝水凝胶的相同规律继续增加。该柔性传感器的20%拉伸应变下灵敏度高达80、触觉力灵敏度高达0.45kPa^-1、检测范围可达215%，同时还具有多种传感构型，能够满足不同的应用需求。该柔性传感器可被广泛应用于柔性物体表面变形的测量。

图1 工作原理

根据裂纹单胞的不同几何参数与排布方式，传感器可设计成多种构型。通过对比，他们选择了具有最优传感性能和可加工性的周期性裂纹图案。首先，他们以含氯化锂的P（AAm-co-AAc）/Zr⁴⁺水凝胶为传感器基体，改性聚氨酯（TPU）材料为测试基底，对传感的基本原理与特性进行了系统的研究（图2）。研究发现当施加单轴伸长时，各种布局的相对电阻具有相似的响应，尤其是在应变小于 20% 时。由于电阻响应对元件布局不敏感，因此HCHG 传感器的形状可适应不同的应用场景。传感器具有较长的使用寿命，经过 10000 次最大应变为50%的加载-卸载试验后，裂纹不会扩展。

图2 传感器基本性能

接下来，他们为了区分软机器复杂运动中的平面内和平面外变形，提出了一种夹层结构（图3）。通过对两个传感器电阻响应进行解耦，实现对拉伸，压缩，弯曲状态的识别。人类是最脆弱的"软机器"。人体皮肤在精细运动时会发生微小变形，而在运动时则会随着关节运动发生较大变形。因此他们基于传感器的可拉伸性、高灵敏度和大检测范围，将身体运动检测应用于机械臂的操纵。机械臂的四个关节映射为上肢的关节，当安装在拇指、食指、手腕和肘关节上的四个传感器的电阻变化时会向相应的伺服电机发出驱动信号，从而驱动机械臂（图4）。

图3 多重传感信号识别

图4 人体运动控制机械臂。

为了展示该传感器在软体机器人等领域的应用前景，他们将该传感器安装于软体机器手，在抓取物体的过程中赋予软机械手感知能力，实现了在海绵、豆腐和迪克西杯等软物体的抓取过程中保护软物体不发生损坏。（图5）。

图5 软物体抓取

贾坤副教授团队联合杨庆生教授团队和陶然副教授团队报道了一种新型基于高密度裂纹的高灵敏、大检测范围柔性可拉伸传感器，深入系统地研究了其工作原理和基本特性，并展示了其广泛的应用前景。该研究为柔性传感器的设计提供了指导，也为下一代可穿戴设备和软体机器人的发展奠定了基础。

这项研究工作以Multifunctional Hydrogel Sensor with Curved Macro Cracks: A Strategy for High Sensitivity and Wide Detection Range为题发表于Advanced Functional Materials期刊上。锅雨寒（北京工业大学研究生）、郭浩宇（西安交通大学博士）、韩裕伟（西安交通大学研究生）为本文的共同第一作者。西安交通大学贾坤副教授，北京工业大学杨庆生教授和北京理工大学陶然副教授为论文共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202306820

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（责任编辑：xu）

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