3D打印高性能柔性可彎曲傳感器，實現(xiàn)結構設計與制造工藝的協(xié)同控制

導讀：增材制造（AM）為傳感器創(chuàng)造了新的可能性，因為這種制造技術允許在具體應用中進行定制。這種特性最近被用于軟體機器人和可穿戴設備等應用中。不同的增材制造技術在打印速度、精度和可用材料方面提供了獨特的優(yōu)勢。許多研究已經進行，以通過修改材料成分來改善傳感器的性能。盡管如此，人們對傳感器形狀對傳感器輸出的影響的基本方面知之甚少。

2022年9月19日，南極熊獲悉，在《Additive Manufacturing Letters》雜志最近發(fā)表的一篇題為“Conductive Compliant Mechanisms: Geometric tuning of 3D printedflexural sensors”論文中，研究人員展示了增材制造（AM）在制造撓性傳感器中的應用，以評估傳感器幾何形狀對傳感器輸出的影響，從而強調了幾何設計考慮在增材制造微調撓性傳感器中的重要性。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000573?via%3Dihub#fig0001

關于這項研究

導電聚合物復合材料（CPCs）是可以檢測大量應變的傳感器的一個有吸引力的材料選擇。由于長碳納米管（CNT）的高纏結性，基于CNT的化合物通常適用于高應變操作。另一種用于制造CPC傳感器的物質是導電碳黑（CCB）。純粹的應變值很容易理解，但幾個彎曲傳感器的應用可能涉及彎曲過程中遇到的壓縮和拉伸應力的組合。雖然從純應變的角度理解很簡單，但從梁彎曲過程中出現(xiàn)的拉伸和壓縮應力的組合來看，理解起來就比較困難。

在這項研究中，研究團隊制作了三個具有不同變形測量區(qū)域的傳感器，并對其進行測試，以評估傳感器幾何形狀的影響。他們的目的是證明在整個設計過程中如何增強彎曲傳感器的幾何形狀。三種傳感器的比較是在一個實驗測試裝置上進行的，該裝置允許傳感器循環(huán)加載，同時測量其電阻。

△本研究的圖形概要

為了達到穩(wěn)定的長絲和充分的分散性，導電長絲的制備分兩步進行。擠壓過程穩(wěn)定后，在制備長絲前丟棄了運行中的材料。材料擠壓增材制造（MEX）被用來生產三種不同的傳感器設計。短曲和長曲設計分別圍繞一個固定的位置進行彎曲，彎曲面積較小或較大。所有的傳感器設計都是分三套生產的。

△復合材料長絲生產的過程

傳感器的彎曲特性是使用定制的測試設備進行的。每個樣品都接受了兩次測試。導電網絡的微觀結構使用掃描電子顯微鏡（SEM）進行了表征。在進行顯微鏡檢查之前，對長絲進行了低溫斷裂，并對傳感器試樣進行了低溫微加工。在0.5V振幅的電壓激勵下，進行了阻抗光譜分析。

△傳感器設計和尺寸

結果分析

在傳感器的橫截面上觀察到了導電網絡。該網絡在傳感器制造后沒有顯示出明顯的排列。結果阻抗的相位和幅度在所有樣品中都顯示出相同的反應。響應的特點是非常平坦的，這意味著在整個觀察范圍內，燈絲的電氣行為類似于一個典型的電阻器。

△(a) 細絲的低溫斷裂橫截面和 (b) MEX 生產的傳感器的橫截面的 SEM 圖像。

三個傳感器有不同的彎曲部分長度，但設計在相同的腳印下，因此觀察到的差異是變形濃度。在最大彎曲角度下，加長、縮短和簡單彎曲傳感器的電阻平均相對變化分別為0.16%、4.30%和0.77%。它們由類似的材料制成，并承受相同程度的彎曲。然而，它們的輸出振幅卻有很大的不同。

△長絲的阻抗光譜

在整個彎曲周期內，通過彎曲產生的拉伸應變對短彎曲的導電網絡產生了主導性影響。對于一半的彎曲周期，簡單的彎曲表現(xiàn)出電阻的增加和減少。層的融合是由于MEX過程，它可以通過印刷溫度和速度來調節(jié)，允許進一步的手段來修改傳感器的信號。彎曲擴展的柔性傳感器所需的力大約是彎曲簡單的柔性傳感器所需力的四分之一。另一方面，短柔性傳感器需要的彎曲力是簡單柔性傳感器的25倍。

△左側是測試設置的圖像，右側是三個傳感器及其彎曲行為的圖像。

△磨合后前 12 個循環(huán)的圖表。

△顯示未融合層的傳感器橫截面圖像。箭頭突出顯示了在彎曲過程中可能塌陷的兩個空隙。

△三種設計的磁滯回線并比較每個復制的傳感器。

結論

總而言之，研究人員確定了彎曲傳感器的反應對彎曲部分長度的依賴性。盡管所有的設計都經受了相同程度的彎曲，但信號輸出有很大的不同。短的彎曲傳感器的表現(xiàn)比延長的彎曲傳感器好27.7倍，簡單的彎曲傳感器好5.6倍。這些結果表明，內部的拉伸和壓縮應力影響著傳感器的信號，取決于彎曲的濃度。

此外，這項研究為組合和整合傳感器到順應系統(tǒng)中提供了新的可能性。通過研究MEX過程對其他性能特征（如恢復和響應時間）的影響，可以實現(xiàn)額外的改進。據(jù)作者說，加強信號輸出的線性和傳感器的再現(xiàn)對于未來的發(fā)展至關重要，以研究由于傳感器的幾何形狀對其他性能的影響。