《Composites Part B》：4D打印具有可调传感特性的形状自适应触觉传感器

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分类：行业动态
发布时间：2023-09-01 17:42
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2023年8月21日，吉林大学的研究人员在《Composites Part B》上发表题为4D printing of shape-adaptive tactile sensor with tunable sensing characteristics的研究论文，报道了一种通过4D打印制备灵敏度和量程可调的多功能电容式压力传感器的简易策略。

原文链接：

//doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110959

研究简介

利用4D打印技术制造触觉传感器将带来未曾有的强大功能，如动作自感知、环境自适应和自修复。本文引入4D打印技术，制造了具有可调测量范围和灵敏度的多功能智能触觉传感器，该传感器具有可调节的形状，可用于非结构化物体的传感，可以从不同的角度感知触摸。采用多材料挤压工艺制造纳米炭黑/聚乳酸复合材料和形状记忆聚氨酯组成的叉指电极，实现了具有独特共面设计的4D打印传感器(4DPS)。

由于形状记忆聚合物(SMP)在热处理过程中的变形导致电极高度和间距的变化，从而导致了检测范围和灵敏度的变化。通过设置打印参数，不仅可以精确调节叉指电极的直径，还可以利用打印过程中的热应力实现适应不同曲面的3D传感器。此外，4DPS适用于不可显影的表面，如球形圆顶表面或鞍形表面。因此，可变形触觉传感器在环境自适应和测试范围自调节方面为人机协同传感提供了巨大的潜力。

图1 4D打印的原理图、传感器的功能和原理以及CB/PIA复合材料。

图2 感应范围可调的4D打印触觉传感器 a) 4DPS在形状记忆过程中调节灵敏度和范围的能力b) 4DPS在不同临时形状(不同电极间距)下的初始电容值。c)在形状记忆过程的原始状态下，临时形状和形状记忆恢复状态下的4DPS在灵敏度和量程上具有不同的感知特性。d)在临时形状状态下的灵敏度，其中4DPS被编程为不同的电极间距。e)通过设计电极高度对临时形状进行编程，表征4DPS形状记忆过程中三种状态的传感特性。f) 4DPS编程为不同电极高度时临时形状状态下的灵敏度;g)结合形状记忆设计4D打印共面电容原理分析，实现灵敏度和量程可调功能。

图3 d)大面积柔性传感器矩阵，实现X、Y方向剪切力的面积传感和方向识别。(1)不同传感位置的4D打印传感器。(2)传感器中手压位置识别示意图。(3) 4D打印传感器不同位置的压力识别;(4)4D打印触觉传感器不同区域的电容值.

图4 a) 4DPS的形状记忆过程。b) CB/PLA与PU不同打印层的组合对整体形状记忆恢复速率的影响。c)形状记忆过程中处于原始状态、临时形状状态和形状恢复状态的初始电容。d)由于长丝在打印过程中被挤出，它会与之前打印的紫菜拉伸并结合，在温度以下冷却后，长丝的拉伸作为记忆存储在材料中。当温度高于T时，材料松弛，导致纵向收缩和其他两个方向的膨胀。e)嵌套热应力下CB/PLA材料打印温度和打印速度引起的应变。f) PU材料在埋置热应力下应变的打印温度和打印速度，g)两种基本打印图案交替打印而成的打印图案，h)两种打印图案不同的单层板制成的两层板。

图5 a)适应不同压力状态下的传感器形状。b)指尖小压力范围下两种状态的电容变化。c)在较大的体重压力范围内，传感器两种状态下的电容变化。D)折叠形状的高检测精度原理图。e)传感器通过形状记忆与管道贴合，检测管道内壁的材质和管道内的液体。f) 4DPS保形应用于球形圆顶和鞍形表面的照片。一些新兴应用要求传感器符合弯曲的3D表面，并通过小型化尺寸提供改进的空间分辨率。叉指式电容触摸传感器的微尺度增材制造与建模。

研究结论

本研究提出了一种通过4D打印制备灵敏度和量程可调的多功能电容式压力传感器的简便方法。团队首先结合传感器独特的共面电容设计和形状记忆聚合特性，通过在形状记忆过程中编程的不同临时形状来锁定具有不同传感灵敏度和范围的状态。通过改变传感器的电极间距和电极高度，可以很容易地实现传感器传感性能的自调节功能。

然后通过降低打印电极的高度，利用共面电容设计的边缘效应，实现对接触材料种类的传感和高灵敏度的电化学传感。另外，通过调节打印参数，利用打印过程中产生的热应力，可以实现制备适应不同曲面的3D传感器。结合CB/PLA材料的电响应形状记忆行为可以赋予传感器环境适应性，因为形状可以重新定义以适应新的环境。与之前的作品不同，我们采用了4D打印技术来制造传感器，与已发表的多功能触觉传感器相比，交货时间更短，生产成本更低，可以扩展到其他电子应用，如执行器，电磁干扰屏蔽，能量收集等。

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中国九游会科技自主研发并在售的DIW直写3D打印机兼具高配置硬件和独家只能软件系统，支持打印叉指电极结构和精细4D打印结构。