近期，南方科技大學力學與航空航天工程系楊燦輝團隊與機械與能源工程系葛锜團隊合作在《Nature Communications》上發(fā)表題為“Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing"的論文，報道了通過多材料數(shù)字光固化3D打印技術(shù)一體化設(shè)計制造基于聚電解質(zhì)彈性體的多模式傳感離子電容傳感器。

在過去的十年中，離電器件（Ionotronics or Iontronics，離子-電子混合器件，即基于離子與電子協(xié)同作用的器件）因其固有的柔韌性，可拉伸性，光學透明性和生物相容性等優(yōu)勢引起了越來越多的關(guān)注。然而，現(xiàn)有的離電傳感器由于器件結(jié)構(gòu)簡單、成分易泄漏，導致器件穩(wěn)定性差，傳感功能單一，極大地限制了實際應(yīng)用。因此，設(shè)計與制造性能穩(wěn)定且具有多模式傳感能力的離電傳感器具有重要的工程應(yīng)用價值。該研究則解決了傳統(tǒng)離電傳感器穩(wěn)定性差和功能性單一的問題，為可拉伸離電傳感器的設(shè)計、智造與應(yīng)用提供了新的解決方案。

圖1. 皮膚啟發(fā)的多模式傳感離電傳感器 (a) 人體皮膚內(nèi)多種力感受器示意圖 (b) 人體皮膚可以感知單一的力學信號如壓拉、壓、壓+剪、壓+扭 (c) 基于多材料數(shù)字光固化3D打印技術(shù)制備具有多模式傳感能力的離電傳感器。

如圖1所示，受人體皮膚對于拉、壓、扭及其組合等外力的多模態(tài)感知能力的啟發(fā)，研究人員利用多材料數(shù)字光固化（digital light processing, DLP） 3D打印技術(shù)制備了具有多模式傳感能力的離電傳感器。傳感器采用了聚電解質(zhì)彈性體（PEE），其高分子網(wǎng)絡(luò)中含有固定的陰離子或陽離子，以及可移動的反離子，具備抗離子泄漏的特性。在打印過程中，PEE材料與傳感器上的介電彈性體（DE）材料之間通過共價和拓撲互連形成了牢固的界面粘接。

圖2. 聚電解質(zhì)彈性體的設(shè)計、制備與光學、力學、電學性能以及熱、溶劑穩(wěn)定性。

研究人員首先合成了一種名為1-丁基-3-甲基咪唑134-3-磺丙基丙烯酸酯（BS）的單體，作為聚電解質(zhì)材料的組成成分之一，并與另一種名為MEA的疏水單體一起進行共聚。然后通過優(yōu)化BS和MEA的比例，平衡聚電解質(zhì)材料的力學性能和電學性能，從而優(yōu)化傳感器的性能，如圖2所示。

圖3. 離電傳感器的可打印性與性能 (a) PEE存儲模量和損耗模量隨光固化時間的變化曲線 (b) 固化時間與能量密度隨層厚的變化關(guān)系 (c) 打印的PEE陣列展示 (d) 3D打印和手動組裝的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)的180°剝離曲線 (e) 3D打印的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)本體斷裂示意圖 (f) 手動組裝的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)界面斷裂示意圖 (g) 基于PEE和基于LiTFSI摻雜離子的彈性體的電容式傳感器的ΔC/C0隨時間變化曲線 (h) 基于PEE的電容式傳感器無離子泄漏 (i) 基于LiTFSI摻雜離子的彈性體的電容式傳感器離子泄漏示意圖。

如圖3所示，研究人員進行光流變測試驗證了所開發(fā)的PEE材料的可打印性。然后通過180°剝離測試，分別測量了3D打印和手動組裝的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)的界面粘接強度。結(jié)果表明，3D打印的雙層結(jié)構(gòu)由于PEE和DE之間形成的共價鍵和拓撲纏結(jié)而具有強韌的界面，剝離過程發(fā)生了PEE材料的本體斷裂, 粘接能達339.3 J/m²；相比之下，手動組裝的PEE/DE雙層結(jié)構(gòu)界面弱，剝離過程發(fā)生了界面斷裂，粘接能只有4.1 J/m²。在耐久度測試中，基于PEE的電容式傳感器由于無離子泄漏可以長時間保持穩(wěn)定的信號，而基于傳統(tǒng)的LiTFSI摻雜離子的彈性體的傳感器由于離子泄漏，信號持續(xù)發(fā)生漂移，直至發(fā)生短路。

圖4. 拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)離電傳感器 (a) 拉伸傳感器原理示意圖 (b) 電容-拉伸應(yīng)變曲線 (c) 壓縮傳感器原理示意圖 (d) 有/無微結(jié)構(gòu)的壓力傳感器的電容-壓力曲線 (e) 剪切傳感器原理示意圖 (f) 一種剪切傳感器實物圖 (g) 不同靈敏度的剪切傳感器的電容-剪切應(yīng)變曲線 (h) 剪切傳感器的疲勞測試曲線 (i) 扭轉(zhuǎn)傳感器原理示意圖(j) 一種扭轉(zhuǎn)傳感器實物圖 (k) 不同靈敏度的扭轉(zhuǎn)傳感器的電容-扭轉(zhuǎn)角曲線 (l) 扭轉(zhuǎn)傳感器的疲勞測試曲線。

3D打印技術(shù)為器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了很高的靈活性。如圖4所示，研究人員分別設(shè)計并一體化打印了拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)四種不同的離電傳感器，器件均具有良好的性能和穩(wěn)定性。特別地，通過器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即可以實現(xiàn)傳感器靈敏度的大幅度優(yōu)化，例如通過在壓縮傳感器的介電彈性體層引入微結(jié)構(gòu)可以將靈敏度提高兩個數(shù)量級，又可以實現(xiàn)傳感器靈敏度的按需調(diào)控，例如通過設(shè)計剪切傳感器前端的輪廓線或扭轉(zhuǎn)傳感器的扇形區(qū)域數(shù)量可以分別實現(xiàn)不同相應(yīng)的剪切傳感器和扭轉(zhuǎn)傳感器。

圖5. 組合式離電傳感器 (a) 拉壓組合傳感器示意圖 (b) 器件實物圖 (c) 拉壓組合傳感器等效電路圖 (d) 單一傳感模式下的器件信號 (e) 壓縮激勵下的電容-圈數(shù)變化曲線 (f) 拉伸激勵下的電容-圈數(shù)變化曲線 (g) 拉壓組合變形下的信號譜 (h) 壓剪組合傳感器示意圖 (i) 器件實物圖 (j) 壓剪組合傳感器等效電路圖 (k) 單一傳感模式下的器件信號 (l) 壓扭組合傳感器示意圖 (m) 器件實物圖 (n) 壓扭組合傳感器等效電路圖 (o) 單一傳感模式下的器件信號。

如圖5所示，研究人員進一步設(shè)計并一體化打印了拉壓、壓剪、壓扭三種組合式離電傳感器。組合式傳感器挑戰(zhàn)之一在于不同傳感通路之間相互的信號串擾，例如，當器件拉伸時，由于材料的泊松效應(yīng)會導致垂直方向上的器件幾何尺寸縮小，等效于壓縮變形，導致拉伸激勵引起壓縮通道的信號變化。研究人員結(jié)合有限元模擬分析，通過合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效地避免了不同通道之間的信號串擾。

圖6. 組合式離電傳感器用于無人機的遠程無線操控 (a) 無人機控制系統(tǒng)示意圖 (b) 組合式離電傳感器中剪切傳感模塊工作模式示意圖 (c) 剪切傳感模塊工作原理 (d) 傳感器五個通道電容信號測試 (e) 指令編譯邏輯 (f) 組合式離電傳感器實時電容信號 (g) 不同時刻的無人機飛行狀態(tài)。

最后，研究人員展示了一個由四個剪切傳感器和一個壓縮傳感器組成的可穿戴遙控單元，并將其連接到一個遠程控制系統(tǒng)，用于遠程無線控制無人機的飛行，如圖6所示。這個可穿戴遙控單元中的四個剪切傳感器負責感知手部的手指運動，用于控制無人機的方向。而壓縮傳感器則用于感知手指的壓力，控制無人機的翻滾。這種可穿戴遙控單元的設(shè)計可以實現(xiàn)人機交互，提供更加靈活的控制方式。