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现在,全球越来越多的公司和研究小组正在开发基于复合材料的顺应性传感器,该传感器具有广泛的可能应用。由两种或多种物质制成的复合材料通常具有独特且有利的特性,不同于其单个组件的特性。

过去的研究发现,包含聚合物基体和导电填料的复合材料对于顺应性传感器的开发特别有希望,因为它们可以大规模印刷。由此类材料制成的传感器的主要优势在于,它们可以集成在几何复杂或灵活的系统中,例如可穿戴设备和软机器人。

运动学磁带上“绘制”以测量肘部弯曲的传感器。图片来源:Kim等

耶鲁大学的研究人员最近推出了一种方法,该方法可以可持续地制造用于软机器人应用的兼容传感器。在《科学机器人》论文中提出的这种方法涉及使用基于乙醇的Pickering乳剂,该乳剂会自发凝结,形成一种导电复合材料,可以轻松地将其印刷在软机器人系统上。

研究人员在论文中写道:“印刷复合材料通常需要使用甲苯或环己烷之类的溶剂来溶解聚合物树脂,并使该材料稀薄至可印刷的粘度。” “但是,这类溶剂会引起大多数聚合物基材的溶胀和分解,限制了复合材料的使用。此外,许多常规溶剂是有毒的,否则会危害健康。”

比较了在气球上“涂装”乙醇承载的乳液和常规有毒溶剂承载的乳液。有毒乳液会使气球弹出。图片来源:Kim等

意识到尝试使用溶剂打印复合材料时遇到的挑战,耶鲁大学的研究人员设计了一种新方法,可以使传感器的生产更加有效和可持续。他们开发的策略基于使用乙醇基的Pickering乳液,该乳液会自发凝结,形成一种导电复合材料,可以将其印刷到不同类型的传感器中。

研究人员在论文中写道:“ Pickering乳液由被乙醇载体中的导电纳米颗粒稳定的乳化聚合物前体组成。” “在乙醇蒸发后,前体被释放,然后在纳米颗粒网络中聚结并与大气中的水分自发聚合。”

他们确定了新的传感器制造策略后,研究人员便将自凝结的Pickering乳液印刷到许多聚合物系统中,包括传统的纺织材料和软致动器。他们使用的导电物质赋予这些系统感应功能,从而产生了不同类型的顺应性传感器。

到目前为止,研究人员已经使用他们的制造方法来制造注入复合材料的运动学胶带,护膝和棉手套。他们还采用了相同的策略来制造柔软的机器人皮肤,称为OmniSkins,方法是在平纹细布织物上印刷导电乳剂并在其上连接执行器。

在初步测试中,研究人员开发的基于Pickering乳液的传感系统实现了卓越的应变敏感性和可忽略的磁滞,这对于大多数可穿戴技术和软机器人应用而言都是非常理想的特性。将来,最新论文中介绍的新制造策略可以使创新和高性能传感技术(包括柔软的机器人皮肤和具有传感功能的衣物)更加可持续地发展。

内容来源:Science Robotics  26 Feb 2020

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