Recientemente,El equipo de Yang canhui del Departamento de mecánica e ingeniería aeroespacial de la Universidad de Ciencia y tecnología del Sur y el equipo de Ge Chong del Departamento de ingeniería mecánica y energética trabajaron en Nature communications."Publicado en el título“Sensores ionotrónicos basados en elastómeros polielectrolíticos con capacidades de detección multimodo a través de impresión 3D multi-material”Tesis, reportadas y aprobadasDiseño integrado y fabricación de sensores de condensadores iónicos de detección multimodo basados en elastómeros de electrolito con tecnología de Impresión 3D de fotosolidificación digital multimateral.

En la última década, los dispositivos de salida de energía (ionotronics o iontronics, dispositivos híbridos de iones - electrones, es decir, dispositivos basados en la sinergia de iones y electrones) han atraído cada vez más atención debido a sus ventajas inherentes de flexibilidad, estirabilidad, transparencia óptica y biocompatibilidad. Sin embargo, debido a la estructura simple del dispositivo y la fácil fuga de la composición, el sensor de salida existente tiene una mala estabilidad del dispositivo y una sola función de detección, lo que limita en gran medida la aplicación práctica. Por lo tanto, el diseño y fabricación de sensores de salida con propiedades estables y capacidad de detección multimodo tiene un importante valor de aplicación de ingeniería. El estudio resuelve el problema de la mala estabilidad y la funcionalidad única de los sensores de salida eléctrica tradicionales, y proporciona nuevas soluciones para el diseño, fabricación inteligente y aplicación de sensores de salida eléctrica extensibles.

Figura 1.Sensores de salida de detección multimodo inspirados en la piel (a) diagrama esquemático de múltiples sensores de fuerza en la piel humana (b) la piel humana puede percibir una sola señal mecánica como tensión, presión, presión + corte, presión + torsión (c) sensores de salida de energía con capacidad de detección multimodo basados en la tecnología de Impresión 3D de fotosolidificación digital multimateral.

Como se muestra en la figura 1, inspirados en la capacidad de percepción multimodal de la piel humana para fuerzas externas como tirar, presionar, torcer y sus combinaciones, los investigadores prepararon sensores de salida de energía con capacidad de detección multimodo utilizando la tecnología de Impresión 3D de fotosolidificación digital multimaterial (dlp). El sensor utiliza un elástico electrolitico (pe), cuya red de polímeros contiene aniones o cationes fijos, así como antiiones móviles, que tienen las características de resistir fugas de iones. Durante el proceso de impresión, el material PE y el material elástico dieléctrico (de) en el sensor forman una sólida adherencia de interfaz a través de la interconexión covalente y topológica.

Figura 2.Diseño, preparación y propiedades ópticas, mecánicas, eléctricas, así como estabilidad térmica y solvente de los polímeros electroliticos.

Los investigadores primero sintetizaron un monómero llamado 1 - butil - 3 - metilmizolato 134 - 3 - sulfonpropilato (bs) como uno de los componentes del material de polielectrolitos y se polimerización con otro monómero hidrofóbico llamado mea. Luego, al optimizar la proporción de Bs y mea, se equilibran las propiedades mecánicas y eléctricas del material electrolito, optimizando así las propiedades del sensor, como se muestra en la figura 2.

Figura 3.Detección fuera de la electricidadEl dispositivo se puede golpear.Imprimibilidad y rendimiento (a) curva de variación del módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida del PE con el tiempo de curado de la luz (b) relación de variación del tiempo de curado con la densidad de energía con el espesor de la capa (c) exhibición de la matriz del PE impresa (d) curva de desprendimiento de 180 ° de la estructura de doble capa del PE / de impresa en 3D y ensamblada manualmente (e) diagrama esquemático de fractura de la interfaz de la estructura de doble capa del PE / de ensamblada manualmente (f) diagrama esquemático de fractura de la interfaz de la estructura de doble capa del PE / de ensamblada manualmente (g) curva de variación del tiempo de△c / c0 del sensor capacitivo basado en el PE y el elástico dopado con iones liffsi (h) sensor capacitivo basado en la fuga de pe (li) basado en Li esquema de fuga de iones del sensor capacitivo del elástico dopado con iones tfsi.

Como se muestra en la figura 3, los investigadores realizaron pruebas fotorreológicas para verificar la imprimibilidad del material pe desarrollado. A continuación, a través de la prueba de desprendimiento de 180 °, se midió la resistencia a la adherencia de la interfaz de la estructura de doble capa PE / de impresa en 3D y ensamblada manualmente, respectivamente. Los resultados muestran que la estructura de doble capa impresa en 3D tiene una interfaz fuerte debido a los enlaces covalentes y los enredos topológicos formados entre pe y de. durante el proceso de desprendimiento, se produjo una ruptura ontológica del material pe, y la Unión puede alcanzar 339,3 J / m.²Por el contrario, la interfaz de la estructura de doble capa PE / de ensamblada manualmente es débil, el proceso de desprendimiento se rompe y la energía de unión es de solo 4,1 J / m.². en la prueba de durabilidad, los sensores capacitivos basados en pe pueden mantener una señal estable durante mucho tiempo debido a una fuga sin iones, mientras que los sensores basados en el elástico dopado con iones litfsi tradicionales siguen derivando la señal hasta que se produce un cortocircuito debido a una fuga de iones.

Figura 4. esquema del sensor de tracción, compresión, cizallamiento y torsión (a) esquema del sensor de tracción (b) curva de tensión capacitiva - tensión de tracción (c) esquema del sensor de compresión (d) curva de presión capacitiva (e) corte del sensor de presión con / sin microestructuraBiografíaSensorEsquema (f) diagrama físico de un sensor de cizallamiento (g) curva de tensión de cizallamiento capacitivo de un sensor de cizallamiento con diferentes sensibilidades (h) curva de prueba de fatiga del sensor de cizallamiento (i) esquema del sensor de torsión (j) un sensor de torsiónAparatoRealFigura física (k) curva de ángulo de torsión capacitiva (l) del sensor de torsión con diferentes sensibilidades curva de prueba de fatiga del sensor de torsión.

La tecnología de Impresión 3D proporciona una alta flexibilidad para el diseño estructural del dispositivo. Como se muestra en la figura 4, los investigadores diseñaron e imprimieron cuatro sensores de descarga diferentes, estiramiento, compresión, cizallamiento y torsión, respectivamente, con un buen rendimiento y estabilidad. En particular, a través del diseño estructural del dispositivo, se puede lograr una optimización sustancial de la sensibilidad del sensor, por ejemplo, introduciendo una microestructura en la capa elástico dieléctrico del sensor comprimido, se puede aumentar la sensibilidad en dos órdenes de magnitud, y también se puede lograr la regulación bajo demanda de la sensibilidad del sensor, por ejemplo, mediante el diseño de la silueta en la parte delantera del sensor de corte o el número de áreas del sector del sensor de torsión, se pueden lograr diferentes sensores de corte y torsión correspondientes, respectivamente.

Figura 5.Sensor de salida combinado (a) diagrama esquemático del sensor combinado de tensión (b) mapa físico del dispositivo (c) diagrama de circuito equivalente del sensor combinado de tensión (d) señal del dispositivo en modo de detección único (e) curva de cambio de capacitor - Círculo bajo excitación de compresión (f) curva de cambio de capacitor - Círculo bajo excitación de tracción (g) espectro de señal Bajo deformación de la combinación de tensión (h) sensor combinado de compresión y cizallamientoIntención (i)Mapa físico del dispositivo (j) diagrama de circuito equivalente del sensor combinado de compresión y Corte (k) diagrama esquemático del sensor combinado de compresión y torsión de la señal del dispositivo (l) en el modo de detección único (m) diagrama físico del dispositivo (n) diagrama de circuito equivalente del sensor combinado de compresión y torsión (o) señal del dispositivo en el modo de detección único.

Como se muestra en la figura 5, los investigadores diseñaron e imprimieron aún más tres sensores combinados de descarga eléctrica, a saber, tensión, cizallamiento y torsión. Uno de los desafíos de los sensores combinados es la conversación cruzada de señales entre los diferentes canales de detección, por ejemplo, cuando el dispositivo se estira, debido al efecto de amarre del material, el tamaño geométrico del dispositivo en la dirección vertical se reduce, lo que equivale a una deformación de compresión, lo que resulta en un cambio de señal del canal de compresión causado por la excitación de tracción. Los investigadores combinaron el análisis de simulación de elementos limitados y evitaron efectivamente la conversación cruzada de señales entre diferentes canales a través de un diseño razonable de la estructura del dispositivo.

Figura 6. sensor de salida combinado para el control inalámbrico remoto del dron (a) esquema del sistema de control del dron (b) esquema del modo de trabajo del módulo de detección de corte en el sensor de salida combinado (c) principio de funcionamiento del módulo de detección de corte (d) prueba de señal capacitiva de cinco canales del sensor (e) lógica de compilación de instrucciones (f) señal capacitiva en tiempo real del sensor de salida combinado (g) vuelo del dron en diferentes momentosEstado.

Finalmente, los investigadores mostraron una unidad de control remoto portátil compuesta por cuatro sensores de corte y un sensor comprimido, y la conectaron a un sistema de control remoto para el control inalámbrico remoto del vuelo del dron, como se muestra en la figura 6. Cuatro sensores de corte en esta unidad de control remoto portátil se encargan de percibir el Movimiento de los dedos de la mano y se utilizan para controlar la dirección del dron. Por su parte, los sensores de compresión se utilizan para percibir la presión de los dedos y controlar el vuelco del dron. Este diseño de la unidad de control remoto portátil puede realizar la interacción hombre - computadora y proporcionar un modo de control más flexible.