華中科技大學(xué)史玉升教授團隊《Adv.Sci.》： 4D打印仿蝎子縫結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳感-執(zhí)行一體化

來源：高分子科學(xué)前沿

生物體完美地將傳感和執(zhí)行融合在一起，達到一體化的目的，但對于機器人等智能裝備而言，卻是一個極為復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)的難題。為此，近年來國內(nèi)外學(xué)者將半柔性、柔性傳感器集成到機器人等智能裝備中，以期實現(xiàn)其傳感-執(zhí)行一體化功能。但目前的傳感和執(zhí)行多是相互獨立，需通過將其在元器件水平集成，因此研發(fā)在材料水平上集成的傳感-執(zhí)行一體化智能器件，成為一個新的發(fā)展趨勢，有望為其靈敏度和響應(yīng)速度的提升提供新途徑。

近期，華中科技大學(xué)史玉升教授團隊受蝎子縫感受器超敏縫結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，仿生設(shè)計出梯度縫結(jié)構(gòu)，4D打印炭黑納米粒子/聚乳酸（PLA）復(fù)合材料，成形出具有自主形變并能自感知應(yīng)變和溫度的仿生縫結(jié)構(gòu)器件。該器件通過材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化4D打印，創(chuàng)造性的在材料水平上實現(xiàn)了傳感-執(zhí)行一體化功能。傳感-執(zhí)行一體化原理：炭黑納米粒子/PLA復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性能和形狀記憶效應(yīng)，該材料的4D打印器件加熱后可發(fā)生可控形狀變化。在加熱過程中，由于炭黑納米粒子與PLA的膨脹率不同，炭黑納米粒子間的距離改變引起電子遂穿效應(yīng)變化，使器件電阻改變，從而將熱信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮栊盘枌崿F(xiàn)溫度自感知（如圖1所示）；同時，器件在形狀改變過程中，器件縫結(jié)構(gòu)周邊的炭黑納米粒子會接觸-分離，器件內(nèi)局部接觸電阻變化使器件的電阻改變，從而將自身形變信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮栊盘枌崿F(xiàn)應(yīng)變自感知（如圖2所示）。

圖1 溫度感知

圖2 應(yīng)變感知

基于此，研究者將該仿生4D打印器件應(yīng)用于模擬手指觸碰手機屏幕（如圖3所示）。在溫度激勵下器件形狀改變，模擬手指主動觸碰屏幕，在這個過程中器件形變引起其縫結(jié)構(gòu)間距的變化使器件整體電阻改變，實現(xiàn)器件形狀變化自感知。在觸碰瞬間，可通過電阻的變化檢測到器件觸碰屏幕的應(yīng)力，實現(xiàn)觸碰應(yīng)變自感知。

圖3 應(yīng)用案例

該研究成果將智能材料、仿生結(jié)構(gòu)和4D打印有機結(jié)合，實現(xiàn)了材料水平上傳感-執(zhí)行一體化，為未來機器人等智能裝備的關(guān)鍵器件研發(fā)提供了新的思路和途徑。
上述研究由華中科技大學(xué)、吉林大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）和清華大學(xué)合作完成。在史玉升教授和韓志武教授的共同指導(dǎo)下，以“4D Printing Strain Self‐Sensing and Temperature Self‐Sensing IntegratedSensor-Actuator with Bioinspired Gradient Gaps”為題發(fā)表在《Advanced Science》上，其中，陳道兵博士為論文第一作者，文世峰副教授和周燕副教授為論文共同通訊作者。

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000584