In Kürze,Yang Canhui, Abteilung für Mechanik und Luft- und Raumfahrttechnik an der Südlichen Universität für Wissenschaft und Technologie, arbeitete mit Ge Qing, Abteilung für Maschinen- und Energietechnik, in Nature Communications zusammen.Veröffentlicht unter dem Titel„Ionotronische Sensoren auf Polyelektrolytelastomerbasis mit Multimode-Sensing-Fähigkeiten durch Multi-Material-3D-Druck“Die Arbeit, berichtet durchMulti-Material-Digital-Lichthärtung 3D-Drucktechnologie Integrierte Konstruktion und Herstellung von Multimode-Sensoren für Ionenkapazitäten auf Polyelektrolytelastomerbasis.

In den letzten zehn Jahren haben Entladungsgeräte (Ionotronik oder Iontronik, Ionen-Elektronen-Hybridgeräte, d. h. Geräte, die auf der Synergie von Ionen und Elektronen basieren) aufgrund ihrer inhärenten Flexibilität, Dehnbarkeit, optischer Transparenz und Biokompatibilität zunehmende Aufmerksamkeit gewonnen. Allerdings sind die vorhandenen Entladungssensoren aufgrund der einfachen Gerätestruktur und der leichten Leckage der Komponenten zu einer schlechten Stabilität des Geräts und einer einzigen Sensorfunktion, die die praktische Anwendung stark einschränkt. Deshalb ist die Konstruktion und Fertigung von Elektroentladungssensoren mit stabiler Leistung und Multimode-Sensorik von großem technischem Wert. Die Studie löst die Probleme der schlechten Stabilität und Funktionalität herkömmlicher Entladungssensoren und bietet neue Lösungen für das Design, die intelligente Herstellung und die Anwendung von dehnbaren Entladungssensoren.

Abbildung 1.Haut-inspirierte Multimodus-Sensor-Entladungssensor (a) Diagramm von mehreren Kraftempfängern in der menschlichen Haut (b) Die menschliche Haut kann einzelne mechanische Signale wie Ziehen, Drucken, Drucken + Schneiden, Drucken + Drehen wahrnehmen (c) Vorbereitung eines Entladungssensors mit Multimodus-Sensing-Fähigkeit auf der Grundlage von Multi-Material-Digital-Lichthärtung-3D-Drucktechnologie.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, inspiriert von der multimodalen Wahrnehmung der menschlichen Haut von äußeren Kräften wie Ziehen, Drucken, Drehen und deren Kombination, bereiteten die Forscher einen Entladungssensor mit Multimodal-Sensing-Fähigkeit mit der 3D-Drucktechnologie der digitalen Lichtverarbeitung (DLP) aus mehreren Materialien vor. Der Sensor verwendet Polyelektrolytelastomere (PEE), deren Polymerennetzwerk feste Anionen oder Cationionen enthält, sowie bewegliche Antiionen mit der Eigenschaft eines Anti-Ionenlecks. Im Druckprozess entsteht eine starke Schnittstellenverbindung zwischen dem PEE-Material und dem dielektrischen Elastomermaterial (DE) auf dem Sensor durch Kovalenz und topologische Vernetzung.

Abbildung 2.Konstruktion, Herstellung und optische, mechanische und elektrische Eigenschaften sowie Wärme- und Lösungsmittelstabilität von Polyelektrolytelastomeren.

Die Forscher synthetisierten zunächst ein Monomer namens 1-Butyl-3-methylimidazol 134-3-sulfopropylacrylat (BS) als Bestandteil eines Polyelektrolytmaterials und polymerisierten es mit einem anderen hydrophoben Monomer namens MEA. Dann werden die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Polyelektrolytmaterials ausgewogen, um die Leistung des Sensors zu optimieren, indem das Verhältnis von BS und MEA optimiert wird, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 3.EntspannungssensorGerät schlagbarImpression und Leistung (a) Veränderungskurve des PEE-Speichermoduls und des Verlustmoduls mit der Lichthärtezeit (b) Veränderung des Verhältnisses zwischen der Härtungszeit und der Energiedichte mit der Schichtdicke (c) Darstellung von gedruckten PEE-Arrays (d) 180° Abtrennkurve von 3D-gedruckten und manuell montierten PEE/DE-Doppelschichtstrukturen (e) 3D-gedruckte PEE/DE-Doppelschichtstrukturbruchschema (f) Manuell montierte PEE/DE-Doppelschichtstrukturbruchschema (g) ΔC/C0-Veränderungskurve von kapazitiven Sensoren auf Basis von PEE und LiTFSI-Ionen-dopierten Elastomern (h) Ionenfreie Leckage von kapazitiven Sensoren auf Basis von PEE (i) Ionenleckage von kapazitiven Sensoren auf Basis von LiTFSI-Ionen-dopierten Elastomern.

Wie in Abbildung 3 gezeigt, haben die Forscher die Druckbarkeit des entwickelten PEE-Materials durch Lichtstromtests überprüft. Anschließend wurde die Grenzflächenklebfestigkeit der 3D-gedruckten und der manuell montierten PEE/DE-Doppelschichtstruktur durch einen 180°-Abtrenntest gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die doppelschichtige Struktur des 3D-Drucks aufgrund der Kovalenzbindungen und der topologischen Verwirrung zwischen PEE und DE eine starke Schnittstelle hat, während der Entfernungsprozess ein Bruch des PEE-Materials auftrat, die Haftung kann bis zu 339,3 J / m²Im Gegensatz dazu ist die manuell montierte PEE / DE-Doppelschicht-Schnittstelle schwach, der Entfernungsprozess hat einen Schnittstellenbruch aufgetreten und die Haftkraft ist nur 4,1 J / m²Bei der Haltbarkeitsprüfung können PEE-basierte kapazitive Sensoren aufgrund eines Ionenlecks ein stabiles Signal für eine lange Zeit aufrechterhalten, während Sensoren auf Basis von herkömmlichen LiTFSI-dopierten Ionen-Elastomern aufgrund eines Ionenlecks das Signal weiter driftet, bis ein Kurzschluss auftritt.

Abbildung 4Dehn-, Kompressions-, Schneid-, Dreh- und Entspannungssensoren (a) Prinzipische Zeichnung des Dehnsensors (b) Kapazitäts- und Dehnspannungskurve (c) Prinzipische Zeichnung des Kompressionssensors (d) Kapazitäts- und Druckkurve von Drucksensoren mit/ohne Mikrostruktur (e) SchneidenWeitergabeSensorenPrinzipielle Darstellung (f) Physikalische Darstellung eines Schneersensors (g) Kapazität-Schneidempfindungskurve für Schneersensoren mit unterschiedlicher Empfindlichkeit (h) Müdigkeitsprüfkurve für Schneersensoren (i) Prinzipielle Darstellung des Drehsensors (j) DrehsensorGeräteWirklichAbbildung (k) Kapazität-Drehwinkelkurve von Drehsensoren mit unterschiedlicher Empfindlichkeit (l) Müdigkeitsprüfkurve von Drehsensoren.

Die 3D-Drucktechnologie bietet eine hohe Flexibilität bei der strukturellen Gestaltung von Geräten. Wie in Abbildung 4 gezeigt, haben die Forscher vier verschiedene Entladungssensoren für Dehnen, Komprimieren, Schneiden und Drehen entworfen und gedruckt, die alle eine gute Leistung und Stabilität aufweisen. Insbesondere kann durch die strukturelle Konstruktion der Vorrichtung eine erhebliche Optimierung der Sensorempfindlichkeit erreicht werden, z. B. durch die Einführung einer Mikrostruktur in die dielektrische Elastomerschicht des Kompressionssensors kann die Empfindlichkeit um zwei Größengruppen erhöht werden, aber auch eine bedarfsgemäße Regelung der Sensorempfindlichkeit erreicht werden, z. B. durch die Konstruktion der Konturlinien an der Vorderseite des Schnersensors oder die Anzahl der sektorförmigen Bereiche des Drehsensors können jeweils verschiedene entsprechende Schnersensoren und Drehsensoren realisiert werden.

Abbildung 5.Kombinierter Entladungssensor (a) Zeichnung des Druckkombinationssensors (b) Physikalisches Diagramm des Geräts (c) Äquivalentschaltungsdiagramm des Druckkombinationssensors (d) Gerätesignal im Single-Sensor-Modus (e) Kurve der Kapazitäts- und Umlaufveränderung unter Druckstimulus (f) Kurve der Kapazitäts- und Umlaufveränderung unter Zugstimulus (g) Signalspektrum bei Druckkombinationsdeformation (h) Zeichnung des DruckkombinationssensorsAbsicht (i)Werkzeugdiagramm (j) Druckschneider-Kombinationssensor-Äquivalentdiagramm (k) Werkzeugsignal im Single-Sensor-Modus (l) Werkzeugdiagramm für Druck-Drehmoment-Kombinationssensoren (m) Werkzeugdiagramm (n) Werkzeugdiagramm für Druck-Drehmoment-Kombinationssensoren-Äquivalentdiagramm (o) Werkzeugsignal im Single-Sensor-Modus.

Wie in Abbildung 5 gezeigt, haben die Forscher die drei Kombinationen von Entladungssensoren für Zug, Schneiden und Drehmoment entwickelt und gedruckt. Eine der Herausforderungen der kombinierten Sensoren besteht in der gegenseitigen Signalstörung zwischen den verschiedenen Sensorkanälen, z. B. wenn das Gerät sich dehnt, führt der Poisson-Effekt des Materials zu einer Verringerung der Gerätegeometrie in vertikaler Richtung, was einer Kompressionsverformung entspricht, die zu einer Veränderung des Signals im Kompressionskanal führt. Die Forscher kombinierten die Analoge mit Endelementen, um Signalstörungen zwischen verschiedenen Kanälen durch eine vernünftige Gerätestruktur zu vermeiden.

Abbildung 6. Kombinierter Entladungssensor für die drahtlose Fernbedienung von Drohnen (a) Darstellung des Drohnensteuerungssystems (b) Darstellung des Arbeitsmodus des Schnittsensormodules in einem Kombiniertem Entladungssensor (c) Arbeitsprinzip des Schnittsensormodules (d) Fünfkanäle-Kapazitätssignalprüfung des Sensors (e) Logik der Befehlskompilierung (f) Echtzeit-Kapazitätssignal des Kombiniertem Entladungssensors (g) Drohnenflug zu verschiedenen ZeitenZustand.

Schließlich zeigten die Forscher eine tragbare Fernbedienungseinheit aus vier Schneidsensoren und einem Kompressionssensor, die mit einem Fernsteuerungssystem für die drahtlose Fernsteuerung des Fluges einer Drohne verbunden wurde, wie in Abbildung 6 gezeigt. Die vier Schneidsensoren in dieser tragbaren Fernbedienungseinheit erfassen die Fingerbewegung der Hand, um die Richtung der Drohne zu steuern. Kompressionssensoren werden verwendet, um den Druck der Finger zu erkennen und das Rollen der Drohne zu steuern. Diese tragbare Fernbedienungseinheit ist für die Mensch-Computer-Interaktion konzipiert und bietet eine flexiblere Steuerung.