可打印、可拉伸導(dǎo)電彈性體用于高保真監(jiān)測動態(tài)應(yīng)變(2)
時間：2022-08-23 09:08 來源：生物打印與再生工程 作者：admin 閱讀：次
3.導(dǎo)電彈性體的導(dǎo)電性
除了使用導(dǎo)電復(fù)合材料進行應(yīng)變感測之外，該團隊研究了打印在不同聚合物基底上的導(dǎo)電墨水的導(dǎo)電性，發(fā)現(xiàn)以PDMS為基底的導(dǎo)電材料具有最高的導(dǎo)電性。該團隊制備了EA墨水(包含銀片填料和Ecoflex基質(zhì))和PA墨水(包含銀片填料和PDMS基質(zhì))，并分別將它們打印在Ecoflex、PDMS、聚酰亞胺(PI)、鋁(Al)、特氟隆和玻璃的不同基底上。實驗結(jié)果如圖3a所示，打印在PDMS基材上的EA墨水和PA墨水的電導(dǎo)率達到最高值，而打印其他基底上的導(dǎo)電墨水的電導(dǎo)率接近于零。如圖3b，該團隊通過將導(dǎo)電墨水打印在接觸面不同的基底上制備不同的的導(dǎo)電彈性體，具有PDMS基板的EAP和EAEP的電導(dǎo)率（分別為4527 S cm-1和5110 S cm-1）遠高于EAE和EAPE（分別為111 S cm-1和275 S cm-1），表明導(dǎo)電彈性體的導(dǎo)電性是由主基底而不是墨水膜下的接觸材料決定的。
為了解釋上述導(dǎo)電機理，該團隊假設(shè)不同的基材在導(dǎo)電墨水的熱固化過程中具有不同的膨脹和收縮行為，這可能導(dǎo)致填充在導(dǎo)電墨水中的銀薄片的不同自組裝。為了驗證這一假設(shè)，該團隊分別監(jiān)測了在三種基板（Ecoflex，PDMS，PI）上的EA薄膜在其熱固化過程中的膨脹速率。實驗結(jié)果如圖3c所示，PDMS和Ecoflex基板上的EA薄膜在隨溫度升高逐漸膨脹，并在冷卻過程中收縮到原始寬度，這使得未固化的銀片緊密聚集進行精細的自組裝，從而產(chǎn)生了更多的接觸和量子導(dǎo)電結(jié)。因此，PDMS基板在固化過程的早期階段的熱膨脹和收縮促進了Ag薄片的自組裝，并有助于提高導(dǎo)電彈性體的導(dǎo)電性。總體而言， EAP具有高導(dǎo)電性，良好的拉伸性與電力學性能，可以成為出色的可拉伸導(dǎo)體和可拉伸傳感器。
圖3 導(dǎo)電彈性體的電導(dǎo)率
4.Ag-Ecoflex-PDMS導(dǎo)電彈性體的應(yīng)用
為了驗證所提出的EAP的功能，該團隊通過以PDMS為基底打印EA薄膜來制造應(yīng)變傳感器。如圖4b，與打印在PDMS基底上的單根導(dǎo)線相比，該傳感器對應(yīng)變表現(xiàn)出顯著的電阻響應(yīng)，而導(dǎo)線表現(xiàn)出較小的電阻和較低的應(yīng)變響應(yīng)，這表明具有不同銀含量的EAP彈性體可以可控地制作成為個性化的可拉伸應(yīng)變傳感器和可拉伸導(dǎo)體。
圖4 使用所提出的可拉伸導(dǎo)電彈性體的動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用
該團隊用含有銀含量為72.0%的EA薄膜的EAP彈性體開發(fā)了可拉伸應(yīng)變傳感器，用來監(jiān)控人行走和跑步期間的膝蓋運動。受試者以不同速度（4、6和8 km h-1）行走和跑步時的步幅和頻率如圖4d所示。圖4e所示為佩戴在受試者膝蓋上的EAP應(yīng)變傳感器監(jiān)測到的膝蓋運動，其中人類步態(tài)輪廓的細節(jié)被明確識別，并且與由肢體運動捕捉系統(tǒng)檢測到的受試者膝蓋的實際關(guān)節(jié)角度 (圖4f)非常一致。使用EAP傳感器監(jiān)測的膝蓋運動的信號保真度對于左膝高達0.955，對于右膝高達0.904。
除此之外，該團隊用EAP應(yīng)變傳感器實現(xiàn)了人機合作打乒乓球。如圖5c所示，在肘部佩戴EAP應(yīng)變傳感器的受試者利用應(yīng)變傳感器實時操縱機械臂，機器人手臂與受試者手臂同步運動并成功地接住并送回了乒乓球。以上結(jié)果表明，該研究所提出的EAP導(dǎo)電彈性體能夠勝任人機協(xié)作中同步運動的精細控制。
圖5 使用所提出的的可拉伸導(dǎo)電彈性體的人機協(xié)作應(yīng)用
總結(jié)與展望
該研究深入探討了可拉伸導(dǎo)電彈性體在監(jiān)測動態(tài)應(yīng)變中的信號失真問題。提出的Ag-Ecoflex-PDMS導(dǎo)電彈性體，可有效地抑制導(dǎo)電活性材料中導(dǎo)電通路沿橫向和縱向的不協(xié)調(diào)動態(tài)行為，從而獲得小過沖和高靈敏度。同時該團隊證明了所提出的導(dǎo)電彈性體的應(yīng)變滯后可以通過深度學習動態(tài)標定方法得到有效消除，為制造具有更優(yōu)動態(tài)性能的可拉伸應(yīng)變傳感器提供了一種有效的方法。另一方面，該研究還表明，Ag-Ecoflex-PDMS彈性體在導(dǎo)電墨水熱固化過程中由于PDMS基底的熱膨脹和收縮獲得了高電導(dǎo)率，因此可以作為優(yōu)異的可拉伸導(dǎo)體。在演示實驗中，Ag-Ecoflex-PDMS導(dǎo)電彈性體表現(xiàn)出非常高的保真度（>0.9），并且能夠準確捕獲關(guān)鍵物理標志。該研究所制作的可拉伸應(yīng)變傳感器具有優(yōu)異的動態(tài)監(jiān)測性能，可以為可拉伸導(dǎo)電材料在監(jiān)測人類活動，人機交互和協(xié)作，虛擬現(xiàn)實等方面的實際應(yīng)用鋪平道路。
(責任編輯：admin)
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