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中國科大龔興龍教授課題組 CEJ：基于導電磁流變液的柔性傳感器實現磁可調剛度和磁致動
2024-04-19  來源：高分子科技

  隨著電子技術和人工智能的發(fā)展，柔性傳感器在電子皮膚、可穿戴設備、軟機器人等多種應用中引起了越來越多的興趣。目前，已報道的柔性傳感器大多是通過將剛性導電材料分散到彈性體基體里或涂覆在柔性彈性體表面上制備而成的。然而，由于剛性導電材料與柔性彈性體基體之間的模量差異，容易引起導電網絡斷裂和滑動等損傷，導致柔性傳感器的穩(wěn)定性降低。此外，磁驅動具有非接觸性、穿透性、遠程控制等優(yōu)點，使得基于磁驅動的軟機器人受到越來越多的關注。相比于傳統(tǒng)的由磁性顆粒直接分散在彈性體基體中制成的復合材料，磁流變液中磁性顆粒在磁場下的運動不容易受到限制，表現出很高的磁流變效應。目前基于磁流變液的軟復合材料普遍缺乏傳感能力，而傳感對于提供環(huán)境信息和實現精確控制非常重要。


圖1.摘要圖


 圖2.導電磁流變液填充軟彈性復合材料（cMFEC）的制備過程和實物圖


  為了開發(fā)磁流變液在軟復合材料方面的應用場景，結合柔性傳感器和磁驅動軟機器人的特性，中國科學技術大學龔興龍課題組近日提出了一種基于液體導體的導電磁流變液填充Ecoflex軟彈性體復合材料cMFEC。將多壁碳納米管引入磁流變液中，制備了一種兼具磁流變效應和電傳感性能的導電磁流變液，可作為柔性傳感器的液體導體。在柔性彈性體基體Ecoflex薄膜上設計液體通道以填充導電磁流變液并使用Ecoflex密封制備了復合材料cMFEC（圖2b）。cMFEC具有良好的拉伸應變傳感性能和彎曲感知能力。cMFEC可以監(jiān)測外加磁場的變化，表現出磁致剛度增強的特性。在此基礎上，研制了磁可調剛度承載平臺，其在165 mT磁場下的承載能力比零磁場下的承載能力提高了一倍。cMFEC還表現出磁致動行為；cMFEC研制的智能磁致動夾持器可以在磁場的驅動下抓取、轉移和釋放各種形狀的物體。此外，結合cMFEC的傳感性能和磁致動行為，監(jiān)測反饋系統(tǒng)可以實時監(jiān)測夾持器的動作狀態(tài)。因此，本研究為磁流變液在柔性傳感器和軟致動器中的應用提供了一種新的簡便策略。復合材料cMFEC結合了磁流變效應和電傳感性能，在電子皮膚、可穿戴電子設備和磁致動軟機器人方面具有廣闊的應用前景。相關研究成果以“Conductive magnetorheological fluid (cMRF)-based flexible sensor with adjustable stiffness for magneto-mechanical dual-response and soft actuator”為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。論文的第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士生孫玉璽，通訊作者為龔興龍教授和桑敏博士后。 


圖3. 導電磁流變液的流變性能


  磁流變液通常是由微米級磁性顆粒分散在載液中制備而成，具有優(yōu)異的力學性能與高效的可控性。在磁場作用下，其中分散的磁性顆粒會迅速地沿磁場方向形成鏈狀結構，磁流變液從牛頓流體狀態(tài)轉變?yōu)?/span>Bingham塑性體狀態(tài)。與磁流變彈性體等其它磁流變智能材料相比，磁流變液中的磁性顆粒在磁場下的運動不容易受到限制，表現出很高的磁流變效應。該導電磁流變液在磁場下的粘度增大了約三個數量級（圖3h）。多壁碳納米管作為添加劑改善了磁流變液的沉降穩(wěn)定性，同時也賦予了磁流變液電傳感的性能。 


圖4. 復合材料cMFEC的磁-機械雙重響應傳感性能


  復合材料cMFEC對不同拉伸應變的傳感響應表明，它可以用作監(jiān)測拉伸變形的應變傳感器（圖4e）。在cMFEC的拉伸過程中施加橫向磁場后，相對電阻顯著增加（圖4f），表現了cMFEC的磁-機械雙重響應特性。cMFEC具有優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性，在1000次拉伸循環(huán)后，其傳感響應幾乎保持不變（圖4i）。此外，由于良好的柔韌性，cMFEC還表現出對彎曲變形的感知能力（圖4j）。最后，將cMFEC粘貼到人手指關節(jié)上監(jiān)測運動。當手指關節(jié)以不同角度彎曲時，cMFEC會產生相應的傳感響應（圖4k），表明其有望在人體運動檢測中獲得應用。 


圖5. 復合材料cMFEC的磁可調節(jié)剛度


  導電磁流變液的高磁流變效應使得復合材料cMFEC具有磁可調節(jié)剛度特性。為此，將cMFEC與3D打印的ABS結構組裝成承載平臺。承載平臺在165 mT磁場中的極限承載能力達到42 g，比零磁場時提高了100%（圖5f）。極限承載實驗表明，cMFEC在壓縮過程中表現出磁致剛度增強特性。相應地，在cMFEC的拉伸過程中，也存在磁感應剛度增強特性。使用cMFEC懸掛100g重物，在300 mT磁場下的拉伸位移比零磁場下小約41%（圖5g-h），說明cMFEC的拉伸剛度在磁場作用下顯著增加。磁可調節(jié)剛度的微觀原理是導電磁流變液中的磁性顆粒沿著磁場方向形成粒子鏈（圖5i），從而增強了復合材料的剛度。 


圖6.復合材料cMFEC的磁致動行為


  將cMFEC與中空ABS結構組裝設計了智能磁致動夾持器。利用有限元仿真研究了夾持器的磁致變形。磁鐵放置在中空ABS方筒體內部，通過連桿可上下移動，控制夾持器抓取和釋放物體。隨著磁鐵向下移動，cMFEC的磁感應強度增大，磁力引起的彎曲變形也增大（圖6c）。隨后磁鐵向上移動，cMFEC受到的磁力逐漸減小甚至消失，夾緊的cMFEC由于自身的彈性而恢復，從而釋放被夾持的物體（圖6d-g）。還演示了基于cMFEC的四夾爪夾持器，可用于抓取更重的玩偶玩具（圖6h）。 


圖7. 智能磁致動夾持器的實時監(jiān)測系統(tǒng)


  結合復合材料cMFEC的傳感能力和磁驅動行為，設計了智能磁致動夾持器的實時監(jiān)測系統(tǒng)（圖7a）。通過多次抓取、轉移和釋放實驗，總結了cMFEC在相應動作過程中的傳感信號變化規(guī)律。開始時，cMFEC夾爪處于自然狀態(tài)，傳感信號保持穩(wěn)定。在移動磁鐵控制夾持器抓住物體的瞬間，由于磁場和彎曲變形的作用，傳感信號急劇增加。在轉移物體的過程中，傳感信號逐漸減弱。在釋放物體的瞬間，傳感信號再次迅速增大，隨后逐漸回落到接近初始值（圖7c）。傳感信號具有一定的穩(wěn)定性，可以通過實時觀察cMFEC傳感信號的變化來監(jiān)測智能夾持器的抓取、轉移和釋放動作。


  綜上所述，本研究開發(fā)了一種基于導電磁流變液的軟傳感器cMFEC，以實現磁-機械雙重響應特性。作為一種應變傳感器，cMFEC可以識別10-50%的拉伸應變，并表現出電穩(wěn)定性，還可以感知彎曲角度。此外，它還可用于組裝磁可調剛度承載平臺和智能磁致動夾持器，展現了在磁驅動軟機器人方面的應用前景。本研究為制備基于磁流變液的柔性復合材料提供了一種新的簡便策略，開發(fā)拓展了磁流變液在柔性傳感器和軟智能機器人領域的應用場景。


  原文鏈接：

  Yuxi Sun, Min Sang, Yunqi Xu, Zhentao Zhang, Shilong Duan, Yu Wang, and Xinglong Gong, Conductive Magnetorheological Fluid (cMRF)-Based Flexible Sensor with Adjustable Stiffness for Magneto-Mechanical Dual-Response and Soft Actuator, Chemical Engineering Journal, 2024, 489: 151229. DOI: 10.1016/j.cej.2024.151229.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151229

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（責任編輯：xu）
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