近年來，可穿戴電子設(shè)備和人工智能（AI）的快速發(fā)展推動了健康監(jiān)測和運動跟蹤等產(chǎn)品的創(chuàng)新。作為可穿戴電子的核心部件之一，應(yīng)變傳感器因其能夠檢測多種人類活動和生理信號而廣受關(guān)注；陔娮栊偷娜嵝詰(yīng)變傳感器因制備工藝簡單而成為研究熱點，但其性能往往面臨靈敏度與感測范圍之間的權(quán)衡。此外，傳感器的熱性能對電阻穩(wěn)定性和佩戴舒適性至關(guān)重要，但鮮有研究深入探討這些方面。當前亟需一種在延展性、靈敏度和散熱性能方面表現(xiàn)均衡的高性能應(yīng)變傳感器，同時具備多功能感測能力，以滿足復(fù)雜應(yīng)用需求。
相關(guān)研究以論文《Ultraflexible Sensor Development via 4D Printing: Enhanced Sensitivity to Strain, Temperature, and Magnetic Fields》發(fā)表在《Advanced Science》。
對于基于電阻變化的傳感器而言，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建至關(guān)重要。理想的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該同時具備靈敏且快速的響應(yīng)能力，優(yōu)越的穩(wěn)定性，寬廣的工作范圍，以及與保護基體良好的兼容性。基于碳納米管（CNTs）出色的導(dǎo)電能力和極高的長徑比，研究者將其均勻地分散到了具有出色延展性的硅樹脂橡膠（Ecoflex00-10）基體中。與此同時，為了填補CNTs之間以及CNTs與基體間可能存在的空隙，研究者創(chuàng)新性地引入了液態(tài)金屬（稼銦錫合金，LM），制備了LM@CNTs納米材料。LM出色的導(dǎo)電性以及形態(tài)自適應(yīng)能力使得它能夠完美地融入導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并增強其穩(wěn)定性。更進一步，研究者將微米級的鐵粉引入復(fù)合基體中，以賦予材料額外的磁場響應(yīng)能力。
復(fù)合墨水固化前后的基本特性。a) 不同組分墨水的成型及固化能力。b) 未固化的Ecoflex 和LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex墨水的流變性質(zhì)。c) DIW 擠出LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex樣品的結(jié)構(gòu)及組分示意圖。d) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex 樣品斷面的 SEM 圖像和 (e-e3) EDS 圖。f) Ecoflex和LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex 傳感器的拉伸曲線。g) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex 傳感器在 50% 至 200% 各種應(yīng)變下的第一個應(yīng)變-應(yīng)力循環(huán)。h) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex 傳感器在 50% 應(yīng)變下進行 1000 次拉伸和釋放循環(huán)的長期力曲線。i) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在第 1、5、10、50、100 和 1000 次拉伸和釋放循環(huán)中的力-應(yīng)變循環(huán)。
LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的傳感特性。 a) 不同CNTs含量的傳感器的電阻率。 b) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的相對電阻-應(yīng)變曲線。c）LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在10%到200%不同應(yīng)變幅度，應(yīng)變率為2 mm·min?1的循環(huán)拉伸下的相對電阻響應(yīng)。 d) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在 2 至 16 mm·min?1 不同應(yīng)變率， 100% 應(yīng)變幅度循環(huán)拉伸下的相對電阻響應(yīng)。 e) 拉伸的響應(yīng)時間。f) 微小應(yīng)變循環(huán)拉伸下的相對電阻變化。 g) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在50%應(yīng)變幅度下進行2500次拉伸和釋放循環(huán)的長期耐久性測試。插入圖顯示了第1500-1510個周期的詳細信息。h) 與最近報道的應(yīng)變傳感器的比較。傳感器對i) 不同手勢的響應(yīng)和對 j) 不同喉部運動的響應(yīng)。傳感器對k) 肘部彎曲不同角度的響應(yīng)和對 l) 膝關(guān)節(jié)在不同動作下的響應(yīng)。
LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱學(xué)性能。 a) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的 TGA 曲線。b）LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的DSC曲線。c) Ecoflex，LM/Ecoflex 和 LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱導(dǎo)率。d) Ecoflex，e) LM/Ecoflex 和 f) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex薄片在 120 °C 加熱臺上的模擬熱平衡。g) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器在36和175 V 電壓下的溫度-時間曲線。h) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的相對電阻-溫度曲線。i) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱耐久性測試，在-20 °C 至室溫之間進行 30 個循環(huán)。j) LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱耐久性測試，在室溫至 120 °C 之間進行 30 個循環(huán)。k) Ecoflex，LM@Ecoflex 和 LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的熱釋放率曲線。 l) Ecoflex，LM@Ecoflex 和 LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的總放熱量比較。
LM@CNTs/鐵粉/Ecoflex傳感器的磁學(xué)性能。a）“爬行毛毛蟲”，b）專門設(shè)計的樣品在磁場引導(dǎo)下像毛毛蟲一樣移動。c）“游動的魚”，攜帶電線的雙材料魚在磁場引導(dǎo)下（d1）向前，（d2）向后，（d3）向左和（d4）向右游動并最終(e)形成回路。f)“小球通過迷宮”，其中攜帶電線的樣品球在磁場的引導(dǎo)下穿過迷宮，形成電路。g) 基于磁性的汽車定位和速度檢測的示意圖。h) 不同速度下汽車的電響應(yīng)。i) 弱勢老人和兒童家庭監(jiān)測應(yīng)用示意圖。
綜上所述，研究者通過混合CNTs，LM，鐵粉以及Ecoflex00-10硅橡膠樹脂制備了可打印的復(fù)合墨水，并通過DIW4D打印技術(shù)成功打印了具有高靈敏度，高穩(wěn)定性，大應(yīng)變范圍，以及多功能的傳感器部件。本文中的新型材料體系大幅改善了傳感器的熱性能，而4D打印技術(shù)的引入進一步增強了傳感器的功能性及對于預(yù)設(shè)響應(yīng)模式的調(diào)控能力。這一傳感器可應(yīng)用于人體及機器人的動作監(jiān)測，并在普通或極端環(huán)境均可進行工作，具有廣闊的應(yīng)用前景。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411584
