近期，南方科技大學力學與航空航天工程系楊燦輝團隊與機械與能源工程系葛锜團隊合作在《自然通訊》(Nature Communications) 上發表題為“Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing”的論文，報道了通過多材料數字光固化3D打印技術一體化設計制造基于聚電解質彈性體的多模式傳感離子電容傳感器。該研究解決了傳統離電傳感器穩定性差和功能性單一的問題，為可拉伸離電傳感器的設計、智造與應用提供了新的解決方案。
圖1 皮膚啟發的多模式傳感離電傳感器 (a) 人體皮膚內多種力感受器示意圖 (b) 人體皮膚可以感知單一的力學信號如壓拉、壓、壓+剪、壓+扭 (b) 基于多材料數字光固化3D打印技術制備具有多模式傳感能力的離電傳感器
圖2 聚電解質彈性體的設計、制備與光學、力學、電學性能以及熱、溶劑穩定性
圖3 離電傳感器的可打印性與性能 (a) PEE存儲模量和損耗模量隨光固化時間的變化曲線 (b) 固化時間與能量密度隨層厚的變化關系 (c) 打印的PEE陣列展示 (d) 3D打印和手動組裝的PEE/DE雙層結構的180°剝離曲線 (e) 3D打印的PEE/DE雙層結構本體斷裂示意圖 (f) 手動組裝的PEE/DE雙層結構界面斷裂示意圖 (g) 基于PEE和基于LiTFSI摻雜離子彈性體的電容式傳感器的ΔC/C0隨時間變化曲線 (h) 基于PEE的電容式傳感器無離子泄漏 (i) 基于LiTFSI摻雜離子彈性體的電容式傳感器離子泄漏示意圖
圖4 拉伸、壓縮、剪切、扭轉離電傳感器 (a) 拉伸傳感器原理示意圖 (b) 電容-拉伸應變曲線 (c) 壓縮傳感器原理示意圖 (d) 有/無微結構的壓力傳感器的電容-壓力曲線 (e) 剪切傳感器原理示意圖 (f) 一種剪切傳感器實物圖 (g) 不同靈敏度的剪切傳感器的電容-剪切應變曲線 (h) 剪切傳感器的疲勞測試曲線 (i) 扭轉傳感器原理示意圖 (j) 一種扭轉傳感器實物圖 (k) 不同靈敏度的扭轉傳感器的電容-扭轉角曲線 (l) 扭轉傳感器的疲勞測試曲線
圖5 組合式離電傳感器 (a) 拉壓組合傳感器示意圖 (b) 器件實物圖 (c) 拉壓組合傳感器等效電路圖 (d) 單一傳感模式下的器件信號 (e) 壓縮激勵下的電容-圈數變化曲線 (f) 拉伸激勵下的電容-圈數變化曲線 (g) 拉壓組合變形下的信號譜 (h) 壓剪組合傳感器示意圖 (i) 器件實物圖 (j) 壓剪組合傳感器等效電路圖 (k) 單一傳感模式下的器件信號 (l) 壓扭組合傳感器示意圖 (m) 器件實物圖 (n) 壓扭組合傳感器等效電路圖 (o) 單一傳感模式下的器件信號
圖6 組合式離電傳感器用于無人機的遠程無線操控 (a) 無人機控制系統示意圖 (b) 組合式離電傳感器中剪切傳感模塊工作模式示意圖 (c) 剪切傳感模塊工作原理 (d) 傳感器五個通道電容信號測試 (e) 指令編譯邏輯 (f) 組合式離電傳感器實時電容信號 (f) 不同時刻的無人機飛行狀態
最后，研究人員展示了一個由四個剪切傳感器和一個壓縮傳感器組成的可穿戴遙控單元，并將其連接到一個遠程控制系統，用于遠程無線控制無人機的飛行，如圖6所示。這個可穿戴遙控單元中的四個剪切傳感器負責感知手部的手指運動，用于控制無人機的方向。而壓縮傳感器則用于感知手指的壓力，控制無人機的翻滾。這種可穿戴遙控單元的設計可以實現人機交互，提供更加靈活的控制方式。
南方科技大學力學與航空航天工程系科研助理李財聰（現為香港科技大學（廣州）博士生），機械與能源工程系博士生程健翔和力學與航空航天工程系博士生何耘豐為論文共同第一作者，合作作者包括機械與能源工程系博士生何向楠和力學與航空航天工程系科研助理徐子怡（現為蘭州大學博士生），南方科技大學力學航空航天系助理教授楊燦輝與機械與能源工程系副教授葛锜為論文共同通訊作者，南方科技大學為論文唯一單位。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40583-5
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