具有仿生梯度縫隙的4D打印應變自感應和溫度自感應集成傳感致動器
時間：2022-01-30 10:17 來源：西安交通大學機械制造 作者：admin 閱讀：次
集成多功能材料具有重量輕、性能穩定等特點，且在制造過程中通常更省時、更具成本效益。然而，通過傳統制造工藝將集成多功能材料用來制造具有復雜內部結構或仿生多功能結構仍存在很大的難度。3D打印技術的出現，為集成多功能材料的生產制造提供了新的思路。特別是其中4D打印技術將可以將刺激響應材料與3D打印工藝相結合，提供了一種一體化成型可編程智能材料結構的方式。其中，華中科技大學的科研團隊通過FDM打印工藝使用兼具形狀記憶與壓阻性能的炭黑(CB)-聚乳酸(PLA)復合多功能材料打印仿生縫隙結構，得到具有雙功能傳感和自傳感驅動集成傳感-致動器（PISA）的方法。
研究人員從蝎子腿部的縫隙結構獲得靈感，如圖1(a)所示，蝎子腿部的縫隙可以感知微小的機械刺激，以檢測獵物。研究人員通過4D打印技術打印PISA樣件，且通過設置打印參數，打印出從底部到頂部的梯度仿生間隙結構，如圖1(b)所示。
DB. Chen, QP. Liu, ZW Han, et al. 4D Printing Strain Self-Sensing and Temperature Self-Sensing Integrated Sensor–Actuator with Bioinspired Gradient Gaps[J]. Adv. Sci. 2020, 7: 2000584
研究人員從蝎子腿部的縫隙結構獲得靈感，如圖1(a)所示，蝎子腿部的縫隙可以感知微小的機械刺激，以檢測獵物。研究人員通過4D打印技術打印PISA樣件，且通過設置打印參數，打印出從底部到頂部的梯度仿生間隙結構，如圖1(b)所示。
圖1 靈感來源與樣件結構：(a)蝎子腿的縫隙結構 (b)PISA樣件的仿生縫隙結構
對PISA樣件進行機械刺激產生彎曲變形，在上下兩個不同方向彎曲時，可以使線間間隙減小而接觸或增大而分離，PISA樣件的電阻則會由于電子隧穿效應而相應的減小或增大，如圖2(a)所示。除應變傳感功能之外，PISA樣件同時擁有溫度傳感功能。當樣件被加熱時，PLA基體材料的膨脹使得炭黑顆粒間距增大，宏觀電阻增大，冷卻后可恢復。且當溫度達到一個閾值后，部分縫隙由于膨脹后接觸，樣件組織將再度下降，如圖2(b)所示。
(a)
(b)
圖2 傳感功能：(a)機械應變傳感 (b)溫度傳感
研究人員還打印出手指結構，用于驗證PISA的主動觸摸功能，如圖3所示。最初手指結構被加熱彎曲并冷卻固定形狀，經熱風槍的加熱，手指逐漸伸直的同時阻值增大，觸摸到手機屏幕后，由于先增加后減小，使得手指結構的阻值發生跳躍。PISA能夠主動觸摸物體并獲得電阻信號反饋，從而形成主動感知能力，促進了未來傳感器-執行器的融合。
圖3 主動觸摸手指結構及其主動感知功能
參考文獻：DB. Chen, QP. Liu, ZW Han, et al. 4D Printing Strain Self-Sensing and Temperature Self-Sensing Integrated Sensor–Actuator with Bioinspired Gradient Gaps[J]. Adv. Sci. 2020, 7: 2000584
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