一種可應用于智能穿戴、人形機器人的無漂移柔性壓力傳感器

2024年3月21日，南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛教授和力學與航空航天工程系楊燦輝助理教授研究團隊合作開發了一種無漂移柔性壓力傳感器，解決了柔性壓力傳感器中由于軟材料蠕變導致的難以精準測量靜態壓力的普遍性難題，相關論文以“Creep-free polyelectrolyte elastomer for drift-free iontronic sensing”為題發表在Nature Materials期刊上。論文通訊作者是楊燦輝、郭傳飛，（共同）第一作者是何耘豐、程雨。

圖1：無漂移柔性壓力傳感器的原理、材料和化學組成

柔性壓力傳感器可將壓力轉化為電信號，而“離-電型”柔性壓力傳感器——一種具有極高靈敏度的器件，更是在機器人觸覺、虛擬現實以及可穿戴設備等領域有重要的應用價值（圖1a）。但現有的柔性壓力傳感器普遍存在明顯的信號漂移問題（圖1b）。信號漂移一方面來自于離子凝膠的漏液，另一方面來自于軟材料的蠕變（圖1c）。因此，柔性壓力傳感器往往“測得靈敏”，但“測不準”，無法用于靜態或準靜態壓力的精準計量，使得這種器件在諸多領域無法替代傳統的硬質傳感器。

針對上述挑戰，研究團隊基于軟材料力學原理，從材料的分子結構入手，設計、制備了一種無泄漏、低蠕變的聚電解質離子導電彈性體，有效地抑制了離-電型柔性壓力傳感器的信號漂移。這種材料是一種共聚物，包含有帶電的分子鏈段以及不帶電的潤滑中性鏈段（圖1d）。前者把陽離子束縛在分子鏈上，以網絡彈性阻礙離子的向外擴散，有效避免離子泄露；后者可有效降低分子鏈之間的靜電吸引，大幅降低材料的蠕變。在上述分子結構的基礎上，團隊提高交聯密度，進一步降低了材料的蠕變。

圖2：聚電解質彈性體的特性

制備的離子導體是一種聚電解質彈性體（PEE），P（AMT-co-MA）-PMA，具有抗蠕變性。在200kPa拉應力下，樣品保持穩定的機械和電氣性能（例如拉伸應變和阻抗）（圖2a）；當受到峰值應力為400kPa、頻率為1Hz的三角波循環載荷時，峰值應變在10萬次循環中幾乎沒有變化（圖2b）。研究團隊一共制備了三種PEE，只含有帶電分子鏈段的PAMT表示為PEE1，同時含有帶電分子鏈段和不帶電的可滑中性鏈段的P（AMT-co-MA）表示為PEE2，以及在PEE2基礎上加入長鏈PMA增韌的P（AMT-co-MA）-PMA表示為PEE3。三種材料的單軸拉伸曲線如圖2c所示。增韌的PEE3的性能得到顯著提升，具有61.3%的斷裂應變，560kPa的拉伸強度（圖2d），323.5 J m-2的斷裂能（圖2e）和8.2 MPa的壓縮強度（圖2f）。PEE具有非粘性表面并且表現出低遲滯。PEE與金電極的粘附能為20.78 J m-2（圖2g），在加卸載循環測試中，第一次和第1000次的應力-應變曲線幾乎重疊，在1000次循環中平均遲滯<3%（圖2h）。離子導體的電學性能同樣至關重要，團隊對PEE3進行交流阻抗測量并畫出其奈奎斯特曲線（圖2i）和波德相位圖（圖2j）。

圖3：離電傳感器的特性

團隊通過在兩層金電極之間夾一層PEE來構建傳感器（圖3a）。當受到2.5 kPa的瞬間載荷時，傳感器的響應時間約3.8 ms，恢復時間約5.8 ms（圖3b）。傳感器在0-1000 kPa范圍內都表現出較高的靈敏度（圖3c）。向傳感器施加約500 kPa的靜壓，其電容在48小時內漂移量低于1%（圖3d）。向傳感器施加400kPa的方波循環載荷，傳感器在總共1000個循環中的每個循環相應地輸出方波信號（圖3e）。團隊也在更復雜的情況下驗證了傳感器的無漂移性能，通過在375 kPa的靜壓上疊加50 kPa的周期性波動，傳感器的響應與刺激同相（圖3f）。

作為對比，研究團隊選用了目前廣泛使用的離子凝膠（PVDF-HFP）-[EMIM][TFSI]進行比較，在500kPa的靜態壓縮下，電容信號在10分鐘內漂移約102.9%（圖3g）。其信號同時也在方波循環載荷中漂移（圖3h），或在疊加靜態和動態載荷的情況下漂移（圖3i）。

圖4：各種離電傳感器的漂移比和漂移率

研究團隊提出了漂移比和漂移率兩個指標來定量表征靜壓下的信號穩定性（圖4a）。團隊共制作了十種傳感器，其離子導體分別為優化的PEE、三種未優化的PEE、四種離子凝膠、一種水凝膠以及一種鋰鹽摻雜彈性體。在500kPa靜態壓力下連續測試10分鐘，基于優化PEE的傳感器在10分鐘內表現出約0.33%的平均漂移比，比所有其他傳感器低兩個數量級（圖4b）。

此外，基于優化PEE的傳感器在500kPa下的漂移率比其他傳感器的漂移率低2-4個數量級（圖4c）。研究人員采用傳感器產生漂移行為時壓力和其自身模量的比值，即P/E，來表征傳感器在沒有信號漂移的情況下工作的許用壓力?；趦灮疨EE的傳感器可以在0.45的P/E下工作，相比之下使用傳統軟材料的傳感器和傳統硅基傳感器僅在低于10-4和10-3的P/E時實現無漂移傳感（圖4d）。

圖5：無漂移柔性壓力傳感器在機械手抓握操作中的應用

最后，研究人員將傳感器集成到一個機械抓手上展示了準確傳感-控制-驅動的一體化系統。該機械抓手由一個電機驅動，并配備了一個用于力監測的商業傳感器（圖5a）。使用一個Arduino板來驅動電機以改變機械抓手的閉合程度（DGC），并利用傳感器的信號作為輸入采用PID程序來控制DGC（圖5b）。該工作演示了集成有無信號漂移傳感器機械抓手的精確控制。其可以在350 kPa的高夾緊壓力下穩定地抓住鋼塊。當機械抓手開始工作時，接觸夾持物后電容上升，一旦達到電容的設定值，DGC被固定，并向機械抓手發送命令以提升鋼塊。機械抓手可以穩定地夾住鋼塊20 min，在此期間DGC和夾持力都保持穩定（圖5c,d）。

相比之下，將有漂移行為的基于離子凝膠的傳感器集成到機械抓手上，在350 kPa的固定壓力下PID程序會不斷調整DGC，使電容接近設定值，導致鋼塊滑脫（圖5e）?；跓o信號漂移傳感器對力的精確檢測，機械抓手可以安全操作脆弱的物體，研究人員演示了在1500秒內穩定抓住一個小番茄（圖5f）。相比之下，當使用基于水凝膠的傳感器時，水凝膠脫水會導致電信號的降低而導致DGC增加，最終機械抓手捏壞了小番茄（圖5g）。

可精準計量的柔性壓力傳感器具有大規模工程化應用價值，在智能穿戴、人形機器人等領域具有廣闊的應用前景。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01848-6