具有仿生梯度縫隙的4D打印應(yīng)變自感應(yīng)和溫度自感應(yīng)集成傳感致動(dòng)器

供稿人：閆萬權(quán)、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

集成多功能材料具有重量輕、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，且在制造過程中通常更省時(shí)、更具成本效益。然而，通過傳統(tǒng)制造工藝將集成多功能材料用來制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)或仿生多功能結(jié)構(gòu)仍存在很大的難度。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為集成多功能材料的生產(chǎn)制造提供了新的思路。特別是其中4D打印技術(shù)將可以將刺激響應(yīng)材料與3D打印工藝相結(jié)合，提供了一種一體化成型可編程智能材料結(jié)構(gòu)的方式。其中，華中科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)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(fù)合多功能材料打印仿生縫隙結(jié)構(gòu)，得到具有雙功能傳感和自傳感驅(qū)動(dòng)集成傳感-致動(dòng)器（PISA）的方法。

研究人員從蝎子腿部的縫隙結(jié)構(gòu)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(jī)械刺激，以檢測獵物。研究人員通過4D打印技術(shù)打印PISA樣件，且通過設(shè)置打印參數(shù)，打印出從底部到頂部的梯度仿生間隙結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。

圖1 靈感來源與樣件結(jié)構(gòu)：(a)蝎子腿的縫隙結(jié)構(gòu) (b)PISA樣件的仿生縫隙結(jié)構(gòu)

對PISA樣件進(jìn)行機(jī)械刺激產(chǎn)生彎曲變形，在上下兩個(gè)不同方向彎曲時(shí)，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(huì)由于電子隧穿效應(yīng)而相應(yīng)的減小或增大，如圖2(a)所示。除應(yīng)變傳感功能之外，PISA樣件同時(shí)擁有溫度傳感功能。當(dāng)樣件被加熱時(shí)，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(fù)。且當(dāng)溫度達(dá)到一個(gè)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(jī)械應(yīng)變傳感 (b)溫度傳感

研究人員還打印出手指結(jié)構(gòu)，用于驗(yàn)證PISA的主動(dòng)觸摸功能，如圖3所示。最初手指結(jié)構(gòu)被加熱彎曲并冷卻固定形狀，經(jīng)熱風(fēng)槍的加熱，手指逐漸伸直的同時(shí)阻值增大，觸摸到手機(jī)屏幕后，由于先增加后減小，使得手指結(jié)構(gòu)的阻值發(fā)生跳躍。PISA能夠主動(dòng)觸摸物體并獲得電阻信號反饋，從而形成主動(dòng)感知能力，促進(jìn)了未來傳感器-執(zhí)行器的融合。

圖3 主動(dòng)觸摸手指結(jié)構(gòu)及其主動(dòng)感知功能

參考文獻(xiàn)：
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