AFM: 3D打印高性能石墨烯壓力傳感器

來源： Engineering ForLife

近年來，如何提高智能機(jī)器人的感知和操縱性能得到了科研人員的廣泛關(guān)注，然而迄今為止，大多數(shù)模擬皮膚壓力傳感的材料都沒有達(dá)到與人體皮膚相當(dāng)?shù)膲毫�傳感范圍。目前具有較低檢測極限和較廣檢測范圍的壓力傳感器開發(fā)仍然是一項重大挑戰(zhàn)。

近期，來自蘇州大學(xué)江林教授團(tuán)隊在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Beyond Skin Pressure Sensing: 3D Printed Laminated Graphene Pressure Sensing Material Combines Extremely Low Detection Limits with Wide Detection Range”的文章，介紹了一種可以通過3D打印的石墨烯壓力傳感材料（圖1）。

圖1 3D打印石墨烯壓力傳感材料

首先研究人員使用改進(jìn)的Hummers方法制備了GO納米片，并通過抗壞血酸來還原GO懸浮液，然后將懸浮液與卡波姆膠均勻混合，通過滴加NaOH來調(diào)節(jié)溶液的流變性，最后經(jīng)過凝膠化獲得了H-RGO油墨（圖2a）。流變測試結(jié)果表明，不同石墨烯負(fù)載量的H-RGO油墨具有明顯的剪切變稀性能（圖2b），在合適的壓力下可以通過噴嘴平穩(wěn)地擠出。此外材料的儲能模量和損耗模量結(jié)果也表明H-RGO油墨的形狀保持性和穩(wěn)定性也較好（圖2c, d）。最后研究人員通過優(yōu)化打印參數(shù)，展示了H-RGO油墨的3D打印效果（圖2e,f,g）。

圖2 H-RGO油墨的制備及流變性能表征

隨后研究人員用液氮處理打印的樣品然后進(jìn)行冷凍干燥，并在400度下退火30分鐘來改善石墨烯的還原度和電學(xué)性能，從而獲得了具有微孔結(jié)構(gòu)的石墨烯材料。此外，研究人員還對樣品進(jìn)行了PDMS涂覆處理以進(jìn)一步提高材料的壓縮穩(wěn)定性。

為了模擬人體皮膚雙機(jī)械感受器的協(xié)同作用，研究人員使用兩種不同石墨烯含量的H-RGO墨水3D打印了雙層石墨烯結(jié)構(gòu)（圖1d），其中低濃度石墨烯結(jié)構(gòu)處理后，微孔具有較薄的壁厚，高濃度石墨烯結(jié)構(gòu)處理后，微孔具有較厚的壁厚（圖1e）。有限元模擬結(jié)果表明，在不同的壓力作用下，頂層薄壁石墨烯結(jié)構(gòu)和底層厚壁石墨烯結(jié)構(gòu)的壓電響應(yīng)特性具有較好的協(xié)同作用（圖3a），且恒定壓力下的電流-電壓曲線表明該雙層石墨烯結(jié)構(gòu)符合歐姆定律（圖3b），結(jié)合這個特性，研究人員進(jìn)行了壓力與電流的變化測試，結(jié)果表明該雙層石墨烯結(jié)構(gòu)具有較低的壓力檢測極限和較高的靈敏度，且具有較廣的壓力檢測范圍（圖3c,d,e,f）和較好的循環(huán)穩(wěn)定性（圖3g）。

圖3 雙層石墨烯結(jié)構(gòu)性能表征

最后研究人員使用了上述雙層石墨烯結(jié)構(gòu)制備了5×5柔性壓力傳感器陣列，并通過字母來驗證傳感器陣列的空間壓力分布的檢測能力，結(jié)果顯示，局部壓力的分布圖與字母樣本形狀保持了良好的一致（圖3h）。此外研究人員還基于該石墨烯傳感結(jié)構(gòu)制作了一種壓力感應(yīng)皮膚，能夠定量地檢測和顯示各種物體的重量（圖4）。

圖4 雙層石墨烯結(jié)構(gòu)定量檢測裝置

綜上，研究人員設(shè)計和制造了一種雙層石墨烯壓力傳感結(jié)構(gòu)，其具備較低的壓力檢測極限和較廣的壓力檢測范圍，且穩(wěn)定性較好，通過與3D打印技術(shù)相結(jié)合，未來有望為智能機(jī)器人的高性能壓力傳感開發(fā)提供一種有效途徑。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adfm.202202360