韓國中央大學(xué)融合3D打印與溶劑結(jié)晶技術(shù)，提升自供電觸覺傳感器效能

2025年1月5日，南極熊獲悉，韓國中央大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將3D打印技術(shù)與溶劑型結(jié)晶技術(shù)相結(jié)合，顯著提高了壓電和摩擦電觸覺傳感器的靈敏度和適應(yīng)性。這項(xiàng)研究突破了現(xiàn)有技術(shù)的局限性，為觸覺傳感器的未來發(fā)展開辟了新的道路。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《國際極限制造雜志》第7卷上，題目為“高靈敏度、自供電壓電和摩擦電觸覺傳感器的制造策略”（傳送門）

研究背景

壓電傳感器依賴于非中心對稱材料（如石英和PVDF）中的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生電壓，而摩擦電傳感器則依賴于接觸誘導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移。盡管這兩種傳感器在自供電功能和高靈敏度方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，但它的應(yīng)用范圍一直受限于材料的脆性和對環(huán)境條件的敏感性。

研究團(tuán)隊(duì)對壓電和摩擦電觸覺傳感器的制造策略進(jìn)行了全面的審視，專注于提升傳感器的靈敏度、靈活性和自供電能力。研究中考察了多種材料特性、制造工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)，以克服壓電材料的脆性和摩擦電傳感器的環(huán)境敏感性等挑戰(zhàn)。

Ryu教授強(qiáng)調(diào)：“我們提出的策略將有助于開發(fā)適用于機(jī)器人、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療保健系統(tǒng)的高性能傳感器�！�

△基于壓電和摩擦電的高靈敏度和自供電傳感應(yīng)用的示意圖

3D打印在觸覺傳感器領(lǐng)域取得的技術(shù)進(jìn)步

在智能系統(tǒng)中，壓電傳感器通過將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換為電信號，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。研究人員特別強(qiáng)調(diào)了通過摻雜、控制結(jié)晶度和集成復(fù)合材料來提高壓電常數(shù)的重要性。顯著的進(jìn)展包括采用無鉛陶瓷和聚合物混合物，制造出既柔性又環(huán)保、適合動(dòng)態(tài)應(yīng)用的傳感器。此外，將3D打印與基于溶劑的結(jié)晶技術(shù)相結(jié)合，已被證明能顯著提升這些傳感器的靈敏度和適應(yīng)性。

△基于摩擦電的距離和材料傳感器的制造策略

對于摩擦電傳感器，表面改性技術(shù)如等離子處理、微結(jié)構(gòu)化和介電常數(shù)優(yōu)化，已被用來增強(qiáng)性能。這些策略提升了電荷轉(zhuǎn)移效率，促進(jìn)了耐用、高輸出傳感器的開發(fā)。研究人員還展示了混合材料和納米結(jié)構(gòu)在保持靈活性和環(huán)境適應(yīng)性的同時(shí)，提高摩擦電性能的有效性。

這項(xiàng)研究是首批全面概述壓電和摩擦電觸覺傳感器制造策略的研究之一，強(qiáng)調(diào)了它們互補(bǔ)的優(yōu)勢。結(jié)果表明，創(chuàng)新材料工程與先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合對于制造能夠進(jìn)行多模態(tài)傳感和實(shí)時(shí)交互的傳感器至關(guān)重要。這種跨學(xué)科的方法有望擴(kuò)展觸覺傳感器在各行各業(yè)的應(yīng)用范圍。

△未來的觸覺傳感器需要在不規(guī)則形狀而非平面形狀下工作，以適應(yīng)可穿戴設(shè)備、醫(yī)療應(yīng)用和機(jī)器人應(yīng)用，因此需要傳感器形狀具有高度的自由度

利用AI優(yōu)化3D打印觸覺傳感器

研究還探討了將人工智能與觸覺傳感器結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高級數(shù)據(jù)處理和多刺激檢測的潛力。人工智能驅(qū)動(dòng)的觸覺輸入分析，例如紋理和壓力識別，能顯著提高設(shè)備的準(zhǔn)確性和功能性。這種集成預(yù)示著模仿人類感官能力并實(shí)現(xiàn)更高運(yùn)行效率的下一代傳感器的到來。

Ryu教授指出：“基于人工智能的多感官傳感器預(yù)計(jì)將為多個(gè)領(lǐng)域帶來創(chuàng)新進(jìn)步�！痹撗芯繛殚_發(fā)與人類需求無縫集成的智能系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，涵蓋從醫(yī)療監(jiān)測到機(jī)器人界面的應(yīng)用。