南加州大学赵航波课题组Sci Adv: 基于三维折纸的可拉伸应变传感器

一、 【导读】  

可拉伸的应变传感器在可穿戴电子设备、义肢以及柔性机器人等多个领域都有重要应用，比如运动监测、生物医学、柔性机器人的感知和控制。具有高应变范围、小迟滞和快速响应速度的应变传感器可以用于精确测量物体的大范围动态变形。目前，大部分可拉伸的应变传感器是基于可拉伸的导电材料(比如导电聚合物、液态金属等) 用于电阻式或者电容式传感。尽管这些传感器可以实现较大的拉伸性，但也表现出较大的电机械迟滞、较慢的反应和恢复速度、缺乏长期稳定性等缺点。

二、【成果掠影】

美国南加州大学航空与机械系赵航波课题组报道了一种新型可拉伸的电容式应变传感器，在实现高拉伸性(200%应变)的同时有极低的迟滞(1.2%)以及应变反应时间(低于22毫秒)。这种新型传感器还能测量压缩应变，同时具有微小的传感区域(约5 mm2)来精确测量局部应变，对应变还有方向性的电容变化。相关成果以“High-stretchability and low-hysteresis strain sensors using origami-inspired 3D mesostructures”为题发表在Science Advances上。

 三、【核心创新点】

该研究的传感器设计受折纸艺术的启发，采用了三维微电极结构进行电容式传感，通过机械引导组装工艺制造而成。这种传感器设计可以将大的弹性基底变形转化为三维电极的折叠，从而引起三维电极之间的电容变化。这种折叠-展开的弹性变形具有高度可逆性，从而同时实现大拉伸范围、小迟滞和快速响应。

 四、【数据概览】

图1  受折纸启发的三维电容式应变传感器的设计、传感原理和构造。 © 2023 AAAS

图2  基本传感器结构设计以及传感器形成和拉伸的力学特性。 ©2023 AAAS

图3  传感器拉伸测试以及不同传感器结构的性能表征曲线。 © 2023 AAAS

视频： 应变传感器在拉伸时的电容变化响应。

图4  传感器性能的表征包括响应和恢复时间、应变速率、应变分辨率以及传感器的重复性能。 © 2023 AAAS

图5  传感器在测量柔性臂的形变上的应用。 © 2023 AAAS

五、【成果启示】

该研究提出了将三维可折叠电极与弹性基底集成用于电容式应变感知的设计概念和方法。作者展示了在可拉伸基底上电极的可逆折叠/展开使得传感器在大应变范围内具有极小的迟滞以及快速的响应。这种微型柔性传感器非常适用于通过简单的粘贴过程准确测量目标物体的局部变形，在柔性机器人、可穿戴和可植入电子等领域都有潜在应用。

原文详情：Huang et al., High-stretchability and low-hysteresis strain sensors using origami-inspired 3D mesostructures. Sci. Adv. 9, eadh9799 (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh9799

本文由Xinghao Huang供稿