开元体育·(中国)官方网站黄永安教授、张帆副研究员团队《自然·通讯》:柔性空心微结构制造

作者:编辑:欧阳俊怡发布:2024-07-06点击量:

2024年7月3日,《Nature Communications》在线发表了题为“Marangoni-driven deterministic formation of softer, hollow microstructures for sensitivity-enhanced tactile system(基于马拉高尼效应的柔性空心微结构成形及触觉系统灵敏度增强应用)”的最新研究成果。黄永安教授团队提出了利用马拉高尼流驱动组装技术,制备了具有空心微结构的柔性薄膜,为三维微结构实现柔性压力传感器的高灵敏度、大量程性能开辟了新路径。

导读

随着人机交互、智能医疗等新兴领域的发展,机器人从基本的搬运,简单的协作,逐渐发展到需要与机器、人和环境交互的精细、复杂任务。机器触觉能够提供重要的触摸信息,比如在预接触/抓取下感知物体粗糙度/纹理/位移等微小压力变化。这在机器人顺应性操作中至关重要,但同时对柔性压力传感器的灵敏度/量程等性能也提出了高要求。当前,三维微结构已经在生物医疗监测、人机交互接口、机器人触觉和微飞行器等方面引起了研究者的广泛兴趣。而柔性压力传感器中间结构层的三维力学设计与其性能息息相关。目前研究者已通过各种微纳工艺,开发了多种多样的三维微结构,比如微金字塔、微柱、微球、微针或仿生物表面的微结构等。然而,受压时实心微结构在大压力下其压缩刚度急剧上升,导致基于实心微结构的压力传感器的高灵敏度容易限制在低压范围内,难以扩展至高压力范围。

面对上述挑战,黄永安教授团队提出了一种基于马拉高尼流驱动的成形方法,实现了具有空心微结构阵列的柔性薄膜制备。在聚合物溶液的倒模蒸发过程中,液体对流沉积使得模版中溶质颗粒的再组装与分布,促进了微结构内部空腔的成形。通过改变溶液体积和蒸发驱动的流动条件,实现了微结构内部从实心到空心的可控调节,最大空腔体积率超过90%。在受压时,空心微结构更软且内部的空腔坍缩有利于延缓结构硬化以及承受大变形。相比于实心微金字塔结构,基于空心微金字塔结构的压力传感器将灵敏度提升了10倍并具有更高的量程。此外,该方法通用性强,没有增加当前微结构薄膜的制备工艺复杂度,可实现空心微金字塔、空心微球、空心微柱等各种不同形状的阵列化制备,并推广应用于各种感压原理的柔性压力传感器。

基于马拉高尼流驱动组装的空心微结构成形过程


研究发现空心微结构的成形与聚合物残余溶质的分布有关,总结分析了空心微结构成形的关键因素:(1)溶液的蒸发厚度系数;(2)加热固化有利于促进蒸发驱动的流动,引发溶质向边缘运输,促进空腔的成形;(3)模板凹坑的尺寸。这三个因素实现了微金字塔结构的空心高度比从0(实心)到0.6(空心)的可控调节。给出了微金字塔内部空腔轮廓的拟合形貌方程与上述成形因素的确定关系,为空心微结构的量化设计提供了指导。

空心微金字塔结构的特征尺寸表征


探究对比了空心、实心微金字塔结构的力学压缩性能。实心微金字塔(h/H=0)随着压力的逐步增大,其刚度急剧上升,抑制了高灵敏度的扩展。相比之下,空心微金字塔(h/H>0)内部的空腔提供了缓冲空间,在受压力时经历了尖端溃缩、空腔坍缩和自挤压三个阶段,等效压缩刚度变化更加平缓。进一步研究了空心微金字塔结构的等效压缩刚度与其结构几何和材料参数的关系,分析了空腔占比对压缩性能的影响。

空心微金字塔结构的力学压缩性能


利用制备的空腔微金字塔阵列作为介电层,制备了柔性电容压力传感器。在同尺寸、材料参数下,空心金字塔相比实心金字塔微结构,灵敏度提升了近10倍,并且在较大压力时仍然保持较高的灵敏度。相较于采用各种先进、复杂的工艺来制备高深径比的针状微结构,本文采用的微金字塔虽然具有低深径比(0.7),但由于内部空腔的存在,在提高灵敏度和量程上具有明显的优势。此外,传感器在动态、静态和10 000循环载荷下,表现出了良好的稳定性、重复性和可靠性。最后,检测了柔性压力传感器在不同预载荷下对微小压力的感知能力,搭建结合视触觉的柔性压力感知系统,展示了在人体健康监测、机器触觉等方面的系统级应用场景。

空心微金字塔增敏的电容式柔性传感器感压性能


用于视触觉脉搏监测的柔性压力传感系统


这种简单、可扩展、大面积兼容的技术可用于制造各种几何形状的空心微结构,有望替代当前广泛使用的实心微结构,解决柔性压力传感器在高灵敏、大量程方面的长期挑战,并扩展到各种原理的柔性压力传感器(如压阻式、离子电容式、摩擦电式等)。这将在机器人触觉、表皮电子、光学超表面、机械智能计算等方面中有巨大的应用潜力。


作者与资助信息:

华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室为论文第一完成单位,华中科技大学机械学院熊文楠博士为本文的第一作者,黄永安教授、张帆副研究员为本文共同通讯作者,厉侃研究员、硕士生屈世源、殷黎婷参与了此项研究。本研究获国家自然科学基金、科学探索奖、湖北省科技创新团队等项目资助。


论文链接:

Xiong W, Zhang F, Qu S, Yin L, Li K, Huang YA. Marangoni-driven deterministic formation of softer, hollow microstructures for sensitivity-enhanced tactile system. Nat Commun 15, 5596 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49864-z

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