中国科学技术大学:进料拉伸打印技术实现具有高界面韧性和宽线性范围的单片集成柔性传感器

柔性传感器已成为可穿戴健康监测、运动分析和机器人操作等新兴应用领域不可或缺的组件。在实际应用中,这些设备需要在高度动态且机械应力苛刻的条件下可靠运行。例如,在高强度运动过程中,可穿戴传感器既要紧密贴合快速形变的皮肤,又要承受高频冲击和剪切力。在此类条件下,即使是微小的界面退化也可能导致信号漂移甚至传感器完全脱落。机器人系统也面临类似的挑战:可靠的抓取与操作要求执行器与传感单元之间实现无缝的机械耦合,以确保在非结构化环境中保持稳定的力感知。这些严苛的应用场景对传感器提出了高灵敏度、机械鲁棒性以及单体多材料集成能力的要求。然而,满足这些要求极具挑战性,因为灵敏度的提升往往会牺牲鲁棒性,且现有的制造策略难以实现高灵敏度传感器与功能组件的无缝集成,从而无法保证系统级的稳定性。

引入微结构是提高灵敏度的常用策略之一。例如,泡沫状多孔结构能有效降低平行电极间的有效杨氏模量,进而提升灵敏度。然而,单一的多孔特性往往难以实现精确的可调性。相比之下,具有明确几何形状的微结构(如立方体、圆柱体、半球体、棱锥体或圆锥体)在受压时能呈现可预测的形变模式,从而实现灵敏度的可控调节。不过,这些结构大多依赖于基于模板的成型工艺,涉及模具制作和脱模等步骤,这不仅增加了制造复杂度和成本,还阻碍了结构与电极之间形成牢固的化学键合。另一种策略是在介电基体中掺入导电填料;这种方法既避免了复杂的成型工艺,又能提高介电常数并提升灵敏度。然而,该方法对界面韧性的提升有限,因为层间显著的模量失配使得界面在复杂形变下极易发生分层。总体而言,上述两种策略通常将介电层与电极层分别制备后再进行组装,而较弱的界面粘附力往往导致信号不稳定,并在循环加载过程中引发过早失效。在实际应用场景中,界面韧性不足可能成为制约灵敏度优化与设备可靠性的关键瓶颈。因此,提高界面韧性对于软体器件的可靠性至关重要。传统的策略(如使用粘合剂和结构增强)主要依赖于物理结合或机械互锁。尽管这些方法在初期有效,但往往会引入具有显著不同力学性能的材料,从而产生模量失配;这种失配会导致应力集中,并在动态变形下加速疲劳失效。为了缓解这些力学差异,研究人员开发了包括表面活化和共价交联在内的化学策略,以实现分子层面的连续性,从而将界面韧性大幅提升至高达 390 J m⁻² 的水平。虽然已有研究探索了原位固化或粘合的微结构界面,旨在将这些优势扩展至结构化表面,但此类方法仍局限于模板定义的几何形状或低纵横比的层状结构。如何将高纵横比微锥结构的无模板制造与界面共固化工艺相结合,依然是一项挑战。

此外,实际应用对系统层面提出了严格要求,需要结构紧凑且可直接部署的器件,其中传感器必须与执行器或可穿戴组件等外部模块实现力学耦合。近期在多模态软体传感器解耦策略及集成式独立传感系统方面取得的进展,进一步凸显了在系统层面实现力学与电学无缝集成的必要性。随着软体传感器向多模态功能和可直接部署的独立系统方向发展,这些集成要求变得愈发严格,而各功能层之间可靠的力学与电学稳定性则是实现这一切的基石。然而,目前尚缺乏一种能够同时实现可编程微结构几何形状、高界面韧性以及多材料整体集成的制造策略。

 


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