Récemment,L'équipe de Yang canhui, du Département de mécanique et de Génie aérospatial de l'Université des sciences et technologies du Sud, en collaboration avec l'équipe de gezi, du Département de génie mécanique et énergétique, dans Nature CommunicationsPublié sous le titre"Capteurs ionotroniques à base d'élastomères polyélectrolytes avec des capacités de détection multi-mode via l'impression 3D multi-matériau"Le papier, rapporté parTechnologie d'impression 3D photopolymérisée numérique Multi - matériaux conception tout - en - un fabrication de capteurs capacitifs ioniques à détection multimodale à base d'élastomère polyélectrolyte- Oui.

Au cours de la dernière décennie, les dispositifs hors tension (ionotronics ou ionotronics, dispositifs hybrides Ion - électron, c’est - à - dire basés sur la synergie des ions et des électrons) ont attiré de plus en plus l’attention en raison de leurs avantages intrinsèques de flexibilité, d’extensibilité, de transparence optique et de biocompatibilité. Cependant, les capteurs hors tension existants, en raison de la structure simple du dispositif et de la composition sujette aux fuites, entraînent une mauvaise stabilité du dispositif et une fonction de détection unique, ce qui limite considérablement les applications pratiques. Par conséquent, la conception et la fabrication de capteurs hors tension avec des performances stables et des capacités de détection multimodales ont une valeur d'application technique importante. L'étude a résolu le problème de la mauvaise stabilité et de la fonctionnalité unique des capteurs hors tension traditionnels, offrant de nouvelles solutions pour la conception, la fabrication intelligente et l'application de capteurs hors tension extensibles.

Figure 1.Capteur électrostatique multimodal inspiré de la peau (A) Représentation schématique de plusieurs récepteurs de force dans la peau humaine (b) la peau humaine peut percevoir un seul signal mécanique tel que la traction par pression, la pression, la pression + cisaillement, la pression + torsion (c) un capteur électrostatique multimodal doté de capacités de détection multimodales est préparé sur la base de la technologie d'impression 3D numérique photopolymérisée Multi - matériaux.

Comme le montre la figure 1, inspirés par la capacité multimodale de la peau humaine à percevoir des forces externes telles que la traction, la pression, la torsion et leurs combinaisons, les chercheurs ont utilisé la technologie d’impression 3D DLP (Digital Light Processing) Multi - matériaux pour produire des capteurs hors tension dotés de capacités de détection multimodales. Le capteur utilise un élastomère polyélectrolyte (PEE) dont le réseau macromoléculaire contient des anions ou des cations fixes, ainsi que des contre - ions mobiles qui ont des propriétés de résistance aux fuites ioniques. Lors de l'impression, une liaison interfaciale solide est formée entre le matériau PEE et le matériau élastomère diélectrique (de) sur le capteur par des interconnexions covalentes et topologiques.

Figure 2.Conception, préparation et propriétés optiques, mécaniques, électriques et stabilité thermique et solvant des élastomères polyélectrolytes.

Les chercheurs ont d’abord synthétisé un monomère appelé 1 - butyl - 3 - méthylimidazole 134 - 3 - sulfopropylacrylate (BS) comme l’un des composants constitutifs du matériau polyélectrolyte et l’ont copolymérisé avec un autre monomère hydrophobe appelé MEA. Les propriétés mécaniques et électriques du matériau polyélectrolyte sont alors équilibrées en optimisant les proportions de BS et de Mea, ce qui permet d'optimiser les performances du capteur, comme illustré sur la figure 2.

Figure 3.Détection hors tensionBattable de l'appareilImpression et performances (A) Courbes de variation du module de stockage et du module de perte du PEE en fonction du temps de photopolymérisation (b) Courbes de variation du temps de polymérisation en fonction de la densité d'énergie en fonction de l'épaisseur de la couche (c) affichage de matrices de PEE imprimées (d) Courbes de dénudage à 180° de structures bicouches PEE / de imprimées en 3D et assemblées manuellement (e) schéma de rupture de corps de structures bicouches PEE / de imprimées en 3D (f) schéma de rupture d'interface de structures bicouches PEE / de assemblées manuellement (g) Courbes de variation de Delta C / c0 en fonction du temps pour les capteurs capacitifs à base de PEE et d'élastomères à base d'ions dopés litfsi (h)capteur capacitif à base de PEE sans fuite ionique (i) Représentation schématique de la fuite ionique d'un capteur capacitif à base d'élastomère à ions dopés litfsi.

Comme le montre la figure 3, les chercheurs ont effectué des tests photorhéologiques pour vérifier l'imprimabilité du matériau PEE développé. La résistance au collage Interfacial des structures bicouches PEE / de imprimées en 3D et assemblées manuellement a ensuite été mesurée séparément par un test de pelage à 180°. Les résultats ont montré que la structure bicouche imprimée en 3D avait une interface robuste en raison des liaisons covalentes et des enchevêtrements topologiques formés entre le PEE et le de, et que le processus de pelage a entraîné une rupture de masse du matériau PEE avec des énergies de collage allant jusqu'à 339,3 J / m.²; en revanche, l'interface de la structure à double couche PEE / de Assemblée manuellement est faible, le processus de pelage a subi une rupture de l'interface et l'énergie de collage est seulement de 4,1 J / M²Dans les tests d'endurance, les capteurs capacitifs à base de PEE peuvent maintenir un signal stable pendant une longue période en raison de l'absence de fuite ionique, tandis que les capteurs à base d'élastomères à ions dopés litfsi traditionnels subissent une dérive continue du signal jusqu'à ce qu'un court - circuit se produise en raison de la fuite ionique.

Figure 4. tension, compression, cisaillement, torsion capteur électrostatique (A) schéma de principe du capteur de traction (b) courbe de déformation Capacitive en traction (c) schéma de principe du capteur de compression (d) courbe Capacitive en tension du capteur de pression avec / sans Microstructure (e) cisaillementTransmissionLe SensorSchéma de principe (f) schéma physique d'un capteur de cisaillement (g) courbe de déformation Capacitive en cisaillement d'un capteur de cisaillement de sensibilité différente (h) courbe d'essai de fatigue d'un capteur de cisaillement (i) schéma de principe d'un capteur de torsion (j) schéma de principe d'un capteur de torsionappareilréelDiagramme des objets (k) courbes d'angle de torsion capacitif pour capteurs de torsion de sensibilités différentes (l) courbes d'essai de fatigue pour capteurs de torsion.

La technologie d'impression 3D offre une grande flexibilité dans la conception structurelle des dispositifs. Comme le montre la figure 4, les chercheurs ont conçu et imprimé séparément quatre capteurs différents hors tension en traction, compression, cisaillement et torsion, tous dotés de bonnes performances et d'une bonne stabilité. En particulier, grâce à la conception structurelle du dispositif, c'est - à - dire qu'une optimisation importante de la sensibilité du capteur peut être réalisée, par example par l'introduction de microstructures dans la couche d'élastomère diélectrique du capteur comprimé, ce qui permet d'augmenter la sensibilité de deux ordres de grandeur, mais également par la régulation à la demande de la sensibilité du capteur, par example par la conception de lignes de contour de l'extrémité avant du capteur de cisaillement ou par le nombre de secteurs du capteur de torsion, ce qui permet de réaliser respectivement des capteurs de cisail

Figure 5.Capteur combiné hors tension (A) schéma du capteur combiné de traction (b) schéma physique du dispositif (c) Schéma électrique équivalent du capteur combiné de traction (d) signal du dispositif en mode de détection unique (e) courbe de variation de la capacité au tour sous excitation de compression (f) courbe de variation de La capacité au tour sous excitation de traction (g) spectre du signal sous déformation combinée de traction (h) diagramme du capteur combiné de cisaillement de pressionIntention (i)Schéma physique du dispositif (j) schéma du circuit équivalent du capteur combiné à cisaillement de pression (k) signal du dispositif en mode de détection unique (l) schéma du capteur combiné à torsion de pression (m) schéma du dispositif (n) schéma du circuit équivalent du capteur combiné à torsion de pression (o) Signal du dispositif en mode de détection unique.

Comme le montre la figure 5, les chercheurs ont en outre conçu et imprimé en une seule pièce trois capteurs hors tension combinés de traction, de cisaillement à pression et de torsion à pression. L'un des défis des capteurs combinés réside dans la diaphonie des signaux entre les différentes voies de détection, par example lorsque le dispositif est étiré, une réduction de la géométrie du dispositif dans la direction verticale due à l'effet poisson du matériau, équivalente à une déformation en compression, entraînant une excitation en traction provoquant une variation du signal du canal comprimé. En combinaison avec l'analyse analogique par éléments finis, les chercheurs ont efficacement évité la diaphonie du signal entre les différents canaux grâce à une conception rationnelle de la structure du dispositif.

Figure 6 capteur de décharge combiné pour la manipulation sans fil à longue distance du drone (A) schéma du système de commande du drone (b) schéma du mode de fonctionnement du module de détection de cisaillement dans le capteur de décharge combiné (c) Principe de fonctionnement du module de détection de cisaillement (d) test du signal capacitif à cinq canaux du capteur (e) logique de compilation des instructions (f) Signal capacitif en temps réel du capteur de décharge combiné (g) vol du drone à différents momentsÉtat.

Enfin, les chercheurs ont montré une unité de télécommande portable composée de quatre capteurs de cisaillement et d’un capteur de compression et l’ont connecté à un système de contrôle à distance pour contrôler le vol du drone sans fil à distance, comme le montre la figure 6. Les quatre capteurs de cisaillement de cette télécommande portable sont chargés de détecter les mouvements des doigts dans la main et sont utilisés pour contrôler la direction du drone. Tandis que les capteurs de compression sont utilisés pour détecter la pression des doigts et contrôler le renversement du drone. La conception de cette unité de télécommande portable permet une interaction homme - machine, offrant un moyen plus flexible de contrôle.