中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
超構(gòu)材料因其超常的機械、物理、化學特性，在諸多領(lǐng)域具有重要的應用前景，但是如何將超構(gòu)材料融入傳感器件并實現(xiàn)超乎尋常的感知性能一直是柔性傳感領(lǐng)域的難點。為解決這一問題，華中科技大學機械學院吳豪團隊提出了彈性體薄膜泊松比調(diào)控新方法，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)控制彈性體薄膜的泊松比。基于此方法制備的具有零泊松比超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的柔性傳感器能夠獨立感知雙軸信號。近日，上述相關(guān)成果“Flexible sensors with zero Poisson’s ratio（零泊松比柔性傳感器）”發(fā)表于《國家科學評論》（National Science Review, NSR），華中科技大學機械學院博士生黃鑫為論文第一作者，吳豪教授為通訊作者。
這項工作將常見的正泊松比結(jié)構(gòu)和負泊松比結(jié)構(gòu)的特點進行融合，并通過結(jié)構(gòu)特征的調(diào)節(jié)實現(xiàn)彈性體薄膜泊松比的控制，制備出具有零泊松比的柔性薄膜。同時，這種零泊松比結(jié)構(gòu)構(gòu)筑了僅對單軸應變靈敏的傳感區(qū)域，在這些傳感區(qū)域設(shè)計波浪形的應力集中結(jié)構(gòu)增強傳感靈敏度的同時進一步增強對其他軸信號的抗干擾特性。通過有限元方法分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下薄膜的泊松比，從而優(yōu)化分析出能夠?qū)崿F(xiàn)零泊松比的最佳參數(shù)。
零泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
在單軸拉伸下，零泊松比薄膜中垂直于拉伸軸的傳感單元承受局部應變近乎為零且不隨整體拉伸應變的變化而變化。在雙軸拉伸下，零泊松比薄膜的X軸傳感單元的局部應變僅受X軸整體應變的影響，不同的Y軸整體應變對X軸傳感單元的局部應變沒有影響，從而實現(xiàn)對雙軸信號的解耦感知。
零泊松比傳感器性能表征
為了驗證零泊松比傳感器對雙軸信號的感知能力，文中演示了貼附有該傳感器的機械手抓取紙杯過程中的接觸力變化。在抓取過程中，紙杯和機械手接觸面的曲率會發(fā)生較大變化。對零泊松比傳感器來說，這種曲率變化對垂直于彎曲方向的傳感單元的影響很小，因此零泊松比傳感器能夠準確檢測抓取紙杯過程中的接觸力。然而，對不具有零泊松比結(jié)構(gòu)的普通柔性傳感器來說，這種曲率變化對雙軸傳感單元均有較大影響，導致抓取接觸力的錯誤感知。同時，貼附在仿生四指機械手上的零泊松比傳感器能夠準確區(qū)分機械手的正常工作和碰到障礙物狀態(tài)，進一步證實零泊松比傳感器具有在復雜大變形條件下準確感知觸覺信號的能力。
零泊松比傳感器對抓握接觸力的感知
另一方面，將零泊松比傳感器貼附在熱驅(qū)動軟體機器人上進一步檢驗傳感器對雙軸彎曲信號的獨立感知。該傳感器能夠準確感知軟體機器人分別沿X軸和Y軸的運動距離，最終合成機器人整體的運動距離和方向，證明該傳感器能夠為軟體機器人提供自身形變和運動狀態(tài)的準確感知。
零泊松比傳感器感知軟機器人運動狀態(tài)
