南加州大學趙航波課題組Sci Adv: 基于三維折紙的可拉伸應變傳感器

一、?【導讀】 ?

可拉伸的應變傳感器在可穿戴電子設備、義肢以及柔性機器人等多個領域都有重要應用，比如運動監測、生物醫學、柔性機器人的感知和控制。具有高應變范圍、小遲滯和快速響應速度的應變傳感器可以用于精確測量物體的大范圍動態變形。目前，大部分可拉伸的應變傳感器是基于可拉伸的導電材料(比如導電聚合物、液態金屬等) 用于電阻式或者電容式傳感。盡管這些傳感器可以實現較大的拉伸性，但也表現出較大的電機械遲滯、較慢的反應和恢復速度、缺乏長期穩定性等缺點。

二、【成果掠影】

美國南加州大學航空與機械系趙航波課題組報道了一種新型可拉伸的電容式應變傳感器，在實現高拉伸性(200%應變)的同時有極低的遲滯(1.2%)以及應變反應時間(低于22毫秒)。這種新型傳感器還能測量壓縮應變，同時具有微小的傳感區域(約5 mm2)來精確測量局部應變，對應變還有方向性的電容變化。相關成果以“High-stretchability and low-hysteresis strain sensors using origami-inspired 3D mesostructures”為題發表在Science Advances上。

?三、【核心創新點】

該研究的傳感器設計受折紙藝術的啟發，采用了三維微電極結構進行電容式傳感，通過機械引導組裝工藝制造而成。這種傳感器設計可以將大的彈性基底變形轉化為三維電極的折疊，從而引起三維電極之間的電容變化。這種折疊-展開的彈性變形具有高度可逆性，從而同時實現大拉伸范圍、小遲滯和快速響應。

?四、【數據概覽】

圖1 ?受折紙啟發的三維電容式應變傳感器的設計、傳感原理和構造。???2023 AAAS

圖2 ?基本傳感器結構設計以及傳感器形成和拉伸的力學特性。 ?2023 AAAS

圖3 ?傳感器拉伸測試以及不同傳感器結構的性能表征曲線。???2023 AAAS

視頻： 應變傳感器在拉伸時的電容變化響應。

圖4??傳感器性能的表征包括響應和恢復時間、應變速率、應變分辨率以及傳感器的重復性能。???2023 AAAS

圖5??傳感器在測量柔性臂的形變上的應用。???2023 AAAS

五、【成果啟示】

該研究提出了將三維可折疊電極與彈性基底集成用于電容式應變感知的設計概念和方法。作者展示了在可拉伸基底上電極的可逆折疊/展開使得傳感器在大應變范圍內具有極小的遲滯以及快速的響應。這種微型柔性傳感器非常適用于通過簡單的粘貼過程準確測量目標物體的局部變形，在柔性機器人、可穿戴和可植入電子等領域都有潛在應用。

原文詳情：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