可打印、可拉伸导电弹性体用于高保真监测动态应变(2)
时间：2022-08-23 09:08 来源：生物打印与再生工程 作者：admin 阅读：次
3.导电弹性体的导电性
除了使用导电复合材料进行应变感测之外，该团队研究了打印在不同聚合物基底上的导电墨水的导电性，发现以PDMS为基底的导电材料具有最高的导电性。该团队制备了EA墨水(包含银片填料和Ecoflex基质)和PA墨水(包含银片填料和PDMS基质)，并分别将它们打印在Ecoflex、PDMS、聚酰亚胺(PI)、铝(Al)、特氟隆和玻璃的不同基底上。实验结果如图3a所示，打印在PDMS基材上的EA墨水和PA墨水的电导率达到最高值，而打印其他基底上的导电墨水的电导率接近于零。如图3b，该团队通过将导电墨水打印在接触面不同的基底上制备不同的的导电弹性体，具有PDMS基板的EAP和EAEP的电导率（分别为4527 S cm-1和5110 S cm-1）远高于EAE和EAPE（分别为111 S cm-1和275 S cm-1），表明导电弹性体的导电性是由主基底而不是墨水膜下的接触材料决定的。
为了解释上述导电机理，该团队假设不同的基材在导电墨水的热固化过程中具有不同的膨胀和收缩行为，这可能导致填充在导电墨水中的银薄片的不同自组装。为了验证这一假设，该团队分别监测了在三种基板（Ecoflex，PDMS，PI）上的EA薄膜在其热固化过程中的膨胀速率。实验结果如图3c所示，PDMS和Ecoflex基板上的EA薄膜在随温度升高逐渐膨胀，并在冷却过程中收缩到原始宽度，这使得未固化的银片紧密聚集进行精细的自组装，从而产生了更多的接触和量子导电结。因此，PDMS基板在固化过程的早期阶段的热膨胀和收缩促进了Ag薄片的自组装，并有助于提高导电弹性体的导电性。总体而言， EAP具有高导电性，良好的拉伸性与电力学性能，可以成为出色的可拉伸导体和可拉伸传感器。
图3 导电弹性体的电导率
4.Ag-Ecoflex-PDMS导电弹性体的应用
为了验证所提出的EAP的功能，该团队通过以PDMS为基底打印EA薄膜来制造应变传感器。如图4b，与打印在PDMS基底上的单根导线相比，该传感器对应变表现出显著的电阻响应，而导线表现出较小的电阻和较低的应变响应，这表明具有不同银含量的EAP弹性体可以可控地制作成为个性化的可拉伸应变传感器和可拉伸导体。
图4 使用所提出的可拉伸导电弹性体的动态监测应用
该团队用含有银含量为72.0%的EA薄膜的EAP弹性体开发了可拉伸应变传感器，用来监控人行走和跑步期间的膝盖运动。受试者以不同速度（4、6和8 km h-1）行走和跑步时的步幅和频率如图4d所示。图4e所示为佩戴在受试者膝盖上的EAP应变传感器监测到的膝盖运动，其中人类步态轮廓的细节被明确识别，并且与由肢体运动捕捉系统检测到的受试者膝盖的实际关节角度 (图4f)非常一致。使用EAP传感器监测的膝盖运动的信号保真度对于左膝高达0.955，对于右膝高达0.904。
除此之外，该团队用EAP应变传感器实现了人机合作打乒乓球。如图5c所示，在肘部佩戴EAP应变传感器的受试者利用应变传感器实时操纵机械臂，机器人手臂与受试者手臂同步运动并成功地接住并送回了乒乓球。以上结果表明，该研究所提出的EAP导电弹性体能够胜任人机协作中同步运动的精细控制。
图5 使用所提出的的可拉伸导电弹性体的人机协作应用
总结与展望
该研究深入探讨了可拉伸导电弹性体在监测动态应变中的信号失真问题。提出的Ag-Ecoflex-PDMS导电弹性体，可有效地抑制导电活性材料中导电通路沿横向和纵向的不协调动态行为，从而获得小过冲和高灵敏度。同时该团队证明了所提出的导电弹性体的应变滞后可以通过深度学习动态标定方法得到有效消除，为制造具有更优动态性能的可拉伸应变传感器提供了一种有效的方法。另一方面，该研究还表明，Ag-Ecoflex-PDMS弹性体在导电墨水热固化过程中由于PDMS基底的热膨胀和收缩获得了高电导率，因此可以作为优异的可拉伸导体。在演示实验中，Ag-Ecoflex-PDMS导电弹性体表现出非常高的保真度（>0.9），并且能够准确捕获关键物理标志。该研究所制作的可拉伸应变传感器具有优异的动态监测性能，可以为可拉伸导电材料在监测人类活动，人机交互和协作，虚拟现实等方面的实际应用铺平道路。
(责任编辑：admin)
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