現(xiàn)在，全球越來越多的公司和研究小組正在開發(fā)基于復(fù)合材料的順應(yīng)性傳感器，該傳感器具有廣泛的可能應(yīng)用。由兩種或多種物質(zhì)制成的復(fù)合材料通常具有獨(dú)特且有利的特性，不同于其單個(gè)組件的特性。
過去的研究發(fā)現(xiàn)，包含聚合物基體和導(dǎo)電填料的復(fù)合材料對于順應(yīng)性傳感器的開發(fā)特別有希望，因?yàn)樗鼈兛梢源笠?guī)模印刷。由此類材料制成的傳感器的主要優(yōu)勢在于，它們可以集成在幾何復(fù)雜或靈活的系統(tǒng)中，例如可穿戴設(shè)備和軟機(jī)器人。
運(yùn)動學(xué)磁帶上“繪制”以測量肘部彎曲的傳感器。圖片來源：Kim等
耶魯大學(xué)的研究人員最近推出了一種方法，該方法可以可持續(xù)地制造用于軟機(jī)器人應(yīng)用的兼容傳感器。在《科學(xué)機(jī)器人》論文中提出的這種方法涉及使用基于乙醇的Pickering乳劑，該乳劑會自發(fā)凝結(jié)，形成一種導(dǎo)電復(fù)合材料，可以輕松地將其印刷在軟機(jī)器人系統(tǒng)上。
研究人員在論文中寫道：“印刷復(fù)合材料通常需要使用甲苯或環(huán)己烷之類的溶劑來溶解聚合物樹脂，并使該材料稀薄至可印刷的粘度。” “但是，這類溶劑會引起大多數(shù)聚合物基材的溶脹和分解，限制了復(fù)合材料的使用。此外，許多常規(guī)溶劑是有毒的，否則會危害健康。”
比較了在氣球上“涂裝”乙醇承載的乳液和常規(guī)有毒溶劑承載的乳液。有毒乳液會使氣球彈出。
圖片來源：Kim等
圖片來源：Kim等
意識到嘗試使用溶劑打印復(fù)合材料時(shí)遇到的挑戰(zhàn)，耶魯大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種新方法，可以使傳感器的生產(chǎn)更加有效和可持續(xù)。他們開發(fā)的策略基于使用乙醇基的Pickering乳液，該乳液會自發(fā)凝結(jié)，形成一種導(dǎo)電復(fù)合材料，可以將其印刷到不同類型的傳感器中。
研究人員在論文中寫道：“ Pickering乳液由被乙醇載體中的導(dǎo)電納米顆粒穩(wěn)定的乳化聚合物前體組成。” “在乙醇蒸發(fā)后，前體被釋放，然后在納米顆粒網(wǎng)絡(luò)中聚結(jié)并與大氣中的水分自發(fā)聚合。”
他們確定了新的傳感器制造策略后，研究人員便將自凝結(jié)的Pickering乳液印刷到許多聚合物系統(tǒng)中，包括傳統(tǒng)的紡織材料和軟致動器。他們使用的導(dǎo)電物質(zhì)賦予這些系統(tǒng)感應(yīng)功能，從而產(chǎn)生了不同類型的順應(yīng)性傳感器。
到目前為止，研究人員已經(jīng)使用他們的制造方法來制造注入復(fù)合材料的運(yùn)動學(xué)膠帶，護(hù)膝和棉手套。他們還采用了相同的策略來制造柔軟的機(jī)器人皮膚，稱為OmniSkins，方法是在平紋細(xì)布織物上印刷導(dǎo)電乳劑并在其上連接執(zhí)行器。
在初步測試中，研究人員開發(fā)的基于Pickering乳液的傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了卓越的應(yīng)變敏感性和可忽略的磁滯，這對于大多數(shù)可穿戴技術(shù)和軟機(jī)器人應(yīng)用而言都是非常理想的特性。將來，最新論文中介紹的新制造策略可以使創(chuàng)新和高性能傳感技術(shù)（包括柔軟的機(jī)器人皮膚和具有傳感功能的衣物）更加可持續(xù)地發(fā)展。
