具有仿生梯度缝隙的4D打印应变自感应和温度自感应集成传感致动器

供稿人：闫万权、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

集成多功能材料具有重量轻、性能稳定等特点，且在制造过程中通常更省时、更具成本效益。然而，通过传统制造工艺将集成多功能材料用来制造具有复杂内部结构或仿生多功能结构仍存在很大的难度。3D打印技术的出现，为集成多功能材料的生产制造提供了新的思路。特别是其中4D打印技术将可以将刺激响应材料与3D打印工艺相结合，提供了一种一体化成型可编程智能材料结构的方式。其中，华中科技大学的科研团队通过FDM打印工艺使用兼具形状记忆与压阻性能的炭黑(CB)-聚乳酸(PLA)复合多功能材料打印仿生缝隙结构，得到具有双功能传感和自传感驱动集成传感-致动器（PISA）的方法。

研究人员从蝎子腿部的缝隙结构获得灵感，如图1(a)所示，蝎子腿部的缝隙可以感知微小的机械刺激，以检测猎物。研究人员通过4D打印技术打印PISA样件，且通过设置打印参数，打印出从底部到顶部的梯度仿生间隙结构，如图1(b)所示。

图1 灵感来源与样件结构：(a)蝎子腿的缝隙结构 (b)PISA样件的仿生缝隙结构

对PISA样件进行机械刺激产生弯曲变形，在上下两个不同方向弯曲时，可以使线间间隙减小而接触或增大而分离，PISA样件的电阻则会由于电子隧穿效应而相应的减小或增大，如图2(a)所示。除应变传感功能之外，PISA样件同时拥有温度传感功能。当样件被加热时，PLA基体材料的膨胀使得炭黑颗粒间距增大，宏观电阻增大，冷却后可恢复。且当温度达到一个阈值后，部分缝隙由于膨胀后接触，样件组织将再度下降，如图2(b)所示。

(a)

(b)

图2 传感功能：(a)机械应变传感 (b)温度传感

研究人员还打印出手指结构，用于验证PISA的主动触摸功能，如图3所示。最初手指结构被加热弯曲并冷却固定形状，经热风枪的加热，手指逐渐伸直的同时阻值增大，触摸到手机屏幕后，由于先增加后减小，使得手指结构的阻值发生跳跃。PISA能够主动触摸物体并获得电阻信号反馈，从而形成主动感知能力，促进了未来传感器-执行器的融合。

图3 主动触摸手指结构及其主动感知功能

参考文献：
DB. Chen, QP. Liu, ZW Han, et al. 4D Printing Strain Self-Sensing and Temperature Self-Sensing Integrated Sensor–Actuator with Bioinspired Gradient Gaps[J]. Adv. Sci. 2020, 7: 2000584