AFM: 3D打印高性能石墨烯压力传感器

来源： Engineering ForLife

近年来，如何提高智能机器人的感知和操纵性能得到了科研人员的广泛关注，然而迄今为止，大多数模拟皮肤压力传感的材料都没有达到与人体皮肤相当的压力传感范围。目前具有较低检测极限和较广检测范围的压力传感器开发仍然是一项重大挑战。

近期，来自苏州大学江林教授团队在Advanced Functional Materials上发表了题为“Beyond Skin Pressure Sensing: 3D Printed Laminated Graphene Pressure Sensing Material Combines Extremely Low Detection Limits with Wide Detection Range”的文章，介绍了一种可以通过3D打印的石墨烯压力传感材料（图1）。

图1 3D打印石墨烯压力传感材料

首先研究人员使用改进的Hummers方法制备了GO纳米片，并通过抗坏血酸来还原GO悬浮液，然后将悬浮液与卡波姆胶均匀混合，通过滴加NaOH来调节溶液的流变性，最后经过凝胶化获得了H-RGO油墨（图2a）。流变测试结果表明，不同石墨烯负载量的H-RGO油墨具有明显的剪切变稀性能（图2b），在合适的压力下可以通过喷嘴平稳地挤出。此外材料的储能模量和损耗模量结果也表明H-RGO油墨的形状保持性和稳定性也较好（图2c, d）。最后研究人员通过优化打印参数，展示了H-RGO油墨的3D打印效果（图2e,f,g）。

图2 H-RGO油墨的制备及流变性能表征

随后研究人员用液氮处理打印的样品然后进行冷冻干燥，并在400度下退火30分钟来改善石墨烯的还原度和电学性能，从而获得了具有微孔结构的石墨烯材料。此外，研究人员还对样品进行了PDMS涂覆处理以进一步提高材料的压缩稳定性。

为了模拟人体皮肤双机械感受器的协同作用，研究人员使用两种不同石墨烯含量的H-RGO墨水3D打印了双层石墨烯结构（图1d），其中低浓度石墨烯结构处理后，微孔具有较薄的壁厚，高浓度石墨烯结构处理后，微孔具有较厚的壁厚（图1e）。有限元模拟结果表明，在不同的压力作用下，顶层薄壁石墨烯结构和底层厚壁石墨烯结构的压电响应特性具有较好的协同作用（图3a），且恒定压力下的电流-电压曲线表明该双层石墨烯结构符合欧姆定律（图3b），结合这个特性，研究人员进行了压力与电流的变化测试，结果表明该双层石墨烯结构具有较低的压力检测极限和较高的灵敏度，且具有较广的压力检测范围（图3c,d,e,f）和较好的循环稳定性（图3g）。

图3 双层石墨烯结构性能表征

最后研究人员使用了上述双层石墨烯结构制备了5×5柔性压力传感器阵列，并通过字母来验证传感器阵列的空间压力分布的检测能力，结果显示，局部压力的分布图与字母样本形状保持了良好的一致（图3h）。此外研究人员还基于该石墨烯传感结构制作了一种压力感应皮肤，能够定量地检测和显示各种物体的重量（图4）。

图4 双层石墨烯结构定量检测装置

综上，研究人员设计和制造了一种双层石墨烯压力传感结构，其具备较低的压力检测极限和较广的压力检测范围，且稳定性较好，通过与3D打印技术相结合，未来有望为智能机器人的高性能压力传感开发提供一种有效途径。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202202360