通过多材料3D打印，具有多模式传感能力的聚电解质弹性体离子电子传感器

作者：Caicong Li, Jianxiang Cheng, YunfengHe, Xiangnan He, Ziyi Xu, Qi Ge & Canhui Yang
单位：南方科技大学
发表期刊：Nature Communications

本文利用多材料数字光固化3D打印技术，设计并制备了一系列基于聚电解质弹性体的多模式传感离电传感器，包括拉伸、压缩、剪切、扭转和组合式传感器。所用的聚电解质弹性体是一种高分子网络中含有固定的阴离子或阳离子，以及可移动的反离子的材料，具备抗离子泄漏的特性。3D打印技术为器件的结构设计提供了极高的灵活性，可以通过精细的结构编程，实现传感器灵敏度的优化和调控。所制备的传感器具有稳定的界面和长期的稳定性，可以感知不同的力学刺激，且不同传感通路之间无信号串扰。本文为可拉伸离电传感器的设计、智造与应用提供了新的解决方案。

图 1 多模式传感能力的聚电解质弹性体离子电子传感器示意图

研究亮点
多模式感测能力：传感器能够感应多种力学刺激，包括拉伸、压缩、剪切和扭转。

长期稳定性：利用聚电解质弹性体和3D打印技术，传感器展现出卓越的长期稳定性。

无泄漏设计：新型传感器解决了传统离子传感器易泄漏的问题，提高了设备的可靠性。

研究背景
离电器件是一种基于离子与电子协同作用的器件，具有柔韧性，可拉伸性，光学透明性和生物相容性等优点，广泛应用于工程和生物医学领域。离电传感器是离电器件的一种重要类型，可以感知外界的力学刺激，并将其转化为电信号，用于人机交互，智能假肢，生理监测等场景。然而，现有的离电传感器由于器件结构简单、成分易泄漏，导致器件稳定性差，传感功能单一，极大地限制了实际应用。因此，设计与制造性能稳定且具有多模式传感能力的离电传感器具有重要的工程应用价值。

所解决的问题
为了解决上述问题，本文利用数字光固化3D打印技术，制造具有多模式传感功能的离子电容器的方法。该方法使用聚电解质弹性体（PEE），该材料具有高弹性、高离子导电性、高热稳定性和抗离子泄漏的特性。通过3D打印技术，可以实现PEE与介电弹性体（DE）之间的牢固界面粘接，以及对器件结构的灵活设计。本文设计并制造了四种基本的离子电容器，分别用于感知拉伸、压缩、剪切和扭转等不同的力学刺激，以及三种组合式的离子电容器，用于感知多种力学刺激的同时，避免信号的相互干扰。本文为可拉伸离子电容器的设计、制造和应用提供了一种新的解决方案，同时也拓展了多材料3D打印技术的应用范围。

研究思路与结果讨论

1. 器件制备与特性
本文使用聚电解质弹性体(PEE)和介电弹性体(DE)的光固化前驱体来打印离子电子传感器。传感器由两层PEE与中间DE层组成。PEE由BS与MBA单体共聚合成，聚电解质弹性是一种高分子网络中含有固定的阴离子或阳离子，以及可移动的反离子的材料，具备抗离子泄漏的特性。DE选用商业丙烯酸酯弹性体。通过优化离子单体的比例，平衡聚电解质材料的力学性能和电学性能，从而优化传感器的性能，选取BS与MEA的摩尔比为1:1。

由于离子电子电容传感器是多层叠层，因此在DE层和PEE层之间建立坚固的界面对于避免界面分层非常重要。在180°剥离测试中，将3D打印与手动组装的聚电解质弹性体/介电弹性体双层结构的界面粘接强度进行了比较。3D打印结构因聚电解质弹性体与介电弹性体间形成的共价键和拓扑缠结而显示出更强的界面粘接性，其剥离过程中出现的是材料本体的断裂，粘接强度高达339.3 J/m2。相反，手动组装的结构因界面较弱，在剥离过程中发生界面断裂，粘接能仅为 4.1 J/m2。耐久性测试显示，基于聚电解质弹性体的电容式传感器由于没有离子泄漏，能够长期维持稳定信号；而传统的LiTFSI掺杂离子弹性体传感器因离子泄漏导致信号漂移，最终导致短路。

图 2 聚电解质弹性体制备过程

图 3  3D打印离子电子电容传感器特性测试

2. 多模态传感能力
作者利用多材料数字光固化3D打印技术，一体化设计制造基于聚电解质弹性体的多模式传感离电传感器，包括拉伸、压缩、剪切和扭转传感器。拉伸传感器具有良好的线性响应，在单轴拉伸作用下，面积增大，厚度减小，电容增大；由于多材料3D打印实现了高设计和制造灵活性，通过构建DE层微结构显著提高了传感器的灵敏度，剪切与扭转传感器的灵敏度也可以通过改变锋线的形状与重叠面积进行调整。3D打印技术为器件的结构设计提供了极高的灵活性，可以通过精细的结构编程，实现传感器灵敏度的优化和调控。所制备的传感器具有稳定的界面和长期的稳定性，可以感知不同的力学刺激，且不同传感通路之间无信号串扰。

图 4 拉伸、压缩、剪切和扭转传感器性能

图 5 集成式离电传感器设计与性能

研究总结
本文利用多材料数字光固化3D打印技术，设计并制备了一系列基于聚电解质弹性体的多模式传感离电传感器，包括拉伸、压缩、剪切、扭转和组合式传感器。所用的聚电解质弹性体是一种高分子网络中含有固定的阴离子或阳离子，以及可移动的反离子的材料，具备抗离子泄漏的特性。3D打印技术为器件的结构设计提供了极高的灵活性，可以通过精细的结构编程，实现传感器灵敏度的优化和调控。所制备的传感器具有稳定的界面和长期的稳定性，可以感知不同的力学刺激，且不同传感通路之间无信号串扰。本文还展示了一个由四个剪切传感器和一个压缩传感器组成的可穿戴遥控单元，并将其连接到一个远程控制系统，用于远程无线控制无人机的飞行。本文为可拉伸离电传感器的设计、智造与应用提供了新的解决方案。

原文来源：Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing. Nat. Commun., 2023, 14, 4853.
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40583-5