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香港中文大学朱建教授团队在《Advanced Science》期刊上发表文章“Fully 3D-Printed Soft Capacitive Sensor of High Toughness and Large Measurement Range”。软电容传感器因其高灵敏度而广泛应用于可穿戴设备、柔性电子产品和软机器人等领域。然而，由于它们的界面韧性低，可能会发生分层或脱粘。此外，由于刚度变化范围有限，它们通常表现出较小的测量范围。该研究利用定制的多材料3D打印机开发了软硅基电容式传感器。通过同时固化有机硅材料，连续导电层和介电层获得了1036 J·m−2的界面韧性。采用倾斜薄板介质的传感器在横向和纵向上的界面韧性分别为645 J·m−2和339 J·m−2。此外，传感器的测量范围从0.85 Pa到5000 kPa。分离的倾斜薄板电介质的显著刚度变化促进了这一扩展范围，范围从0.56 kPa到19.76 MPa。因此，采用3D打印技术制造软微结构传感器是一种通用的方法，不仅适用于提高软传感器的性能，而且有利于设计强大的软功能器件。
WHAT-什么是软电容传感器？
软电容式传感器通常由夹在柔性电极之间的软介电层组成，是一种基于电容变化原理的传感器，主要用于感知压力、触摸、应变等物理信号。与传统硬质传感器不同，软电容传感器使用柔性材料（如导电聚合物、金属纳米线、碳纳米管等）作为电极或电介质，使其具备更好的柔性和可变形能力。这些传感器通过利用其可变形的材料和结构来检测施加的压力或力。由于其有趣的属性，包括良好的可重复性，低功耗，、功耗低、空间分辨率高和信号漂移小等优点，因此在可穿戴设备、人机界面、柔性电子设备、软机器人等领域有着广泛的应用。
WHY-基于3D打印技术在制备软电容传感器上的优势是什么？
采用3D打印技术在构建软电容传感器上的优势包括：1）高度自由的设计与制造：能够通过数字化建模实现复杂几何结构的制造，包括多层、多孔、或梯度分布的结构；2）材料的多样性和功能集成：支持多种柔性材料（如导电油墨、柔性聚合物、液态金属等）的精确打印，且可以将不同的材料与复杂的结构和强附着力结合在一起；3）可以实现微米甚至纳米级的精度，使软电容传感器的关键部件（如介电层厚度、电极间距）达到精确控制。
HOW-如何实现全3D打印软电容传感器？
图1 全3D打印软电容式传感器，韧性强，测量范围大
该研究开发了一种定制的3D打印技术，用于制造软电容传感器，并通过优化材料和结构设计提升其性能（图1a）。该传感器采用了创新的设计：介电硅胶被倾斜排列形成薄板结构，夹在两层平面导电硅胶之间（图1b–d）。与传统软传感器常见的分层和脱粘问题不同，这种新型传感器能够有效避免这些缺陷，其导电和介电硅胶材料具有相似的刚度，从而增强了传感器的可靠性。在3D打印过程中，导电和介电硅胶墨水保持未固化状态，有助于在电极和介电层之间形成强大的分子网络和化学键，使得传感器即使在扭曲或受压时，也能抵抗分层和脱粘（图1f-g）。
实验表明，导电硅胶和介电硅胶的杨氏模量分别为840 kPa和580 kPa，界面韧性高达1039 J·m⁻²（图1h）。此外，传感器还具备从0.85 Pa到5000 kPa的广泛测量范围（图1i），适用于各种实际应用。最后，还展示了完全3D打印的智能鞋垫以及软体机器人手（图1j-k），为机器人和可穿戴设备的开发提供了新的思路和可能。
图2 可打印油墨的流变特性和全三维打印软传感器的界面特性
随后，作者研究了用于3D打印软电容传感器的介电和电极硅胶墨水的特性及其打印效果。流变测试结果表明，所选用的墨水保证了打印形状的稳定性，并能在固化过程中承受自重并保持结构完整性（图2a-b）。此外，通过优化打印参数，实现了均匀且连续的墨水挤出（图2c），并且能够在不使用支撑材料的情况下直接打印自支撑的倾斜薄板结构。研究表明，介电和导电硅胶的杨氏模量分别为840 kPa和580 kPa，且两者均具有超过350%的断裂伸长率（图2d）。随后，通过三种类型的剥离测试，详细分析了3D打印软传感器的界面性能（图2e）。
结果显示，连续打印的导电硅胶电极层（EL）之间的界面韧性为825 J·m−2，而介电硅胶层（DL）之间的界面韧性更高，为1365 J·m−2，表明DL层的界面粘结强度更强。此外，3D打印的EL和DL层组合的界面韧性为1039 J·m−2，显著高于传统铸模法粘接的层（129 J·m−2）。这种提升表明，3D打印过程中未固化的导电和介电硅胶形成的分子网络和化学键提高了界面韧性。为了增强灵敏度，采用多个分离的倾斜薄板介电层，导致传感器在横向和纵向表现出不同的界面韧性，分别为645 J·m−2和339 J·m−2（图2f-i）。横向剥离力呈现锯齿状变化，归因于倾斜薄板的能量耗散特性。这种设计增强了界面韧性，提升了传感器的整体性能和稳定性。
图3 全3D打印软传感器大检测范围
接着，作者研究了具有多个分离倾斜薄板介电层的软传感器的压敏性能（图3a）。通过改变倾斜角度（α）、水平间距（d）和薄壁厚度（t）等结构参数，优化了传感器设计。实验结果表明，相较于固体电介质传感器，具有分离薄板介电层的传感器表现出更高的灵敏度，特别是α=45°、d=1.5 mm、t=0.2 mm时，灵敏度最高。进一步分析表明，传感器的压缩应力-应变曲线表现出在不同应变范围内的可变刚度（图3b）。在小应变范围内，传感器能够感知0.85 Pa的微小压力，而固体电介质传感器的检测限为200 Pa。
薄板介电层的存在使得传感器具有较低的压缩模量，并且在较大应变下，模量显著增大，能够承受更大的压力（图3d-f）。该结构提供了在小应变范围内高灵敏度，在大应变范围内较大测量范围的优势。进一步实验验证了传感器在高压下的稳定性。图3g-h显示，传感器能够在5000 kPa的压力下稳定工作，并在周期性压力下表现出稳定响应。此外，传感器具有高分辨率，能够检测到小幅度的压力变化，且在20,000次循环测试中没有明显的信号变化（图3i）。与其他软电容传感器相比，本文传感器的检测范围更广，能够覆盖从0.85 Pa到5000 kPa的压力范围（图3j）。
图4 由软压力传感器组成的全3D打印鞋垫
作者展示了一种完全3D打印的个性化鞋垫，用于实时压力监测，并具有出色的耐久性，可承受10,000个循环。图4a展示了该鞋垫的设计，每个传感器包括底部电极、多层分离的倾斜薄板介电层和顶部电极。传感器被布置在前脚掌、中足和脚跟区域，组成一个16传感器阵列（图4b）。将鞋垫放入鞋中后，通过电容数字转换器和多路复用器测量每个传感器的电容，结果显示所有传感器表现一致，确保了精确的压力监测（图4c-d）。在动态实验中，传感器鞋垫成功记录了步态周期中的不同压力变化，如脚跟、前脚掌和脚跟着地的压力变化（图4f-n）。
这些数据能够用于足部姿势分析，并生成相应的压力热图，有助于生物力学研究，发现异常压力区域，设计针对性的干预措施。此外，在反复的复杂摩擦测试中，传感器仍能保持稳定信号输出。即便在160 kPa的正常压力和50 kPa的剪切力作用下，传感器经过10,000个循环后，电容变化几乎没有变化（图4o-p）。3D打印的鞋垫在极端条件下表现出卓越的耐久性和稳定性，得益于电介质和导电硅胶之间较大的界面韧性。
图5 结合软致动器和软传感器的全3D打印软机器人手
最后，作者开发了一种完全3D打印的软体机器人手，通过软气动驱动器和软传感器实现精确控制（图5a）。每根手指包含软气动执行器、电容触觉传感器和电阻弯曲传感器，采用介电和导电硅胶材料，在一步打印过程中完成，无需后处理。优化的打印参数确保了手指的结构一致性，并避免了导电与介电材料的相互干扰（图5b-d）。触觉传感器独立于弯曲传感器工作，可测量指尖的接触力，而弯曲传感器检测手指的弯曲（图5e）。结合触觉传感器，软体机器人手可以实现实时闭环反馈控制，精确控制抓取力（图5f-g）。此外，软弯曲传感器还可用于在虚拟现实中模拟手指的动作，提供精准的手势模拟，广泛应用于医疗训练、元宇宙及人机交互中（图5h-i）。
结论：综上所述，该研究开发了一种定制的多材料3D打印机，可在单次打印中制造软性硅胶电容传感器。这些传感器展现出优异的界面韧性和伸展性，且具有宽广的测量范围（0.85 Pa-5000 kPa）。展示了两种应用：一是嵌入传感器阵列的智能个性化鞋垫，能实时监测足底压力分布，且耐用性超过10,000个循环；二是结合软性驱动器和传感器的3D打印机器人手，能够执行反馈控制、姿态识别和物体抓取。因此，所开发的3D打印软传感器的策略不仅提升了软传感器的性能，还促进了坚固软功能设备的设计，增强了软体机器人在复杂环境中的执行能力。
文章来源：https://doi.org/10.1002/advs.202410284
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