華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院厲侃在柔性傳感陣列取得新成果

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，國(guó)際頂尖材料科學(xué)期刊《今日材料》(Materials Today)在線刊發(fā)了一項(xiàng)關(guān)于剪切引導(dǎo)的人機(jī)交互柔性傳感陣列的重磅研究成果。該成果論文題為 “Morphable 3D architectures enabled by shear-guided approach(基于剪切引導(dǎo)方法實(shí)現(xiàn)可變形的3D結(jié)構(gòu))”，由華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)與美國(guó)西北大學(xué)攜手完成。華中科技大學(xué)智能制造與裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員厲侃，清華大學(xué)柔性電子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2018級(jí)博士生劉志、2021級(jí)博士生胡笑男共同擔(dān)任第一作者；清華大學(xué)柔性電子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授張一慧、副研究員柏韌恒為通訊作者。
 

　　通過(guò)力學(xué)引導(dǎo)方法組裝的3D結(jié)構(gòu)及電子設(shè)備，在醫(yī)療保健、生物醫(yī)學(xué)工程、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人等多個(gè)新興領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，進(jìn)一步拓展機(jī)械途徑可獲得的功能性3D架構(gòu)范圍，成為科研人員不斷探索的重要方向。在此背景下，本研究創(chuàng)新性地展示了一種剪切引導(dǎo)組裝方法，取得了突破性進(jìn)展。
 

圖為剪切引導(dǎo)的3D裝配和形狀變形
 

　　研究團(tuán)隊(duì)借助該方法，成功構(gòu)建出一系列以往難以實(shí)現(xiàn)特定幾何特征的結(jié)構(gòu)，如可逆局部翻轉(zhuǎn)、中心對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)等，且涵蓋絲帶、薄膜及混合配置等多種形式?；诖?，研究人員引入并精心校準(zhǔn)了一種由兩個(gè)絲帶狀3D單元組成的雙3D單元設(shè)計(jì)，專(zhuān)門(mén)用于剪切傳感。這一巧妙設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于，它能將難以直接測(cè)量的剪切變形巧妙地轉(zhuǎn)化為易于獲取的垂直位移，同時(shí)對(duì)有限拉伸載荷具備良好的不敏感性。利用這種雙3D單元設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)成功制造出多功能陣列電子界面，為人機(jī)交互領(lǐng)域帶來(lái)了全新的可能。
 

圖為通過(guò)剪切導(dǎo)向策略實(shí)現(xiàn)可變形的3D中觀結(jié)構(gòu)
 

　　在制造工藝方面，該技術(shù)分為兩個(gè)關(guān)鍵階段。第一階段，通過(guò)壓縮屈曲進(jìn)行力學(xué)引導(dǎo)組裝，從而形成基礎(chǔ)的3D結(jié)構(gòu)；第二階段，在彈性基板兩端施加相反的橫向位移，使基板發(fā)生簡(jiǎn)單剪切，通過(guò)靈活調(diào)整施加的剪切應(yīng)變，就能輕松、可逆地實(shí)現(xiàn)3D形狀的轉(zhuǎn)換。此外，研究人員還將kirigami(剪紙)或origami(折紙)設(shè)計(jì)融入剪切引導(dǎo)方法，成功實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的可變形3D架構(gòu)。
 

圖為新型剪切感應(yīng)機(jī)制的設(shè)計(jì)和參數(shù)研究
 

　　有限元分析(FEA)結(jié)果顯示，此類(lèi)剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)在不同模式間能夠?qū)崿F(xiàn)可逆的組裝后形狀變換?；诩羟幸龑?dǎo)的雙3D單元設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種全新的傳感機(jī)制，有效消除了有限拉伸載荷的影響，為精確感知和測(cè)量剪切變形提供了可靠途徑。
 

圖為剪切傳感界面在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展示
 

　　為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)較大表面積上對(duì)任何施加剪切應(yīng)變的有效感知，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了由具有梯度結(jié)構(gòu)參數(shù)的雙3D傳感單元組成的陣列多功能可拉伸剪切傳感界面，并結(jié)合LED警示功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體皮膚實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的可視化監(jiān)測(cè)，為可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展提供了極具價(jià)值的參考。
 

　　本論文所報(bào)道的剪切引導(dǎo)的3D微觀結(jié)構(gòu)的成功開(kāi)發(fā)，以及新型傳感機(jī)制的建立，是柔性電子與機(jī)器人領(lǐng)域的重要里程碑。這一研究成果不僅極大地拓展了3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)邊界，更為創(chuàng)造能夠與人類(lèi)進(jìn)行更自然、高效交互的先進(jìn)電子設(shè)備和軟體機(jī)器人開(kāi)辟了新的路徑。