零泊松比的柔性传感器

发布时间：2024-03-27 17:18:45 栏目：精选知识

导读 该研究由吴浩教授(华中科技大学机械科学与工程学院柔性电子研究中心、智能制造装备与技术国家重点实验室)领导。尽管柔性传感器在过去十年中...

该研究由吴浩教授(华中科技大学机械科学与工程学院柔性电子研究中心、智能制造装备与技术国家重点实验室)领导。尽管柔性传感器在过去十年中获得了激增的奇异传感能力，但由于缺乏对多轴刺激的独立感知，通常由多轴力或应变引起的复杂变形可能难以测量。传感材料的泊松效应是双轴刺激独立感知的主要障碍。研究小组注意到，零泊松比(ZPR)材料在纵向应变下保持恒定的横向宽度，可以解决双轴或多轴刺激感知中的干扰问题。



由于弹性体的不可压缩性和接近0.5的泊松比，制备零泊松比弹性体膜是一个巨大的挑战。吴教授和他的学生黄鑫博士认为，传统正泊松比(PPR)结构和负泊松比(NPR)结构的结合可能是实现零泊松比结构的有效途径。

研究小组发现，混合结构的泊松比是单个结构泊松比的叠加。“PPR和NPR结构的特征尺寸代表了PPR和NPR在整体泊松比中的比例，并且混合结构的特征尺寸和宽度的变化可以改变正负之间的泊松比。” 吴说。

研究人员利用有限元分析来估计混合结构的泊松比，并找到获得ZPR膜的最佳参数。具有杂化结构的PDMS膜表现出较小的泊松比，为0.07，而没有杂化结构的PDMS膜表现出0.43的泊松比，表明杂化结构具有降低泊松比的作用。

基于ZPR膜的柔性传感器可以准确检测单轴刺激并独立检测双轴刺激。当柔性传感器被单轴拉伸时，沿拉伸方向的传感单元的电阻线性增加，而垂直于拉伸方向的传感单元的电阻无论拉伸应变如何都几乎没有增加。沿特定轴的传感单元仅响应相应轴上的拉应变，这使得柔性传感器具有独立检测双轴刺激的能力。

ZPR柔性传感器能够在机器人操纵和复杂变形运动的情况下准确检测力、应变和运动状态。具体来说，ZPR柔性传感器可以准确测量刚性机械臂和抓取物体之间的接触力，而不管抓取物体的变形如何。安装在机械手手指上的 ZPR 柔性传感器中两个垂直传感单元的组合可以指示手指的正常弯曲和与障碍物的意外碰撞。ZPR柔性传感器还具有检测双轴软体机器人运动距离和方向的能力。“ZPR 传感器的奇异传感功能在医疗保健、人机界面和机器人触觉传感方面具有巨大的应用潜力。”Wu 说。