近日，力學(xué)所研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于波浪形對(duì)稱疊層結(jié)構(gòu)(Wave-shaped Symmetrical Laminated Structure, WSSLS)的可拉伸曲率傳感器，在實(shí)現(xiàn)可拉伸性的同時(shí)，在結(jié)構(gòu)層面有效實(shí)現(xiàn)了彎曲與拉伸信號(hào)的解耦。該研究成果以 “Stretchable curvature sensors for motion capture with bending-stretching coupling deformation” 為題，發(fā)表在國際期刊《Advanced Science》上。
該曲率傳感器的核心在于其創(chuàng)新設(shè)計(jì)的 WSSLS 結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由上下對(duì)稱分布的波浪形金屬導(dǎo)電層與波浪形聚乙烯基底組成，并通過柔性封裝形成整體器件(圖1)。不同于傳統(tǒng)單側(cè)波浪結(jié)構(gòu)在拉伸或彎曲過程中不可避免地產(chǎn)生彎拉耦合響應(yīng)，WSSLS 利用幾何對(duì)稱性與雙層響應(yīng)差異，在彎曲加載時(shí)產(chǎn)生同幅值異符號(hào)的應(yīng)變響應(yīng)，而在拉伸加載時(shí)產(chǎn)生相互抵消的對(duì)稱變形，從而在電信號(hào)層面實(shí)現(xiàn)彎曲信號(hào)的純輸出(圖1d)。針對(duì)波浪形三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定制備的問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種曲面光刻(Curved Surface Lithography)工藝，將傳統(tǒng)平面光刻與熱塑成型相結(jié)合，在曲面基底上直接制備無初始應(yīng)力的波浪形金屬導(dǎo)電層(圖1c)。該方法有效避免了先金屬成形后彎曲成波浪過程中產(chǎn)生的裂紋與失效問題，顯著提升了器件的一致性與可靠性。在理論分析方面，研究團(tuán)隊(duì)建立了 WSSLS 的力電耦合模型，系統(tǒng)推導(dǎo)了傳感器輸出信號(hào)與曲率之間的解析關(guān)系，明確揭示了幾何參數(shù)對(duì)靈敏度和彈性范圍的影響(圖2)。有限元模擬結(jié)果與理論分析高度一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性與適用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器在彎曲加載下呈現(xiàn)出高度線性的電學(xué)響應(yīng)，而在拉伸加載下輸出信號(hào)幾乎不發(fā)生變化，充分證明了其彎拉解耦特性。在性能驗(yàn)證中，該曲率傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，包括高線性度、高重復(fù)性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。器件能夠分辨低至0.004 mm-1的微小曲率變化，并在 2000 次以上循環(huán)加載過程中保持穩(wěn)定輸出(圖3)。同時(shí)，由于其對(duì)稱結(jié)構(gòu)特性，傳感器還具備壓力和溫度自補(bǔ)償能力，在外界壓力和溫度變化條件下仍可維持準(zhǔn)確的曲率測(cè)量。在應(yīng)用展示方面，研究團(tuán)隊(duì)將該傳感器集成至智能手套中，用于實(shí)時(shí)獲取手指關(guān)節(jié)曲率并進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別(圖4a)。在模擬皮膚-織物界面摩擦與滑移的條件下，與傳統(tǒng)可拉伸應(yīng)變傳感器相比，該曲率傳感器的測(cè)量誤差降低了93.6%，顯著提升了穿戴場(chǎng)景下的可靠性(圖4b,c)。基于該系統(tǒng)，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)六足機(jī)器人和機(jī)械手的手勢(shì)控制，驗(yàn)證了其在復(fù)雜人機(jī)交互與遠(yuǎn)程操作中的應(yīng)用潛力(圖4d-g)。
論文第一作者為力學(xué)所研究生王泰然，通訊作者為蘇業(yè)旺研究員。合作者包括力學(xué)所研究生徐新凱、李爽、藍(lán)昱群、陳凱、博士后李偉、航天科技五院王光遠(yuǎn)研究員、余快研究員、力學(xué)所孫立娟副研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目以及多項(xiàng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的支持。
圖1：可拉伸曲率傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)物展示與工作原理
圖2：波浪形對(duì)稱疊層結(jié)構(gòu)（WSSLS）的理論建模與有限元分析
圖3：基于WSSLS的曲率傳感器電學(xué)性能表征
圖4：基于可拉伸曲率傳感器的手勢(shì)識(shí)別與機(jī)器人控制應(yīng)用
