摘要：第一作者：Dohyeon Gong，Yeonwook Roh，Jae-Hyun Lee通讯作者：Seungyong Han，Daeshik Kang，Je-Sung Koh通讯单位：韩国亚洲大学DOI: 10.1039/D4MH01012D
第一作者：Dohyeon Gong，Yeonwook Roh，Jae-Hyun Lee
通讯作者：Seungyong Han，Daeshik Kang，Je-Sung Koh
通讯单位：韩国亚洲大学
DOI: 10.1039/D4MH01012D
背景介绍
从二维转换而来的三维（3D）结构为电子设备提供了基于既定几何形状的特定功能。其中，基于3D结构的传感器可以放大来自特定方向的外力。对特定方向的这种高灵敏度与3D传感器的变形阻力有关，这取决于设计的几何形状。具有考虑要测量的目标外力的设计的3D传感器可以通过在传感器上引起大应变来实现比二维（2D）传感器更高的灵敏度。
已经对与3D结构相关的制造方法进行了许多研究，为电子产品提供了几何优势。制造3D结构的一种常用方法是3D打印，通过这种方法可以沉积液体材料。液体材料的几何形状可以根据打印机喷嘴的运动来构建，而设计的形状可以硬化以进行固定。通过机械引导和材料编程从2D到3D的自组装也可以构建从米级到亚微米级的复杂结构。然而，由于材料和结构的可塑性，为特定目的构建的3D结构将其任务扩展到成形形状之外的能力是有限的。尽管可重新配置的折纸结构能够可逆地形成3D结构并恢复其原始形状，但该结构只能在预定的铰链区域折叠，这限制了不同的形状变化。
相比之下，自然界中的许多生物都有能力根据不断变化的环境条件改变形状。例如，螃蟹和小龙虾等甲壳类动物表现出坚硬的外骨骼，通常具有抗变形性。然而，它们能够暂时降低外骨骼的刚度，以采取更灵活的状态，这有助于它们身体的伸展和重塑。一旦形状适应完成，它们就可以恢复外骨骼的刚度，以保持改变后的结构。
刚度可调材料（如形状记忆合金、可变刚度聚合物和低熔点合金）的最新进展使其刚度能够根据外部刺激（如热、光或温度）控制几十到几千次，达到几个数量级。35利用这些材料的电子设备和机器人可以实现可逆的形状转换和形态适应，从2D结构转变为3D结构，并从修改后的形状中获得功能优势，以更好地适应遇到的环境。
本文亮点
1. 本工作报告了一种基于刚度可调聚合物和基于裂纹的应变传感器的形状可重构电子复合材料。刚度可调聚合物允许在柔性状态下修改电子复合材料的形状的高度自由度（DOF），从而能够形成各种3D结构。
2. 在修改了柔软柔性电子复合材料的形状后，刚度可调聚合物的刚度显著增加，能够保持电子复合材料重新配置的形状，并通过将中性平面恢复到原始位置来放大来自目标方向外力的机械信号。
3. 通过展示与初始形状相比，通过设计形状（线、螺旋和弹簧）的顺序变化，目标外力（弯曲、挤压和拉伸）的灵敏度和测量范围的增加，验证了电子复合材料形状的可逆修改。
图文解析
图1. 用于刺激可定制检测的形状可重构电子复合材料的轮廓。（A） 用于刺激可定制检测的3D结构传感器的形状重新配置过程的概念图。（B） 电子复合材料与刚度可调聚合物/裂纹传感器/刚度可调性聚合物层压的分解图。（C） 玻璃态和橡胶态杨氏模量变化的应力-应变（SS）曲线，取决于温度和两种状态下交联链的形状。（D） 刚性和柔性模式下电子复合材料的摄影图像。（E） 电子复合材料的杨氏模量随温度的变化。（F） 电子复合材料形状重构过程的摄影和红外图像。（G） 无电气故障的电子复合材料顺序形状重新配置的照片。
图2. 刚性和柔性模式电子复合材料中性面移动的理论分析和有限元分析模拟。（A） 电子复合材料的照片和刚度可调聚合物中嵌入的裂纹传感器的均匀裂纹的显微镜图像。（B） 以及（C）弯曲电子复合材料在（B）刚性和（C）柔性模式下的横截面示意图。（D） 根据模量变化的电子复合材料中性面位移的数学建模示意图和应变梯度。（E） 根据基底层的厚度，中性面在柔性和刚性模式的电子复合材料中的位置。（F） 通过中性面理论计算刚性和柔性模式下裂纹传感器电极的应变。（G） 以及（H）分别在玻璃态和橡胶态下沿（G）下方向和（H）上方向弯曲的电子复合材料中的应变分布的有限元分析（FEA）。
图3. 电子复合材料的可调节机械特性，用于形状重构和固定。（A） 通过示意图和有限元分析图像，对电子复合材料在刚性和柔性模式下的弯曲刚度进行建模。（B） 在刚性和柔性模式下弯曲时，电阻随曲率半径的变化。（C） 在涉及弯曲、夹紧、扭曲和任意变形的形状重新配置过程中，通过模式转换防止电气故障。（D） 有或没有模式转换的形状重新配置和固定过程的摄影图像。（E） 在形状重新配置过程中，测量附着在电子复合材料上的标记的几何位置运动。（F）固定后重新配置的电子复合材料的耐久性和刚度的摄影图像。（G） 通过模式转换到灵活状态来恢复变化的电阻。
图4. 将电子复合材料的形状重新配置为三个3D传感器，并具有对不同外力敏感的检测能力。（A） 能够检测弯曲偏转的线形传感器的形状重新配置照片。（B） 以及（C）具有（B）灵敏度增强和（C）1000次循环后的耐久性的线形传感器的性能。（D） 螺旋形传感器电子复合材料的轧制过程照片。（E） 提高对小压力的灵敏度，并（F）在1000次按压循环中保持螺旋形传感器的传感性能。（G） 具有高拉伸性的弹簧形传感器的照片。（H） 可拉伸范围急剧增加，（I）在1000次拉伸循环中保持稳定的滞后。（J） 确保在对线材、螺旋和弹簧形状进行顺序修改时能够检测弯曲、压力和应变。
来源：华算科技
