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为解决片基流体系统失效及如何利用失效的问题，研究人员开展了热封片基流体装置可编程失效的研究。他们发现装置几何形状和材料处理影响键合强度和破裂压力，还引入类似保险丝的组件。这有助于开发更智能的片基流体系统。
在科技发展的浪潮中，软机器人和可穿戴设备领域蓬勃发展，其中片基流体系统凭借其独特优势备受关注。这种系统由薄而灵活的薄片构建，通过分层和选择性键合形成内部流体网络，实现驱动、传感和控制等多种功能。然而，片基流体系统的失效问题却如同隐藏在暗处的 “定时炸弹”，一直未得到充分研究，这严重限制了其进一步发展。一方面，人们对这些系统在不同条件下的失效模式和机制知之甚少；另一方面，如何巧妙利用失效来提升系统性能更是无人问津 。因此，探索片基流体系统的失效规律并挖掘其潜在价值，成为该领域亟待攻克的难题。
为了突破这一困境，来自美国莱斯大学（Rice University）、哥伦比亚波哥大的哈韦里亚纳 Pontificia 大学（Pontificia Universidad Javeriana）以及美国杜兰大学（Tulane University）的研究人员携手展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Cell Reports Physical Science》上，为片基流体系统的发展带来了新的曙光。
在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。通过扫描电子显微镜（SEM）观察热封尼龙塔夫绸的微观结构；利用 T-peel 测试来表征热封纺织物（HST）的键合强度和失效模式；借助 burst 测试评估热封袋在不同条件下的破裂压力；运用压力传感器和数据采集系统（DAQ）测量内部袋压和输入压力 。
研究结果如下：
- HST 键合强度与加工参数的关系：研究人员选用由尼龙塔夫绸和一侧带有热塑性聚氨酯（TPU）薄膜的 HST 作为代表材料。通过 T-peel 测试，在改变热压加工参数（键合温度和施加压力）的情况下，发现当施加压力达到 350 kPa 时，键合强度达到平台期，后续对高于该阈值的压力不再敏感 。在研究键合温度的影响时，发现键合强度随温度变化呈现三个阶段：起初，随着温度升高，TPU 聚合物链扩散加剧，键合强度增加且失效模式为粘附失效；随后，当温度进一步升高，尼龙纺织物背衬的拉伸失效导致键合强度达到平台期，失效模式转变为内聚失效；最后，温度过高会使 HST 发生热降解，键合强度下降 。综合来看，对于该材料体系，键合温度在 140oC - 190oC 之间时，键合强度最大。
- 键合温度对 HST 袋破裂失效的影响：为了验证 T-peel 测试结果能否延伸到热封片基装置在压力下的失效情况，研究人员进行了 burst 测试。通过约束破裂测试，在控制袋的大小和形状影响的情况下，发现袋的强度与键合强度相关，且键合强度随温度的变化趋势与 T-peel 测试结果一致，进一步证实了 T-peel 测试结果的可靠性。
- HST 袋破裂压力与几何形状的关系：研究人员还研究了无约束失效情况，制作了不同几何形状的圆形和矩形袋。结果表明，无论几何形状如何，袋的破裂压力与键合强度的比值都与特征长度成反比，即袋尺寸越大，破裂压力越低。此外，圆形袋比方形袋更强，矩形袋的破裂压力比随长宽比增加而降低，且当长宽比超过 1 时，袋会沿长边失效 。
- 类似保险丝的流体撬棍的设计与测试：基于对失效模式的理解，研究人员设计了一种类似保险丝的流体组件。通过在装置特定部位设置不同键合温度，使该组件在压力超过预定值时开启，起到保护流体致动器免受压力冲击的作用。同时，利用该组件还能实现任务排序和操作模式的二元选择，为复杂流体网络设计提供了新的思路。
- 流体网络中的失效研究：研究人员将袋视为片基装置的基本组件，通过类比流体网络和电路，构建了包含多个袋的流体网络并进行研究。结果发现，在不同压力输入下，袋的失效位置会发生变化，且可以通过建立模型预测失效位置，这为设计更复杂的流体系统提供了理论依据。
- 利用失效进行操作模式的二元选择：研究人员在流体网络中集成两个保险丝，并结合电容延迟，实现了通过单一压力输入对致动器操作模式的二元选择，进一步拓展了可编程失效在流体系统中的应用。
研究结论和讨论部分指出，该研究建立的建模框架有助于制造更强大且可编程的热封片基装置。研究人员确定了使键合强度最大化的键合温度范围，并建立了组件袋尺寸与破裂压力之间的反比关系 。此外，理解片基流体组件的加工参数，能将流体网络中的失效作为一种资源，而非缺陷，用于编程具有嵌入式智能的软片基装置。这一研究成果有望推动软机器人和片基可穿戴设备等领域的发展，为相关技术的创新提供重要的理论支持和实践指导，助力开发出更智能、轻便且多功能的设备，在应急响应等领域发挥重要作用 。
