面向人机接口的印刷式三元碳纳米复合材料传感器中灵敏度与滞后性权衡的解耦

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Decoupling Sensitivity–Hysteresis Trade-offs in Printed Ternary Carbon Nanocomposite Sensors for Human–Machine Interfaces

　　

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  基于三元碳网络开发了一种印刷式可拉伸应变传感器。
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  可重构的导电通路实现了滑动渗流机制。
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  该传感器实现了 200% 的应变传感范围和低迟滞。
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  演示了在机器人手控制和康复意图预测中的应用。

引言

可穿戴人机交互（HMI）显示出巨大的潜力，能够促进人与机器之间的高效通信和交互，应用范围涵盖机器人控制 [1], [2], [3], [4]、虚拟现实和增强现实 [5], [6] 以及主动康复 [7]。典型的 HMI 系统由四个核心组件组成：输入信号生成、信号传感、数据处理和反馈驱动 [8]。在这些模块中，通常由传感器和信号处理模块组成的传感单元起着关键作用，因为它直接决定了用户意图能否被准确感知和解读 [9]。与传统的笨重且刚性的传感设备相比，柔性传感器由于其卓越的贴合性、轻量化特性和机械顺应性，为新兴的可穿戴 HMI 提供了更自然和直观的用户体验 [10]。在各种可拉伸传感器中，电阻式应变传感器因其简单的结构、良好的灵敏度以及与可穿戴和可变形平台的兼容性，在可穿戴 HMI 系统中引起了广泛关注 [11], [12]。

由嵌入导电纳米材料的弹性体基质组成的可拉伸纳米复合材料，由于其在大变形下优异的导电性和稳定性，已被广泛用于应变传感研究 [13]。常见的导电填料包括石墨烯 [14]、碳纳米管 [15], [16], [17]、炭黑 [18]、碳纤维 [19]、银片 [20]、液态金属 [21] 等。这些填料通常嵌入硅橡胶 [22]、聚氨酯 [23]、苯乙烯基弹性体 [24] 和 PVDF 基弹性体 [25] 等可拉伸基质中，以形成机械性能 robust 的复合材料，这是制造具有良好稳定性和耐磨性的应变传感器的有效方法。除了材料系统的选择外，加工方法在决定器件性能方面也起着关键作用。丝网印刷作为一种增材制造方法，由于其可扩展性、低成本和材料通用性而受到极大关注 [26], [27]。然而，许多基于碳纳米复合材料的丝网印刷传感器仍面临检测范围有限和循环稳定性差的困扰 [28], [29], [30]，尽管碳导电填料具有优异的柔性、良好的化学和热稳定性以及优异的导电性等内在优势 [31]，这限制了它们在软电子学中的应用。此外，基于单一导电填料的应变传感器通常由于导电填料的特性而面临灵敏度和工作范围有限的困扰 [32]。与单一导电填料相比，合理设计的混合填料系统可以促进纳米复合材料中连续且坚固的导电网络的形成，从而提高可穿戴电子器件的导电性、机械耐久性和多功能性 [33], [34], [35], [36]。因此，具有优化模量、稳定机电响应和长期耐久性的可印刷多组分碳基纳米复合材料对于推进高性能应变传感器的发展至关重要。

在本工作中，我们报道了一种基于三元碳网络的丝网印刷应变传感器，该传感器具有宽应变传感范围（高达 200%）、低电气迟滞、快速响应时间、适当的灵敏度和优异的循环耐久性。这些性能源于印刷碳基纳米复合材料的合理设计和微观结构优化，该复合材料由硅橡胶、炭黑、碳脂和羟基功能化多壁碳纳米管（MWCNT-OH）组成。硅橡胶形成顺应性基质，支持坚固的混合导电网络的形成。MWCNT-OH 和炭黑的协同效应，以及碳脂中硅油的润滑效应，共同促进了应变传感器的优异机电性能。我们演示了印刷应变传感器在人机交互中的应用，包括基于智能手套系统的机器人手控制和主动康复的运动预测。这项工作为开发基于碳纳米复合材料的下一代 HMI 系统提供了一条可扩展和高效的途径。

章节摘要

材料

二甲基聚硅氧烷硅油 (KF-96-20000CS) 由日本信越化学工业有限公司提供。正硅酸乙酯 (T110596) 和二丁基二月桂酸锡 (D100274) 分别用作交联剂和催化剂，购自中国上海阿拉丁生化科技股份有限公司。润滑剂碳脂 (GV-80S) 购自日本大和化学有限公司。导电炭黑 (ECP600-JDP) 由狮王特种化学品有限公司供应，

印刷应变传感器的设计与制造

应变传感器通常由传感元件组成，并用保护层封装。基于碳的填料通常应用于传感电极的制造，因为它们具有优异的机械性能、高导电性和化学稳定性。硅橡胶因其高拉伸性、尺寸稳定性以及在多种环境和热条件下的回弹性，被广泛用作聚合物基质 [40]。此外，之间的相互作用

结论

总之，通过三元碳纳米复合材料策略开发了丝网印刷 CGM 应变传感器，其中炭黑、碳脂和 MWCNT-OH 协同集成以实现对应变自适应网络重构。不同于静态渗流系统，协同导电网络在在大应变下赋予碳基纳米复合材料稳定的机电转换，有效克服了机械顺应性之间的传统权衡，

CRediT 作者贡献声明

Yao Huang: 写作 – 审查和编辑，资源。 Hong Xu: 写作 – 审查和编辑，资源。 Weile Zhang: 方法论。 Daming Wu: 写作 – 审查和编辑。 Xin Huang: 验证，软件。 Shuzhuang Zhang: 软件，数据管理。 Hongbo Fu: 写作 – 原稿，方法论，数据管理。 Ruichen Zhou: 写作 – 原稿，数据管理。 Chaoying Wan: 写作 – 审查和编辑，监督

利益冲突声明

我们声明，我们没有与其他人或组织存在可能不适当影响我们工作的财务和个人关系。此外，我们在任何产品、服务或公司中均无任何专业或其他个人利益，可能被解读为影响标题为"解耦印刷三元碳纳米复合材料传感器的人机界面灵敏度 - 迟滞权衡"的手稿中提出的立场。

致谢

这项工作得到了 国家自然科学基金 (项目编号：52311530089) 的支持。我们要感谢沈志伟和沈宇浩在器件制造和传感器表征方面提供的协助。

Hongbo Fu|Ruichen Zhou|Xin Huang|Shuzhuang Zhang|Weile Zhang|Daming Wu|Yao Huang|Hong Xu|Chaoying Wan