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中國(guó)科大龔興龍教授課題組 CEJ：基于導(dǎo)電磁流變液的柔性傳感器實(shí)現(xiàn)磁可調(diào)剛度和磁致動(dòng)
2024-04-19  來(lái)源：高分子科技

  隨著電子技術(shù)和人工智能的發(fā)展，柔性傳感器在電子皮膚、可穿戴設(shè)備、軟機(jī)器人等多種應(yīng)用中引起了越來(lái)越多的興趣。目前，已報(bào)道的柔性傳感器大多是通過(guò)將剛性導(dǎo)電材料分散到彈性體基體里或涂覆在柔性彈性體表面上制備而成的。然而，由于剛性導(dǎo)電材料與柔性彈性體基體之間的模量差異，容易引起導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)斷裂和滑動(dòng)等損傷，導(dǎo)致柔性傳感器的穩(wěn)定性降低。此外，磁驅(qū)動(dòng)具有非接觸性、穿透性、遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，使得基于磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人受到越來(lái)越多的關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的由磁性顆粒直接分散在彈性體基體中制成的復(fù)合材料，磁流變液中磁性顆粒在磁場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)不容易受到限制，表現(xiàn)出很高的磁流變效應(yīng)。目前基于磁流變液的軟復(fù)合材料普遍缺乏傳感能力，而傳感對(duì)于提供環(huán)境信息和實(shí)現(xiàn)精確控制非常重要。


圖1.摘要圖


 圖2.導(dǎo)電磁流變液填充軟彈性復(fù)合材料（cMFEC）的制備過(guò)程和實(shí)物圖


  為了開(kāi)發(fā)磁流變液在軟復(fù)合材料方面的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合柔性傳感器和磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的特性，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍課題組近日提出了一種基于液體導(dǎo)體的導(dǎo)電磁流變液填充Ecoflex軟彈性體復(fù)合材料cMFEC。將多壁碳納米管引入磁流變液中，制備了一種兼具磁流變效應(yīng)和電傳感性能的導(dǎo)電磁流變液，可作為柔性傳感器的液體導(dǎo)體。在柔性彈性體基體Ecoflex薄膜上設(shè)計(jì)液體通道以填充導(dǎo)電磁流變液并使用Ecoflex密封制備了復(fù)合材料cMFEC（圖2b）。cMFEC具有良好的拉伸應(yīng)變傳感性能和彎曲感知能力。cMFEC可以監(jiān)測(cè)外加磁場(chǎng)的變化，表現(xiàn)出磁致剛度增強(qiáng)的特性。在此基礎(chǔ)上，研制了磁可調(diào)剛度承載平臺(tái)，其在165 mT磁場(chǎng)下的承載能力比零磁場(chǎng)下的承載能力提高了一倍。cMFEC還表現(xiàn)出磁致動(dòng)行為；cMFEC研制的智能磁致動(dòng)夾持器可以在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下抓取、轉(zhuǎn)移和釋放各種形狀的物體。此外，結(jié)合cMFEC的傳感性能和磁致動(dòng)行為，監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)夾持器的動(dòng)作狀態(tài)。因此，本研究為磁流變液在柔性傳感器和軟致動(dòng)器中的應(yīng)用提供了一種新的簡(jiǎn)便策略。復(fù)合材料cMFEC結(jié)合了磁流變效應(yīng)和電傳感性能，在電子皮膚、可穿戴電子設(shè)備和磁致動(dòng)軟機(jī)器人方面具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以“Conductive magnetorheological fluid (cMRF)-based flexible sensor with adjustable stiffness for magneto-mechanical dual-response and soft actuator”為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士生孫玉璽，通訊作者為龔興龍教授和桑敏博士后。 


圖3. 導(dǎo)電磁流變液的流變性能


  磁流變液通常是由微米級(jí)磁性顆粒分散在載液中制備而成，具有優(yōu)異的力學(xué)性能與高效的可控性。在磁場(chǎng)作用下，其中分散的磁性顆粒會(huì)迅速地沿磁場(chǎng)方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，磁流變液從牛頓流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>Bingham塑性體狀態(tài)。與磁流變彈性體等其它磁流變智能材料相比，磁流變液中的磁性顆粒在磁場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)不容易受到限制，表現(xiàn)出很高的磁流變效應(yīng)。該導(dǎo)電磁流變液在磁場(chǎng)下的粘度增大了約三個(gè)數(shù)量級(jí)（圖3h）。多壁碳納米管作為添加劑改善了磁流變液的沉降穩(wěn)定性，同時(shí)也賦予了磁流變液電傳感的性能。 


圖4. 復(fù)合材料cMFEC的磁-機(jī)械雙重響應(yīng)傳感性能


  復(fù)合材料cMFEC對(duì)不同拉伸應(yīng)變的傳感響應(yīng)表明，它可以用作監(jiān)測(cè)拉伸變形的應(yīng)變傳感器（圖4e）。在cMFEC的拉伸過(guò)程中施加橫向磁場(chǎng)后，相對(duì)電阻顯著增加（圖4f），表現(xiàn)了cMFEC的磁-機(jī)械雙重響應(yīng)特性。cMFEC具有優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性，在1000次拉伸循環(huán)后，其傳感響應(yīng)幾乎保持不變（圖4i）。此外，由于良好的柔韌性，cMFEC還表現(xiàn)出對(duì)彎曲變形的感知能力（圖4j）。最后，將cMFEC粘貼到人手指關(guān)節(jié)上監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)手指關(guān)節(jié)以不同角度彎曲時(shí)，cMFEC會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的傳感響應(yīng)（圖4k），表明其有望在人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中獲得應(yīng)用。 


圖5. 復(fù)合材料cMFEC的磁可調(diào)節(jié)剛度


  導(dǎo)電磁流變液的高磁流變效應(yīng)使得復(fù)合材料cMFEC具有磁可調(diào)節(jié)剛度特性。為此，將cMFEC與3D打印的ABS結(jié)構(gòu)組裝成承載平臺(tái)。承載平臺(tái)在165 mT磁場(chǎng)中的極限承載能力達(dá)到42 g，比零磁場(chǎng)時(shí)提高了100%（圖5f）。極限承載實(shí)驗(yàn)表明，cMFEC在壓縮過(guò)程中表現(xiàn)出磁致剛度增強(qiáng)特性。相應(yīng)地，在cMFEC的拉伸過(guò)程中，也存在磁感應(yīng)剛度增強(qiáng)特性。使用cMFEC懸掛100g重物，在300 mT磁場(chǎng)下的拉伸位移比零磁場(chǎng)下小約41%（圖5g-h），說(shuō)明cMFEC的拉伸剛度在磁場(chǎng)作用下顯著增加。磁可調(diào)節(jié)剛度的微觀原理是導(dǎo)電磁流變液中的磁性顆粒沿著磁場(chǎng)方向形成粒子鏈（圖5i），從而增強(qiáng)了復(fù)合材料的剛度。 


圖6.復(fù)合材料cMFEC的磁致動(dòng)行為


  將cMFEC與中空ABS結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計(jì)了智能磁致動(dòng)夾持器。利用有限元仿真研究了夾持器的磁致變形。磁鐵放置在中空ABS方筒體內(nèi)部，通過(guò)連桿可上下移動(dòng)，控制夾持器抓取和釋放物體。隨著磁鐵向下移動(dòng)，cMFEC的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，磁力引起的彎曲變形也增大（圖6c）。隨后磁鐵向上移動(dòng)，cMFEC受到的磁力逐漸減小甚至消失，夾緊的cMFEC由于自身的彈性而恢復(fù)，從而釋放被夾持的物體（圖6d-g）。還演示了基于cMFEC的四夾爪夾持器，可用于抓取更重的玩偶玩具（圖6h）。 


圖7. 智能磁致動(dòng)夾持器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)


  結(jié)合復(fù)合材料cMFEC的傳感能力和磁驅(qū)動(dòng)行為，設(shè)計(jì)了智能磁致動(dòng)夾持器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖7a）。通過(guò)多次抓取、轉(zhuǎn)移和釋放實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了cMFEC在相應(yīng)動(dòng)作過(guò)程中的傳感信號(hào)變化規(guī)律。開(kāi)始時(shí)，cMFEC夾爪處于自然狀態(tài)，傳感信號(hào)保持穩(wěn)定。在移動(dòng)磁鐵控制夾持器抓住物體的瞬間，由于磁場(chǎng)和彎曲變形的作用，傳感信號(hào)急劇增加。在轉(zhuǎn)移物體的過(guò)程中，傳感信號(hào)逐漸減弱。在釋放物體的瞬間，傳感信號(hào)再次迅速增大，隨后逐漸回落到接近初始值（圖7c）。傳感信號(hào)具有一定的穩(wěn)定性，可以通過(guò)實(shí)時(shí)觀察cMFEC傳感信號(hào)的變化來(lái)監(jiān)測(cè)智能夾持器的抓取、轉(zhuǎn)移和釋放動(dòng)作。


  綜上所述，本研究開(kāi)發(fā)了一種基于導(dǎo)電磁流變液的軟傳感器cMFEC，以實(shí)現(xiàn)磁-機(jī)械雙重響應(yīng)特性。作為一種應(yīng)變傳感器，cMFEC可以識(shí)別10-50%的拉伸應(yīng)變，并表現(xiàn)出電穩(wěn)定性，還可以感知彎曲角度。此外，它還可用于組裝磁可調(diào)剛度承載平臺(tái)和智能磁致動(dòng)夾持器，展現(xiàn)了在磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人方面的應(yīng)用前景。本研究為制備基于磁流變液的柔性復(fù)合材料提供了一種新的簡(jiǎn)便策略，開(kāi)發(fā)拓展了磁流變液在柔性傳感器和軟智能機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。


  原文鏈接：

  Yuxi Sun, Min Sang, Yunqi Xu, Zhentao Zhang, Shilong Duan, Yu Wang, and Xinglong Gong, Conductive Magnetorheological Fluid (cMRF)-Based Flexible Sensor with Adjustable Stiffness for Magneto-Mechanical Dual-Response and Soft Actuator, Chemical Engineering Journal, 2024, 489: 151229. DOI: 10.1016/j.cej.2024.151229.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151229

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