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基于液体金属的电子皮肤全软多轴力传感器gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

为了准确监测外界环境,需要能够检测各种物理刺激的电子皮肤(E-skin)。在此,我们报道了一种基于液体金属微通道阵列的全软多轴力传感器,用于电子皮肤应用。该传感器由可伸缩弹性体和Galinstan(一种共晶镓-铟合金)组成,具有较高的机械灵活性和机电耐用性。液相金属微通道阵列采用多层结构,沿圆顶结构定位,以检测多向力,并得到数值模拟结果的支持。通过调节穹顶的高度,我们可以控制多轴传感器对挠度的响应。作为多轴力传感的一个示范,我们能够通过液体金属微通道阵列的响应,用手指监测多向力的方向。这项研究可以应用于各种领域,包括软机器人、可穿戴设备和人工智能皮肤应用的智能假肢。gydF4y2Ba

简介gydF4y2Ba

人类皮肤可以利用机械感受器的多层和阵列结构来检测和理解各种机械刺激[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba].许多研究人员最近报告了各种类型的电子皮肤(E-skin),模仿皮肤的多种功能,如压力传感[gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba],触觉感应[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba],以及温度感应[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba].为了准确地了解外界环境或刺激,电子皮肤需要模拟人类的感知和自然触觉,感知各种机械信息。以前许多灵活的触觉传感器只测量正常的[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]或剪切力[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba已被报道过。然而,在蒙皮的界面处,不仅受到法向力,而且还受到切向力,从而产生对蒙皮的多轴力。为了灵巧地操纵物体和深入了解界面的动力学,多向力的监测是必不可少的。gydF4y2Ba

目前,各种多轴力传感器已被报道用于电子皮肤应用,使用mems金属应变计[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba].然而,这些传感器受限于其坚硬的硅基板和在柔软的人体皮肤上的适应性。因此,已经出现了使用导电纱的多轴力传感器[gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,碳纳米管[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]和金属纳米线[gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba)的柔性衬底,如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex。然而,采用金属薄膜、碳纳米管等的固态电子材料在长期使用中,拉伸能力有限,信号漂移。此外,这些信号很容易受到外界环境条件的影响,如温度和湿度,限制了它们在现实生活中的应用。gydF4y2Ba

在本研究中,我们介绍了一种基于液体金属(LM)的软性多轴力传感器应用于电子皮肤。多轴力的检测是通过实现具有三维圆顶结构的多个液体微通道实现的(图。gydF4y2Ba1gydF4y2Baa).在弹性体顶部制作4个LM微通道,在底部沿三维穹顶结构垂直方向制作4个LM微通道,用于多向力检测(图1)。gydF4y2Ba1gydF4y2Bab).为了调整灵敏度,研究了法向力对传感器衬底的响应。作为演示,我们用手指施加各种多向力,并监测其相应的反应。gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

球形结构液体金属基多轴力传感器。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba提出的传感器的原理图设计。gydF4y2BabgydF4y2Ba所述传感器的图像gydF4y2Ba

设计及工作原理gydF4y2Ba

基于LM的多轴力传感器由多层结构LM微通道阵列和圆顶结构LM微通道阵列两部分组成。设计了多阵列液体金属微通道,实现了负载位置的识别。仅用一个LM微通道是不可能了解加载点或区域的。因此,在弹性体顶部和底部分别设计了4个垂直微通道和4个微通道。单位面积上的微通道数表示传感器的空间分辨率。通过更多的微通道,可以从不同的加载角度测量更精确的信号。在我们研究的E-skin应用中,我们感兴趣的区域是在5 mm × 5 mm以内的手指力测量。由于FDM 3D打印微通道的最小特征尺寸被限制为500 μ m,因此确定了微通道的最大数量为4个。由于顶部通道和底部通道相互垂直,它们组成了4 × 4矩阵,用于空间检测作用力。每个微通道的宽度为500 μm,厚度为200 μm。 Furthermore, the multilayer LM microchannels are shaped into the 3D dome structure. When the morphology of the sensor is a plane or in 2D, it is difficult to detect the tangential loadings and cause a severe shear stress inside. On the other hand, the 3D dome structure can translate the tangential loading to change of cross-sectional area of LM microchannel along the dome. Unlike previous multiaxial force sensors with dome structure [22gydF4y2Ba],圆顶结构不必是刚性的我们提出的传感器。以前的多轴传感器采用刚性半球形结构,通过切向力引起的扭矩将外力传递到其下方的应变计或传感结构。然而,当LM微通道位于穹顶表面时,它们直接受到外力的压缩。这使传感器成为全软结构,可以共形适应任何基底。gydF4y2Ba

全软液金属基多轴力传感器是通过多片LM微通道阵列的电阻变化来检测力的。Galinstan是一种由镓、铟和锡组成的共晶合金,因其作为可拉伸电子器件的优异的机械和电气性能而受到越来越多的关注[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba].由于Galinstan微通道是液态金属的固有性质,因此在不发生机械或电气故障的情况下,很容易变形成三维圆顶形状。当对LM微通道施加外力时,微通道的截面积减小,导致阻力增大。每个LM微通道的响应随加载条件的不同而不同。gydF4y2Ba

底层传感器的液态金属微通道被标记为× 1、x2、x3、x4,上层传感器的液态金属微通道被标记为y1、y2、y3、y4(图4)。gydF4y2Ba2gydF4y2Baa).在横断面视图(x-z平面)中,可以θ角对传感器施加多向载荷。当加载法向力(θ = 0°)时,中心的LM微通道x2、x3、y2、y3受到的力大于侧面的LM微通道。随着θ的增大,传感器的响应会从中心向侧面偏移,如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2BaB: 1(θ = 0°)→2(θ = 15°)→3(θ = 30°)采用有限元法(FEM)对穹顶结构的变形随加载角θ的变化进行了模拟。gydF4y2Ba2gydF4y2Bab)。gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba

该传感器的工作原理。gydF4y2Ba一个gydF4y2Bax(x1, x2, x3, x4)和y (y1, y2, y3, y4)方向的多层液态金属微通道和x(y)-z平面不同加载方向的微通道。传感器阵列对加载方向的不同响应(gydF4y2Ba①gydF4y2Ba,gydF4y2Ba②gydF4y2Ba,gydF4y2Ba③gydF4y2Ba).gydF4y2BabgydF4y2Ba有限元分析(FEA)模拟结果显示了液态金属微通道的相应变形gydF4y2Ba

制造过程gydF4y2Ba

基于lml的多轴力传感器的制作过程如下图所示。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba).首先,利用3D CAD (Fusion 360, Autodesk)设计了用于液态金属微通道的主模具。四个微通道共用一个末端的储层结构。该储液器为液态金属注入提供了一个空间,并存储了填充微通道后剩余的液态金属。该模具是3d打印的聚乙烯醇(PVA)长丝是一种水溶性材料(图。gydF4y2Ba3.gydF4y2Baa).微通道模具尺寸为宽500 μm,厚度200 μm,这是熔融沉积建模(FDM) 3D打印的最小特征尺寸。3D打印模具定位在弹性体片上(图。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bab).由于它们在模具和弹性体之间具有固有的粘着性,所以在旋转涂覆过程中模具不动。然后,通过旋转涂层(300 rpm, 60 s)将模具嵌入到弹性体(Dragonskin10, Smooth-on)中,随后进行额外的模具嵌入(图1)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bac).顶部模具与底部模具垂直排列,使顶部和底部微通道垂直交叉(图1)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bad e)。然后,注入40-50℃的水溶解PVA模具,快速去除(图5)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Baf) PVA去除后,空微通道弹性体在50°C下干燥2 h,然后用注射器注射或真空填充的方法将Galinstan注入空微通道中(图1)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bag).用真空室制作三维穹顶结构。在直径为5mm的孔处对液态金属填充平面传感器的交叉区域进行真空处理(图5)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bah).圆顶的高度由施加压力的振幅控制。当弹性体厚度为0.8 mm时,穹顶高度(H)为0.9 mm, Δp =−10 kPa, H = 2.2 mm, Δp =−30 kPa。为了固定穹顶的形状,在穹顶的另一侧填充和固化了额外的弹性体,填充了凹丘(图1)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bai).固化后,压力释放(图5)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Baj).然后将导线直接插入通道的每个贮水池中,与电路系统集成。gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

所述传感器的制作过程。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba微通道模具3D打印。gydF4y2BabgydF4y2Ba将3d打印的PVA模具放置在弹性体薄膜上。gydF4y2BacgydF4y2Ba模具的镶嵌由旋涂和固化而成。gydF4y2BadgydF4y2Ba放置在顶部的第二个模具。gydF4y2BaegydF4y2Ba模具的嵌入。gydF4y2BafgydF4y2Ba取出模具。gydF4y2BaggydF4y2Ba在微通道内用注射器注入或真空填充液态金属。gydF4y2BahgydF4y2Ba利用真空室制作圆顶结构。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba用于穹顶结构固定的附加弹性体的固化。gydF4y2BajgydF4y2Ba所述传感器的制作gydF4y2Ba

性能表征gydF4y2Ba

为了研究多轴力传感器的响应,我们实现了三轴载荷传感器(SM-50 N, CAS Korea),用于监测施加在传感器上的x、y和z方向的力,以及用于位移控制加载的带有加载尖端的线性级(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Baa)每个LM微通道连接到安装在Arduino DUE (Arduino)上的8通道ADC读取器(ADS1114, Texas Instruments)。LM微通道标记为x1, x2, x3, x4,如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Bab.在初始状态(F = 0)时,由于液态金属的高导电性,电压约为20 mV,对应的电阻约为0.4 Ω。通过分压电路和高分辨率的ADC读取器,可以监测到电压的微小变化。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba

性能表征。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba实验设置。gydF4y2BabgydF4y2Ba传感器的原理图。(x1-x4:每个LM微通道的标签,gydF4y2BaHgydF4y2Ba:圆顶的高度,和gydF4y2BaDgydF4y2Ba:圆屋顶直径)gydF4y2BacgydF4y2Ba传感器随穹顶高度的响应(gydF4y2BaHgydF4y2Ba) 0.9毫米的法向力。gydF4y2BadgydF4y2Ba实时响应各种负载gydF4y2BaegydF4y2Ba传感器的响应gydF4y2BaHgydF4y2Ba是2.2毫米。gydF4y2BafgydF4y2Ba根据穹顶高度对位移的敏感度gydF4y2Ba

在球形传感器中,内部LM微通道对和外部LM微通道对的位置分别是几何对称的。(x2和x3:内一对,x1和x4:外一对)。因此,在法向力作用下,各对传感器的响应表现出相似的趋势。当施加1.2 N的法向力时,相对电压变化(ΔV/VgydF4y2Ba0gydF4y2Ba)分别增加到12.1和15.8。另一方面,最外层的一对x1和x4的响应分别只有0.4和0.8。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac).这意味着所开发的多轴力传感器可以利用LM微通道由于穹顶几何形状的变化而产生的位置差异来区分施加的力的方向。此外,由于液态金属的良好稳定性和传感器的结构,传感器的响应在多次加载循环后恢复到初始值(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Bad).同时,当圆屋顶高度(gydF4y2BaHgydF4y2Ba)增加到2.2 mm时,外部传感器对的响应略有不同:x1的响应在0.5 N后开始增加,而x4的响应在1 N后开始增加(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Bae).这是由于LM微通道沿穹顶的间隙不同所致。gydF4y2Ba

测量了穹顶不同高度下的力位移曲线,验证了传感器的灵敏度。当H增大时,在相同位移下施加的力减小,传感器的灵敏度降低(图5)。gydF4y2Ba4gydF4y2Baf).例如,当施加1 N法向力时,顶高需要200µm的加载位移gydF4y2BaHgydF4y2Ba= 0.9 mm,而需要900µm的驱替gydF4y2BaHgydF4y2Ba= 2.2毫米。当力作用在没有圆顶结构的传感器上时(gydF4y2BaHgydF4y2Ba= 0 mm)时,响应随加载位移显著增大。作为gydF4y2BaHgydF4y2Ba增加,更大的位移需要加载力。还有,圆顶用的比较大gydF4y2BaHgydF4y2Ba在相邻通道之间提供更大的径向位移,这导致传感器阵列的不同响应行为。这些特性导致了多轴传感器对圆顶高度和直径的灵敏度的差异。此外,穹顶的直径也会影响液态金属通道之间的间隙,虽然我们的研究没有涉及。gydF4y2Ba

研制的传感器特性在平面上进行了研究,在平面上精确控制力的方向和大小是可能的。另一方面,当传感器位于弯曲或波浪表面时,传感器的趋势或行为将会不同,因为微通道是变形的,需要对初始状态进行额外的校准。传感器在不同表面几何形状上的表征超出了本研究的范围,留给电子皮肤实际应用的未来工作。gydF4y2Ba

应用程序:手指加载gydF4y2Ba

为了证明所提出的传感器的可行性,我们使用手指施加了各种方向的力(图。gydF4y2Ba5gydF4y2Baa).各种方向力(FgydF4y2Ba1gydF4y2Ba- fgydF4y2Ba4gydF4y2Ba)被应用到传感器上;FgydF4y2Ba1gydF4y2Ba:(−x, 0,−z), FgydF4y2Ba2gydF4y2Ba:(+x, 0,−z), FgydF4y2Ba3.gydF4y2Ba:(0, +y, - z), FgydF4y2Ba4gydF4y2Ba:(0,−y,−z)gydF4y2Ba5gydF4y2Bab).为了可视化加载力的方向和振幅,我们将顶部和底部阵列的相对电压变化相乘,实现了4 × 4矩阵阵列三维色图(MATLAB, Mathworks)。LM微通道可分为两组:顶层和底层。在顶层有四个LM微通道;X1 x2 x3 x4,底部是4;Y1, y2, y3, y4。每个组件都有自己的响应,或相对电压变化(XgydF4y2Ba我gydF4y2Ba=ΔVgydF4y2Ba西gydF4y2Ba/ VgydF4y2Baxi0gydF4y2Ba和YgydF4y2Ba我gydF4y2Ba=ΔVgydF4y2Ba易gydF4y2Ba/ VgydF4y2Bayi0gydF4y2Ba)gydF4y2Ba并可以总结如下。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba
图5gydF4y2Ba

用途:手指力检测。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba手指用力的图像。gydF4y2BabgydF4y2Ba不同的加载条件。gydF4y2BacgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba对不同加载力的响应gydF4y2Ba

$ $ X \; \文本{=}\;\离开({X_1{} \ \文本;X_2{} \ \文本;X_3{} \ \文本;X_4} \右)$ $gydF4y2Ba
$ $ Y \; \文本{=}\;\离开({Y_1{} \ \文本;Y_2{} \ \文本;Y_3{} \ \文本;Y_4} \右)$ $gydF4y2Ba
$$S\;\text{=}\;Y^{T} * \; x $$gydF4y2Ba

为了检测加载方向,将顶部和底部LM微通道的响应相乘,构建4 × 4矩阵(S),我们可以检测到加载位置和它们的相对力大小,如图所示。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba氟。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

在本研究中,我们介绍了一种采用球形结构的液体金属微通道阵列的多向力传感器。采用3d打印成型法制备了LM微通道。由于微通道阵列沿三维穹顶结构布置,可以分辨出各种方向的力,力灵敏度高。由于液态金属固有的机电特性和较高的柔性,该传感器具有较高的信号恢复性能。通过传感器阵列的含义和相应的三维彩色图来区分使用力的各种方向力。我们希望这项技术可以用于各种基于软材料的应用,包括电子皮肤、软机器人和可穿戴设备。gydF4y2Ba

数据和材料的可用性gydF4y2Ba

本研究期间产生或分析的所有数据均包含在本出版物中。gydF4y2Ba

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下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

不适用。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

本研究得到了韩国政府(MSIT)资助的韩国国家研究基金(NRF) (No. 2018R1A2B2004910)的资助。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者和联系gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba

贡献gydF4y2Ba

KK设计了传感器的原理,进行了实验,分析了数据,并撰写了论文。JA进行了有限元模拟,JC制作了圆顶结构,YJ搭建了多轴力传感器的实验系统,OG进行了实验。IP主导了项目的整体方向,并撰写了论文。所有作者都同意了手稿的最终版本。所有作者阅读并批准了最终稿件。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2BaInkyu公园gydF4y2Ba.gydF4y2Ba

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金凯,安俊杰,郑昱。gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba基于液体金属的电子皮肤全软多轴力传感器。gydF4y2Ba微纳系统莱特gydF4y2Ba9gydF4y2Ba2(2021)。https://doi.org/10.1186/s40486-020-00126-9gydF4y2Ba

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  • 电子皮肤gydF4y2Ba
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