摩擦纳米发电机(TENG)可以将环境中不规则和微小的机械能转换成电信号用于自供能传感，被认为是一种很有前途的技术。然而，柔性传感器功能层和相应电极的特殊组成结构需要多步骤复杂的制造和组装工艺，很难准确快速地实现两者的无缝集成，严重制约了具有复杂形状和结构的柔性传感器的设计，限制了其潜在的应用。此外，为了解决大多数软体机器人缺乏实时感官反馈的问题，将柔性传感器直接一体集成到软体机器人中，模仿生物器官的结构和功能，以实现有效的感官识别和多任务处理是至关重要的。
二、文章简介：
针对上述问题，华南理工大学钟勇副教授团队报告了一种具有催化剂扩散效应的导电液态金属-硅胶(LMS)油墨，用于直接制备柔性和可拉伸的自封装导电复合材料和基于TENG自封装柔性触觉传感器。具体来说，引入乙烯基硅油和铂催化剂解决纯液态金属高表面张力的挑战，以获得具有优异打印性能的LMS油墨。将硅胶中的交联剂和催化剂分别放在支撑基质和LMS油墨中单独使用，结合嵌入式3D打印工艺，当LMS油墨在支撑基质的打印过程中，催化剂沿着打印路径向外扩散，固化LMS油墨周围的硅胶，实现LMS油墨的自封装，进而构建柔性传感器，实现其电极层和功能层的一体集成。此外，将LMS油墨和硅胶油墨按照指定的路径依次在支撑基质中打印，一步完成了具有复杂空腔结构的自感知软体机器人仿生手指的设计和制作，实现了传感器和执行器的一体化。相关研究成果发表于Advanced Functional Materials上。博士生鲜帅为论文第一作者，钟勇副教授为通讯作者，华南理工大学为论文第一单位。
本文将乙烯基硅油和铂催化剂添加到液态金属中以降低其表面张力增加其润湿性，制备了具备打印性能和催化剂扩散效应的导电LMS油墨。研究者将催化剂和交联剂分开使用(铂催化剂置于LMS油墨中，交联剂置于支撑基质中)，油墨和支撑基质仅在接触时固化，从而实现按需打印-固化过程。利用嵌入式3D打印工艺，LMS油墨在支撑基质中按照指定路径打印时，LMS油墨中的催化剂随着打印路径小范围地向外扩散，此时乙烯基硅油的C꞊C与交联剂中的Si-H在催化剂的作用下反应生成Si-C，从而形成三维交联网络，因此LMS油墨周围的硅胶均会被固化，从而实现LMS油墨的自封装，得到自封装导电复合材料（SELCCM）。SELCCM最初是不导电的，但在加压激活后表现出良好的导电性(约3.5×105 S/m)。同时，自封装硅胶层的存在赋予SELCCM优异的抗损伤性，即使经受各种变形如扭曲、弯曲和拉伸等，依旧展现出稳定的导电性。由于LMS墨水独特的激活原理，功能电路(如一次性按压开关)可以直接打印，而无需额外的结构设计。此外，通过将LMS墨水的打印路径扩展到规则矩阵中，可以获得基于单电极TENG的自供电、可穿戴自封装柔性触觉传感器。在此过程中，得益于LMS油墨和支撑基质中均含有大量的乙烯基硅油，电极层和摩擦层在固化成形的过程中会相互无缝连接，因而在一步制备中实现了电极层和摩擦层的同步制备和无缝集成，构建了一体化的柔性传感器，增加其可靠性。该传感器表现出出色的灵敏度(0.308 V/kPa)、高线性度(约0.99)、良好的耐用性(超过10，000次循环)以及在变化的外力下稳定的频率响应。由于其良好的电学性能和机械性能，传感器可以容易地附着在人体关节上，用于监测运动姿态。结合CNN在传感器中的应用，可以对不同人体姿态行为进行分类识别，准确率高达96%。此外，将LMS墨水和硅胶墨水按照指定的路径依次在支撑基质中打印，一步完成了具有复杂腔体结构的自感知柔性机器人抓手的设计和制作。制备的软体抓手表现出优异的感知特性，在抓取和释放过程中能实时感知和区分目标物体的形状和材料。
图1. 自封装LMS油墨的制备和应用示意图。(a) LMS墨水的制造路线。(b) 具有催化剂扩散效应的LMS的概念设计图，用于在嵌入式3D打印过程中制造柔性传感器和软体机器人。(c) 交联反应的化学示意图。(d) 自封装导电复合材料；(e) 柔性传感器；(f) 自感知软体手指。
图2. LMS油墨的表征。(a) LMS油墨的SEM图像。(b) 液态金属和(c) LMS油墨在不锈钢基底上的接触角。LMS油墨和硅胶油墨的(d) FTIR图和(e) XRD图。(f) 支撑基质的剪切模量与振荡应变的函数关系。(g) LMS油墨的粘度与剪切速率的函数关系。(h) LMS油墨的剪切模量与振荡应变的函数关系。(i) LM和(j) LMS油墨在支撑基质中的打印结果。
图3. 自封装导电复合材料（SELCCM）的表征。(a) SELCCM的SEM图。SELCCM的(b) 横截面和(c-d) 纵向截面的SEM图。(e-h) SELCCM的EDS图像。(i, j) 未激活和(k, l) 激活的LMS油墨的SEM图。(m) 按压激活打印路径示意图。(n) 激活SELCCM时的电阻率变化曲线。(o) 不同固化时间下打印样品的横截面积。(p) 使用不同催化剂含量的LMS油墨印刷的样品横截面积。
图5. 自封装柔性触觉传感器（SEFTS）的工作原理和性能表征。(a) SEFTS在正常外部刺激下的工作原理。使用(b) 光学显微镜和(c) 三维光学轮廓仪观察SEFTS的三维表面轮廓。(d, e) SEFTS的电学输出信号。(f, g) 外部压力为1.1—112 kPa时的电学输出信号。(h, i)根据图5(f)和(g)计算和分析的灵敏度和线性度。(j) SEFTS的频率响应（0.7-3 Hz）。(k) SEFTS输出电压的耐久性测试。
图6. 将SEFTS应用于人体姿态监测。(a) 用于人体姿势监测的SEFTS示意图。(b) 安装在肘关节上的SEFTS的V-t曲线。(c) 安装在手指上不同弯曲角度的SEFTS的V-t曲线。(d) 多个SEFTS用于手势识别。(e-j) SEFTS安装在脚底，用于步态识别。(k) CNN模型的过程和参数示意图。手指不同弯曲角度的(l) 混淆矩阵图和(m) 识别准确率。不同步态的(n) 混淆矩阵图和(o) 识别准确率。
图7. 自感知软体抓手的设计和应用。自感知仿生软体手指的(a) 示意图和(b) 光学图像。仿生软体手指在不同气压下的(c) 图片和(d) 弯曲角度。(e) 软体抓手在不同驱动气压下的照片。(f-h) 软体抓手抓取和释放球体、圆柱体、半圆柱体、多面体和立方体时的V-t曲线。(i, j)当SEFTS受到不同材料的外部刺激时，输出电压的变化。(k) 软体抓手抓取和释放不同材料球体时的V-t曲线。
感谢您的关注！
关于我们
主营业务：论文配图与期刊封面制作、文献解读的科普动画制作、期刊论文语言润色与内容指导。投稿荐稿、发布招聘、商务合作、业务咨询等，可扫码联系小编，添加请备注：姓名+单位+需求。
网址：www.kejiangculture.com
邮箱：kejiang_xs@163.com (编辑部)、kejiang_culture@163.com (设计部)
