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内容概览
现有技术缺点
信号漂移：软材料的粘弹性蠕变和离子泄漏会导致离子传感器在高应力下信号漂移，影响测量的准确性，特别是在长期压力应用中。 离子泄漏：传统的离子导体材料易出现离子溶剂泄漏，扩大电双层（EDL）的有效面积，导致信号上漂，难以实现稳定传感。
材料局限：现有材料在减少蠕变的同时通常增加了刚度，且离子凝胶材料存在难以用于生物组织接口的问题。
文章亮点
无漂移离子传感器：通过设计无泄漏、无蠕变的聚电解质弹性体（PEE），实现了在超高静态压力下几乎不漂移的离子传感器，漂移率显著低于传统离子导体传感器。
高性能材料：PEE材料具备高柔软度、低蠕变和高拉伸性，同时避免了离子泄漏，保持了传感器在高应力下的信号稳定性。
广泛应用潜力：PEE材料不仅适用于压力传感，还可用于电生理信号收集和应变传感，并且由于其无毒性和高灵敏度，具有在机器人技术和人体健康监测中的应用前景。
应用场景
机器人操作：利用PEE材料制作的离子传感器能够在高压力下实现稳定的信号传输，适用于精确控制和操作机器人夹具。
人体应变传感：PEE材料的低蠕变和低迟滞性使其在人体应变传感中的应用备受期待，可用于可靠的生物医学信号监测。
电生理信号收集：由于其无泄漏特性，PEE材料可用于电极和生物组织的界面化，适用于生物医学领域的各种传感器应用。
总结
本文提出了一种基于无泄漏、无蠕变的聚电解质弹性体（PEE）的无漂移离子传感器，克服了传统软材料传感器在长时间高压力下信号漂移和测量不准确的挑战。该技术不仅提高了传感器的稳定性和精确性，还展示了其在机器人操作和人体应变传感等领域的广泛应用潜力，为高精度人工触觉技术的发展提供了新的材料和设计策略。
文章名称：Creep-free polyelectrolyte elastomer for drift-free iontronic sensing
期刊：Nature Materials
文章DOI：
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01848-6
通讯作者：南方科技大学郭传飞(Chuan Fei Guo)&杨灿辉(Canhui Yang)
02
图文简介
无泄漏和无蠕变的聚电解质弹性体
作者合成了一种软离子导体，它无泄漏且无蠕变，以消除信号漂移（图1d）。作者合成了一个由两种类型的片段组成的随机共聚物网络：一个带电片段和一个中性滑动片段。为了实现无泄漏行为，聚合物网络不含溶剂，并且至少有一种类型的离子（本研究中为阳离子）嫁接到聚合物链上。当与其他材料接触时，在离子电子界面处的离子浓度梯度促进了离子的向外扩散。然而，离子的远距离定向扩散会拉伸聚合物链，减少聚合物链构象数量并降低熵。熵的减少引起聚合物链中的弹性力，阻止嵌入离子以及通过静电相互作用移动反离子向外扩散。
图1 无漂移离子电子传感的原理、材料和化学。a，图示离子电子传感器作为人机交互的人造皮肤。本研究中使用的离子传感器由一层微结构离子导体夹在两层电子导体之间构成。左上角：传感器的外观，采用聚电解质弹性体作为离子导体，金作为电子导体。b，在方波应力作用下，传统离子电子传感器会产生漂移信号，导致不准确的感知，而无漂移离子电子传感器产生不漂移信号，感知准确。c，传统离子电子传感器的信号漂移归因于成分泄漏和/或离子导体在长时间静态应力下的蠕变。d，无漂移离子电子传感用无漏无蠕变聚电解质弹性体的设计原理，示例了离子段AMT（左上）和中性滑动段MA（右上）的化学结构。c和d中的“F”代表施加的力
聚电解质弹性体的表征
图2 聚电解质弹性体的表征。a，P(AMT-co-MA)-PMA在恒定拉伸应力为200 kPa下应变和阻抗随时间的变化。b，P(AMT-co-MA)-PMA在最大应力为400 kPa的循环拉伸应力下的峰值应变随时间的变化。c，PAMT、P(AMT-co-MA)和P(AMT-co-MA)-PMA的单轴拉伸应力-应变曲线。d-f，三种材料的模量和强度（d），韧性（e）以及单轴压应力-应变曲线（f）。h，P(AMT-co-MA)-PMA在15%拉伸应变下1,000次加载-卸载循环中的迟滞行为。i，j，P(AMT-co-MA)-PMA的Nyquist图（i）和Bode相位图（j）。
基于PEE的离子电子传感器的感知特性研究
图3 离子电子传感器的感知特性。a，基于PEE的离子电子传感器组成的示意图。b，传感器的响应时间和恢复时间。d，基于PEE传感器的电容在静态压力500 kPa下48小时内随时间变化。e，基于PEE传感器在400 kPa下经受方波循环压力，每次持续20秒，超过1000次循环。f，基于PEE传感器对静态和动态载荷叠加作用下的响应。平均应力为375 kPa，波动的幅度和频率分别为50 kPa和2 Hz。g，在静态压力500 kPa下10分钟内，基于离子凝胶的传感器的电容随时间变化。h，基于离子凝胶的传感器在400 kPa下经受方波循环压力，每次持续20秒，共10个周期。i，电离凝胶传感器在静态和动态载荷（与之前相同）叠加作用下的响应。
图4 不同离子电子传感器的漂移比和漂移率。a，漂移比和漂移率的定义。b，在相同压力（约500 kPa）下，不同离子导体传感器的漂移比的比较，持续10分钟。c，不同传感器在约500 kPa压力下漂移率随时间的变化。d，压力-模量图。作者将无漂移标准定义为在特定压力下10分钟内漂移比小于1％。
传感器在闭环机器人操作中的应用
图5 用于稳定机器人操作的精准力传感。a，装有离子电子传感器和力传感器的机器人夹具的照片。b，控制系统的程序图，包括计算机、控制器板、夹具、离子电子传感器和LCR仪表。c，以约350 kPa的夹紧应力夹持钢块时，基于PEE的电容传感器、DGC和力随时间变化。d，连续快照显示了基于PEE传感器稳定控制夹具夹持钢块。e，连续的快照显示了一个基于离子凝胶的传感器对抓取同一钢块的不稳定控制。f，连续快照显示了基于PEE传感器稳定控制夹具夹持约20 kPa的番茄。g，连续快照显示了基于水凝胶传感器过载夹持番茄。
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文献来源
He, Y., Cheng, Y., Yang, C. et al. Creep-free polyelectrolyte elastomer for drift-free iontronic sensing. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01848-6
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