供稿人：高天健、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-09-07
以電子皮膚為代表的柔性電子器件在多種應(yīng)用場景中引起了廣泛的興趣，如可穿戴電子器件，表皮電子學(xué)，機(jī)器人皮膚等。到目前為止，關(guān)于電子皮膚的研究主要使用柔軟的材料保證器件的靈活性和一致性，例如使用自愈材料使設(shè)備從損傷中恢復(fù)，但這些方法并不能從本質(zhì)上防止電子皮膚受損。在自然界中，經(jīng)過持續(xù)的自然選擇過程，甲殼、鱗片或貝殼已廣泛進(jìn)化為許多生物的有效防御機(jī)制，以保護(hù)它們免受捕食者的威脅，例如大多數(shù)昆蟲、無脊椎動物、魚類、兩棲動物、爬行動物和哺乳動物。受這些結(jié)構(gòu)啟發(fā)的保護(hù)性仿生裝甲設(shè)計，可以像那些保護(hù)自己柔軟身體的生物一樣，為柔性電子設(shè)備的適應(yīng)性帶來實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。針對上述問題，受蛇皮的啟發(fā)，華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合了電子皮膚和仿生裝甲的概念，提出了一種新型的電子裝甲(E-armor)，它不僅具有類似于電子皮膚的機(jī)械柔韌性和電子功能，而且能夠保護(hù)自身和下面的軟體免受外部物理損傷。
圖 1受蛇皮啟發(fā)的軟鉸鏈電子裝甲示意圖
如圖1所示，堅(jiān)硬的鱗片由柔軟的被膜連接起來，這使蛇的皮膚能夠大范圍膨脹，保證了由堅(jiān)硬的鱗片和柔軟的被皮組成的皮膚的靈活性、順應(yīng)性和保護(hù)性。此外，鱗片下方真皮層的神經(jīng)末梢能夠檢測外部刺激，如溫度和壓力，從而保證蛇皮的傳感功能。這種多功能蛇皮設(shè)計為電子裝甲提供了靈感，類似于蛇皮的組成，電子裝甲由剛性瓦片組成，在選定節(jié)點(diǎn)上由軟材料連接。Kiri-MM型軟鉸鏈采用軟聚合物復(fù)合材料（硅橡膠），具有超低宏觀模量和合理的高拉伸性。進(jìn)一步通過在剛性瓷磚上加入電子元件，并在軟鉸鏈上使用導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料來進(jìn)行電氣增強(qiáng)。圖1E通過集成二極管和柔性傳感器的電子裝甲演示了這一概念。模擬蛇吞食獵物，將直徑約為51mm的鴨蛋放入管狀電子裝甲（直徑為34mm,18片，每片為6mm×6mm）中，膨脹率可達(dá)50%。
圖 2軟鉸鏈的可拉伸性、柔韌性和一致性
軟鉸鏈Kiri-MM設(shè)計使電子裝甲具有非凡的力學(xué)性能，即拉伸性能。在鉸鏈處使用軟材料從本質(zhì)上增強(qiáng)了器件的力學(xué)性能，軟鉸鏈Kiri-MM板可以很容易地彎曲或軋制成所需的彎曲形狀，如風(fēng)車。軟鉸鏈和單材料Kiri-MM板遵循不同的變形模式。在軟鉸鏈中也會發(fā)生屈曲，就像在單材料模型中發(fā)生的那樣，但在拉伸加強(qiáng)階段，它會迅速平滑，并切換回平面內(nèi)拉伸。
為了模擬蛇吞蛋的動態(tài)過程，研究人員制作了一種柔性管狀電子裝甲?；诳涨唤Y(jié)構(gòu)設(shè)計，電子裝甲沿其長度配備了靈活的壓力傳感器，通過壓力誘導(dǎo)電容變化來感知雞蛋。沿著管道長度交替分配傳感器，可以使其對來自內(nèi)部和外部的壓力都敏感。內(nèi)部傳感器用于測量通過雞蛋的壓力，外部傳感器感知環(huán)境壓力。隨著雞蛋的移動，電子裝甲會局部拉伸并包裹雞蛋，雞蛋通過后電子裝甲會變回未拉伸的狀態(tài)。剛性瓦片隔離了內(nèi)外傳感器，以便分別測量內(nèi)外壓力。特別是內(nèi)部傳感器可以精確定位經(jīng)過的雞蛋的位置，而外部傳感器幾乎不受影響。
圖 3軟鉸鏈的傳感功能測試
這一工作展示了一種新型的電子裝甲概念，它不僅具有機(jī)械拉伸性、柔韌性和一致性，而且還能保護(hù)底層的軟體從外部物理或熱損壞。與電子皮膚不同的是，電子裝甲的非常規(guī)剛性瓷磚設(shè)計提供了這種保護(hù)能力。Kiri-MM軟鉸鏈獨(dú)特的幾何設(shè)計提供了以下優(yōu)勢:i)由于負(fù)泊松比，可拉伸性和大面積覆蓋，ii)可保護(hù)剛性材料制成的瓦片，iii)克服固有膨脹的完全一致性，iv)無需改變剛性瓦片的結(jié)構(gòu)可編程性。在此基礎(chǔ)上，這種軟鉸鏈Kiri-MM電子裝甲系統(tǒng)成功地展示了其出色的機(jī)械靈活性、拉伸性、一致性和保護(hù)性之外的電子功能。通過集成不同的電子模塊，可以實(shí)現(xiàn)壓力感知、可編程顯示和環(huán)境監(jiān)測等初步功能。這種電子裝甲不僅可以用于保護(hù)自身或軟體機(jī)器人，而且在智能人工血管支架等生物集成設(shè)備中也很有前景。這些更復(fù)雜的方法以及電子裝甲在柔性電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的研究有待未來的研究。