面外力検出のための3次元伸縮性ひずみセンサー

面外力検出のための3次元伸縮性ひずみセンサー
著者: Shang Zhentao、Tian Xiaoyong

伸縮性ひずみセンサーは、柔らかい機械のインターフェースとして、医療モニタリング、リハビリテーション支援、柔らかい外骨格装置、およびソフトロボットの機械的状態情報を検出する重要な手段を提供します。 2次元平面フィルムをベースにした伸縮性ひずみセンサーは、センサー面内の応力を検出するために広く研究され、使用されています。より包括的な機械的情報を取得するには、図1に示すように、センサーが配置されている面の外側の相互作用によって生じる面外力情報を検出する必要があります。



図1 センサーによって検出された面内および面外の力 南洋理工大学の研究者は、3Dプリント技術とカーボンナノチューブの毛細管現象および自己固定を利用して面外応力を検出する伸縮性ひずみセンサーを開発しました[1]。 3次元構造センサーは、強い伸縮性、多重ひずみ検出、ひずみ方向認識機能を備えています。
図2に示すように、著者らはまず伸縮性センサーの機械構造を設計した。センサーの根元に台形の遷移領域を導入し、センサーと基板の壁厚を減らし、センサーの棒状部分の剛性を高めることで、センサーの応力集中係数と0.1%を超えるひずみ値の領域が増加し、センサーの感度と感知信号の安定性が向上した。


図2 エネルギー保存則と古典的曲げモーメント理論に基づくセンサー機械構造の最適化 著者らは、FDM(熱溶解積層法)3Dプリントプロセスを使用して、成形型としてポリ乳酸基板を準備し、その表面に一定の厚さのPDMS(ポリジメチルシロキサン)をスピンコートし、準備したカーボンナノチューブ/脱イオン水溶液をセンサーの根元の円錐面に塗布し、次にセンサーの底部にいくつかのカーボンナノチューブリングを固定し、図3に示すように、5点パッケージング法を使用してセンサーをパッケージングしました。


図3 5点パッケージ化された伸縮性ひずみセンサユニットの構造の概略図。作製したセンサでは、ひずみ条件に応じてセンサの根元が4つの領域に分割されています(図4):引張領域(i)、圧縮領域(iii)、混合領域(ii、iv)。著者らは、センサーの棒状部分をさまざまな角度で曲げたときの4つの領域の抵抗値をテストし、センサーの圧電抵抗効果を検証しました。センサーの耐久性と安定性の特性を得るために、図 5 に示すように、センサーの引張領域と圧縮領域で応力繰り返し荷重実験を実施しました。


図4 センサーを異なる角度で曲げたときの4つの領域の正規化された抵抗値(Rはひずみ発生後の抵抗、R0は曲げが発生していないときの抵抗)


図5 センサーの周期的ひずみ負荷実験 筆者らは、異なる流量の窒素ガス流におけるセンサーの抵抗変化を検出しました(図6)。結果は、窒素流量が1m/sから11m/sに増加すると、正規化抵抗が元の値の約10倍になり、センサーの範囲が広く、感度が良好であることを示しています。


図 6 異なる窒素流量におけるセンサーの正規化された抵抗。センサーは簡単に統合でき、複数の歪みやマイクロ流体の流れを検出するために使用できます。また、流量、減衰振動、準静的力バランス、流れの状態など、複雑な流れの詳細を監視することもできます。 3D プリントと溶液ベースの材料の使用により、コスト管理とセンサーの大規模応用が可能になります。この 3 次元構造の伸縮性センサーの概念と関連する設計原理は、人工電子皮膚やフレキシブル電子デバイスの研究への道も開きます。
参考文献
LF Wang、J. Sun、XL Yu、Y. Shi、XG Zhu、LY Cheng、HH Liang、B. Yan、LJ Guo、選択的レーザー溶融AlSi10Mgアルミニウム合金のT6類似熱処理による機械的特性の向上、材料科学および工学a-構造材料特性微細構造および処理734(2018)299-310。Liu Z、Qi D、Leow WR、他。面外力検出用の3D構造伸縮性ひずみセンサー[J]。Advanced Materials、2018:e1707285。

出典:機械製造システム工学国家重点実験室
上海、オフィス、ホスト、人間の臓器、創設者

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