マルチモーダルセンシング機能を備えたイオン容量センサーのマルチマテリアル 3D プリント

出典: ポリマーテクノロジー

過去 10 年間、イオントロニクス (イオン電子ハイブリッドデバイス、つまりイオンと電子の相乗効果に基づくデバイス) は、柔軟性、伸縮性、光学的透明性、生体適合性などの固有の利点により、ますます注目を集めています。しかし、既存のイオン化センサーは、デバイス構造が単純で、部品が漏れやすいため、デバイスの安定性と検知機能が悪く、実際の用途が大きく制限されています。したがって、安定した性能とマルチモードセンシング機能を備えたイオン化センサーの設計と製造は、重要なエンジニアリングアプリケーション価値を持っています。

南方科技大学機械航空工学部の楊燦輝チームと機械エネルギー工学部の葛奇チームは、マルチマテリアル光硬化3Dプリント技術による高分子電解質エラストマーをベースとしたマルチモードセンシングイオン静電容量センサーの統合設計と製造を報告しました。これにより、従来のイオン静電容量センサーの安定性の低さと単一機能の問題が解決され、伸縮性イオン静電容量センサーの設計、インテリジェント製造、応用に新しいソリューションが提供されました。

関連する研究結果は、「マルチマテリアル 3D プリンティングによるマルチモードセンシング機能を備えたポリ電解質エラストマーベースのイオントロニックセンサー」というタイトルで、Nature Communication 誌に掲載されました。南方科技大学の研究助手であるLi Caicong氏、博士課程の学生であるCheng Jianxiang氏とHe Yunfeng氏が論文の共同筆頭著者であり、助教授のYang Canhui氏と教授のGe Qi氏が論文の共同責任著者である。この研究は、深圳市ソフト材料力学・知能製造重点研究室と広東省自然科学基金の支援を受けて行われました。

図 1 に示すように、研究者らは、引っ張る、押す、ねじる、およびそれらの組み合わせなどの外力に対する人間の皮膚のマルチモーダルな知覚能力に着想を得て、マルチマテリアル光硬化 3D 印刷技術を使用して、マルチモーダルな感知機能を備えたイオン化センサーを準備しました。このセンサーは、ポリマーネットワークに固定された陰イオンまたは陽イオンと可動性対イオンが含まれ、イオン漏れに抵抗する特性を持つ高分子電解質エラストマー (PEE) を使用します。印刷プロセス中に、共有結合とトポロジカルな相互接続を通じて、センサー上の PEE 材料と誘電エラストマー (DE) 材料の間に強力な界面結合が形成されました。

図 1. 皮膚に着想を得たマルチモーダルイオン化センサー。 (a) 人間の皮膚にあるさまざまな力受容器の模式図。 (b) 人間の皮膚は、圧縮と張力、圧縮、圧縮+せん断、圧縮+ねじれなどの単一の機械的信号を感知できます。 (c) マルチマテリアルデジタル光硬化3Dプリント技術に基づくマルチモードセンシング機能を備えたイオン化センサーの製造。
研究者らはまず、高分子電解質材料の成分の一つとして1-ブチル-3-メチルイミダゾール134-3-スルホプロピルアクリレート（BS）と呼ばれるモノマーを合成し、それをMEAと呼ばれる別の疎水性モノマーと共重合させた。次に、BS と MEA の比率を最適化することで、高分子電解質材料の機械的特性と電気的特性がバランスされ、図 2 に示すようにセンサーの性能が最適化されます。

図 2. 高分子電解質エラストマーの設計、調製、光学的、機械的、電気的特性、および熱的および溶媒安定性。
図 3 に示すように、研究者らは、開発された PEE 材料の印刷可能性を検証するために光レオロジー試験を実施しました。次に、3D プリントされ、手動で組み立てられた PEE/DE 二重層構造の界面結合強度を 180° 剥離テストで測定しました。結果は、3Dプリントされた二重層構造は、PEEとDEの間に形成された共有結合と位相的絡み合いにより、強力な界面を持つことを示しています。剥離プロセス中にPEE材料の大部分が破損し、結合エネルギーは339.3 J/m2に達しました。対照的に、手動で組み立てられたPEE/DE二重層構造は界面が弱く、剥離プロセス中に界面が破損し、結合エネルギーはわずか4.1 J/m2でした。耐久性テストでは、PEE ベースの静電容量センサーはイオン漏れがないため、長時間安定した信号を維持できますが、従来の LiTFSI ドープイオンエラストマーベースのセンサーは、短絡が発生するまでイオン漏れにより信号ドリフトが継続します。
図 3. イオン化センサーの印刷可能性と性能。 (a) 光硬化時間とともに変化するPEEの貯蔵弾性率と損失弾性率の曲線。 (b) 層の厚さの関数としての硬化時間とエネルギー密度。 (c) 印刷されたPEEアレイの表示。 (d) 3Dプリントされ、手動で組み立てられたPEE/DE二重層構造の180°剥離曲線。 (e) 3DプリントされたPEE/DE二重層構造の破壊の模式図。 (f) 手作業で組み立てられたPEE/DE二重層構造の界面破壊の模式図。 (g) PEEおよびLiTFSIドープイオンエラストマーをベースにした静電容量センサーのΔC/C0変化曲線の経時変化。 (h) イオン漏れのないPEEベースの静電容量センサー。 (i) LiTFSIドープイオンエラストマーをベースにした静電容量センサーにおけるイオン漏れの模式図。
3D プリント技術は、デバイスの構造設計に極めて高い柔軟性を提供します。図 4 に示すように、研究者らは、張力、圧縮、せん断、ねじれの 4 つの異なるイオン化センサーを設計し、統合的に印刷しました。これらのデバイスはすべて、優れた性能と安定性を備えています。特に、デバイスの構造設計により、センサーの感度を大幅に最適化できます。たとえば、圧縮センサーの誘電エラストマー層に微細構造を導入することで、感度を 2 桁向上できます。また、センサーの感度は必要に応じて調整できます。たとえば、せん断センサーの先端の輪郭線やねじれセンサーのセクター領域の数を設計することで、それぞれ異なる対応するせん断センサーとねじれセンサーを実現できます。

図 4. 引張、圧縮、せん断、ねじりイオン化センサー。 (a) ストレッチセンサーの原理の概略図。 (b) 静電容量-引張ひずみ曲線。 (c) 圧縮センサーの原理の概略図。 (d) 微細構造の有無による圧力センサーの静電容量-圧力曲線。 (e) せん断センサーの原理の概略図。 (f) せん断センサーの物理的図。 (g) 異なる感度を持つせん断センサーの静電容量-せん断ひずみ曲線。 (h) せん断センサーの疲労試験曲線。 (i) ねじりセンサの原理の概略図。 (j) ねじりセンサーの物理的図。 (k) 異なる感度を持つねじりセンサーの静電容量-ねじり角度曲線。 (l) ねじりセンサーの疲労試験曲線。
図 5 に示すように、研究者らはさらに、張力-圧縮、圧縮-せん断、圧縮-ねじれの 3 種類の複合イオンセンサーを設計し、統合しました。複合センサーの最大の課題の 1 つは、異なる感知経路間の信号クロストークです。たとえば、デバイスが引き伸ばされると、材料のポアソン効果によりデバイスの垂直方向の幾何学的寸法が縮小します。これは圧縮変形に相当し、結果として引張励起により圧縮チャネルで信号の変化が発生します。研究者らは、有限要素シミュレーション解析と合理的なデバイス構造設計を組み合わせて、異なるチャネル間の信号クロストークを効果的に回避しました。
図5. 複合イオン化センサー。 (a) 張力・圧縮複合センサーの概略図。 (b) デバイスの物理的な写真。 (c) 張力・圧縮複合センサーの等価回路図。 (d) シングルセンシングモードでのデバイス信号。 (e) 圧縮励起下での静電容量-巻数変化曲線。 (f) 引張励起下での静電容量-巻数変化曲線。 (g) 引張変形と圧縮変形を組み合わせた場合の信号スペクトル。 (h) 圧縮せん断複合センサーの概略図。 (i) デバイスの物理的な画像。 (j) 圧縮せん断複合センサーの等価回路図。 (k) シングルセンシングモードでのデバイス信号。 (l) 圧縮・ねじり複合センサーの概略図。 (m) 実際のデバイスの写真。 (n) 圧縮・ねじり複合センサーの等価回路図。 (o) シングルセンシングモードでのデバイス信号。
最後に、研究者らは、4 つのせん断センサーと 1 つの圧縮センサーで構成されたウェアラブルリモートコントロールユニットを実証し、それをリモートコントロールシステムに接続して、ドローンの飛行をワイヤレスでリモートコントロールしました (図 6 を参照)。このウェアラブルリモートコントロールユニットの 4 つのせん断センサーは、手の指の動きを感知し、ドローンの方向を制御するために使用されます。圧縮センサーは指の圧力を感知し、ドローンのロールを制御するために使用されます。このウェアラブルリモートコントロールユニットの設計により、人間とコンピュータの相互作用が実現され、より柔軟な制御方法を提供できます。

図 6. ドローンの遠隔無線制御用複合イオン化センサー。 (a) UAV制御システムの概略図。 (b) 複合イオン化センサーのせん断感知モジュールの動作モードの概略図。 (c) せん断感知モジュールの動作原理。 (d) センサーの5つのチャンネルの静電容量信号テスト。 (e) 命令コンパイルロジック。 (f) 複合イオン化センサーのリアルタイム静電容量信号。 (g) 異なる時間におけるUAVの飛行状況。

論文リンク:
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40583-5

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