香港中文大学先端科学 | 完全に 3D プリントされたソフト静電容量センサー

出典: GK グリーンキーバイオテック

香港中文大学の朱建教授のチームは、「高靭性と広い測定範囲を備えた完全3Dプリントソフト静電容量センサー」と題する論文をAdvanced Science誌に発表した。ソフト静電容量センサーは、その高い感度により、ウェアラブルデバイス、フレキシブルエレクトロニクス、ソフトロボティクスで広く使用されています。ただし、界面靭性が低いため、剥離や剥離が発生する可能性があります。さらに、剛性の変化範囲が限られているため、測定範囲が狭くなるのが一般的です。この研究では、カスタムマルチマテリアル 3D プリンターを使用して、柔らかいシリコンベースの静電容量センサーを開発しました。シリコーン材料を同時に硬化させることにより、連続導電層と誘電体層の界面靭性は1036 J·m−2を達成しました。傾斜した薄板媒体を使用したセンサーの界面靭性は、横方向と縦方向でそれぞれ645 J·m−2と339 J·m−2です。さらに、センサーの測定範囲は 0.85 Pa ～ 5000 kPa です。この拡張された範囲は、分離された傾斜した薄板誘電体の剛性の大幅な変化（0.56 kPa から 19.76 MPa の範囲）によって実現されます。したがって、3D プリント技術を使用してソフトマイクロ構造センサーを製造することは、ソフトセンサーの性能を向上させるのに適しているだけでなく、強力なソフト機能デバイスの設計にも役立つ普遍的な方法です。

ソフト静電容量センサーとは何ですか?
ソフト静電容量センサーは、通常、柔軟な電極の間に挟まれた柔らかい誘電体層で構成されています。これらは静電容量の変化の原理に基づくセンサーであり、主に圧力、タッチ、歪みなどの物理信号を感知するために使用されます。従来のハードセンサーとは異なり、ソフト静電容量センサーは、電極または誘電体として柔軟な材料（導電性ポリマー、金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブなど）を使用するため、より柔軟で変形しやすいものになっています。これらのセンサーは、変形可能な材料と構造を利用して、加えられた圧力や力を検出します。優れた再現性、低消費電力、高空間分解能、小さな信号ドリフトなどの興味深い特性により、ウェアラブルデバイス、ヒューマンマシンインターフェース、フレキシブル電子デバイス、ソフトロボットなど、幅広い用途に使用されています。

理由 - ソフト静電容量センサーを準備するために 3D 印刷技術を使用する利点は何ですか?
ソフト静電容量センサーの構築に 3D 印刷技術を使用する利点は次のとおりです。1) 自由度の高い設計と製造: デジタルモデリングを使用して、多層、多孔質、または勾配分布構造を含む複雑な幾何学的構造を製造できます。2) 材料の多様性と機能の統合: さまざまな柔軟な材料 (導電性インク、柔軟なポリマー、液体金属など) の精密印刷をサポートし、複雑な構造と強力な接着力を持つさまざまな材料を組み合わせることができます。3) ミクロンまたはナノメートルの精度を実現できるため、ソフト静電容量センサーの主要コンポーネント (誘電体層の厚さや電極間隔など) を正確に制御できます。
方法 - 完全に 3D プリントされたソフト静電容量センサーを実現するにはどうすればよいでしょうか?

図1 強靭性と広い測定範囲を備えた完全に3Dプリントされたソフト静電容量センサー

この研究では、ソフト静電容量センサーを製造するためのカスタマイズされた 3D 印刷技術を開発し、材料と構造設計を最適化することでセンサーの性能を向上させました (図 1a)。このセンサーは革新的な設計を採用しており、誘電性シリコンを斜めに配置して薄板構造を形成し、それを 2 層の平面導電性シリコンで挟んでいます (図 1b ～ d)。従来のソフトセンサーによくある剥離や剥離の問題とは異なり、この新しいセンサーはこれらの欠陥を効果的に回避でき、導電性および誘電性のシリコン材料は同様の剛性を備えているため、センサーの信頼性が向上します。 3D 印刷プロセス中、導電性および誘電性のシリコンインクは未硬化のまま残り、電極と誘電層の間に強力な分子ネットワークと化学結合を形成するのに役立ちます。これにより、センサーはねじれたり圧縮されたりしても剥離や剥離に耐性を持ちます (図 1f-g)。

実験によれば、導電性シリコーンと誘電性シリコーンのヤング率はそれぞれ 840 kPa と 580 kPa であり、界面靭性は 1039 J·m⁻² と高いことが示されています (図 1h)。さらに、このセンサーは 0.85 Pa ～ 5000 kPa の広い測定範囲を備えているため (図 1i)、さまざまな実用的なアプリケーションに適しています。最後に、完全に 3D プリントされたスマートインソールとソフトロボットハンドが実演され (図 1j-k)、ロボットやウェアラブルデバイスの開発に新たなアイデアと可能性がもたらされました。

図2 印刷可能なインクのレオロジー特性と完全に3Dプリントされたソフトセンサーの界面特性

続いて、著者らは、3D 印刷ソフト静電容量センサー用の誘電体および電極シリコーンインクの特性と、それらの印刷効果を研究しました。レオロジー試験の結果は、選択されたインクが印刷された形状の安定性を確保し、硬化プロセス中に自身の重量を支え、構造的完全性を維持できることを示しています (図 2a-b)。さらに、印刷パラメータを最適化することで、均一かつ連続的なインクの押し出しが実現し（図2c）、支持材を使用せずに自立した傾斜した薄板構造を直接印刷できるようになりました。研究では、誘電性シリコーンと導電性シリコーンのヤング率はそれぞれ 840 kPa と 580 kPa であり、破断時の伸びはどちらも 350% 以上であることが示されました (図 2d)。続いて、3Dプリントされたソフトセンサーの界面特性を3種類の剥離試験を通じて詳細に分析しました（図2e）。

結果は、連続印刷された導電性シリコン電極層（EL）間の界面靭性は825 J·m−2であるのに対し、誘電シリコン層（DL）間の界面靭性は1365 J·m−2と高く、DL層の界面結合強度がより強いことを示しています。さらに、3DプリントされたEL層とDL層の組み合わせの界面靭性は1039 J·m−2であり、従来の鋳造法で結合された層の界面靭性（129 J·m−2）よりも大幅に高くなりました。この改善は、3D 印刷プロセス中に未硬化の導電性シリコーンと誘電性シリコーンによって形成される分子ネットワークと化学結合により、インターフェースの靭性が向上することを示唆しています。感度を高めるために、複数の分離された傾斜した薄板誘電体層が採用され、その結果、センサは横方向と縦方向でそれぞれ 645 J·m−2 と 339 J·m−2 という異なる界面靭性を示しました (図 2f–i)。横方向の剥離力は鋸歯状の変化を示し、これは傾斜したシートのエネルギー消散特性に起因します。この設計により、インターフェースの強度が強化され、センサーの全体的なパフォーマンスと安定性が向上します。

図3: 広い検出範囲を持つ完全に3Dプリントされたソフトセンサー

次に、著者らは、複数の分離された傾斜した薄板誘電体層を備えたソフトセンサーの圧力感知性能を研究しました（図3a）。センサー設計は、傾斜角 (α)、水平間隔 (d)、薄壁の厚さ (t) などの構造パラメータを変更することで最適化されました。実験結果によると、固体誘電体センサーと比較して、分離された薄板誘電体層を備えたセンサーはより高い感度を示し、特にα=45°、d=1.5 mm、t=0.2 mmのときに感度が最も高くなります。さらに分析を進めたところ、センサーの圧縮応力-ひずみ曲線は、異なるひずみ範囲内で剛性が変化することがわかりました (図 3b)。小さなひずみ範囲では、センサーは 0.85 Pa の微小な圧力を感知できますが、固体誘電体センサーの検出限界は 200 Pa です。

薄い誘電体層が存在するため、センサーの圧縮弾性率は低くなり、大きなひずみが発生すると弾性率が大幅に増加するため、より大きな圧力に耐えることができます (図 3d-f)。この構造は、小さなひずみ範囲では高い感度が得られ、大きなひずみ範囲では広い測定範囲が得られるという利点があります。さらなる実験により、高圧下におけるセンサーの安定性が検証されました。図3g～hは、センサーが5000kPaの圧力で安定して動作し、周期的な圧力下でも安定した応答を示すことを示しています。さらに、このセンサーは高解像度を備えており、20,000 サイクルのテスト中に目立った信号の変化を起こさずに小さな圧力変化を検出することができます (図 3i)。他のソフト静電容量センサーと比較して、本論文のセンサーは検出範囲が広く、0.85 Pa から 5000 kPa の圧力範囲をカバーしています (図 3j)。

図4 柔らかい圧力センサーで構成された完全に3Dプリントされたインソール

著者らは、10,000 サイクルに耐える優れた耐久性を備えた、リアルタイム圧力モニタリング用の完全に 3D プリントされたパーソナライズされたインソールを実証しました。図 4a はインソールの設計を示しており、各センサーは下部電極、複数の分離された傾斜した薄板誘電体層、および上部電極で構成されています。センサーは前足部、中足部、かかと部に配置され、16個のセンサーアレイを形成しました（図4b）。インソールを靴の中に入れた後、静電容量-デジタル変換器とマルチプレクサを使用して各センサーの静電容量を測定したところ、すべてのセンサーが一貫して動作し、正確な圧力モニタリングが保証されていることが示されました (図 4c-d)。動的実験では、センサーインソールは、かかと、前足部、かかと着地時の圧力変化など、歩行サイクル中のさまざまな圧力変化を記録することに成功しました (図 4f-n)。

これらのデータを使用して足の姿勢を分析し、対応する圧力ヒートマップを生成することができます。これは、生体力学的研究、異常な圧力領域の特定、および対象を絞った介入策の設計に役立ちます。さらに、センサーは複雑な摩擦テストを繰り返しても安定した信号出力を維持できます。 160 kPaの通常の圧力と50 kPaのせん断力の下でも、センサーは10,000サイクル後も静電容量にほとんど変化が見られませんでした（図4o-p）。 3D プリントされたインソールは、誘電体と導電性シリコン間の界面の靭性が大きいため、過酷な条件下でも優れた耐久性と安定性を発揮します。

図5 ソフトアクチュエータとソフトセンサーを組み合わせた完全に3Dプリントされたソフトロボットハンド

最後に、著者らは、ソフト空気圧アクチュエータとソフトセンサーを通じて正確な制御を実現する、完全に 3D プリントされたソフトロボットハンドを開発しました (図 5a)。各指には、誘電性および導電性シリコン材料を使用したソフト空気圧アクチュエータ、静電容量式触覚センサー、抵抗曲げセンサーが含まれており、すべて後処理を必要とせずにワンステップの印刷プロセスで実行されます。最適化された印刷パラメータにより、指の構造的一貫性が確保され、導電性材料と誘電体材料間の相互干渉が回避されました (図 5b-d)。触覚センサーは曲げセンサーとは独立して動作し、指先の接触力を測定し、曲げセンサーは指の曲がりを検出します (図 5e)。触覚センサーと組み合わせることで、ソフトロボットハンドはリアルタイムの閉ループフィードバック制御を実現し、把持力を正確に制御できます（図5f-g）。さらに、ソフトベンディングセンサーは仮想現実で指の動きをシミュレートするためにも使用でき、正確なジェスチャーシミュレーションを提供し、医療トレーニング、メタバース、ヒューマンコンピュータインタラクションで広く使用されています（図5h-i）。

結論: 要約すると、この研究では、1 回の印刷で柔らかいシリコン静電容量センサーを製造するためにカスタマイズされたマルチマテリアル 3D プリンターを開発しました。これらのセンサーは、優れた界面靭性と伸縮性を備え、測定範囲が広くなっています (0.85 Pa ～ 5000 kPa)。 2 つのアプリケーションが実演されました。1 つはセンサーアレイが埋め込まれたスマートなパーソナライズされたインソールで、足裏の圧力分布をリアルタイムで監視でき、10,000 サイクル以上の耐久性を備えています。もう 1 つは、ソフトアクチュエータとセンサーを組み合わせた 3D プリントロボットハンドで、フィードバック制御、姿勢認識、物体の把持を実行できます。したがって、開発された 3D プリントソフトセンサー戦略は、ソフトセンサーのパフォーマンスを向上させるだけでなく、堅牢なソフト機能デバイスの設計を容易にし、複雑な環境でのソフトロボットのパフォーマンスを強化します。

出典: https://doi.org/10.1002/advs.202410284

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