AFM: 3Dプリントによる高性能グラフェン圧力センサー

出典: Engineering ForLife

近年、知能ロボットの知覚と操作性能をどのように向上させるかが科学研究者から広く注目されています。しかし、現在までに、皮膚圧力感知をシミュレートするほとんどの材料は、人間の皮膚に匹敵する圧力感知範囲に達していません。検出限界が低く、検出範囲が広い圧力センサーの開発は、依然として大きな課題です。

最近、東呉大学の江林教授のチームは、「皮膚圧力センシングを超えて：3Dプリント積層グラフェン圧力センシング材料は極めて低い検出限界と広い検出範囲を兼ね備えている」と題する論文をAdvanced Functional Materials誌に発表し、 3Dプリント可能なグラフェン圧力センシング材料を紹介しました（図1）。

図 1 3D プリントされたグラフェン圧力センサー材料まず、研究者らは改良されたハマーズ法を使用して GO ナノシートを調製し、アスコルビン酸で GO 懸濁液を還元しました。次に、懸濁液をカルボマーゲルと均一に混合し、NaOH を加えて溶液のレオロジーを調整し、最後にゲル化して H-RGO インクが得られました (図 2a)。レオロジー試験の結果は、異なるグラフェン含有量の H-RGO インクが明らかなせん断減粘特性 (図 2b) を持ち、適切な圧力下でノズルからスムーズに押し出せることを示しています。さらに、材料の貯蔵弾性率と損失弾性率の結果からも、H-RGO インクの形状保持性と安定性も良好であることがわかります (図 2c、d)。最後に、研究者らは印刷パラメータを最適化することで、H-RGO インクの 3D 印刷効果を実証しました (図 2e、f、g)。

図2 H-RGOインクの調製とレオロジー特性評価。研究者らはその後、印刷したサンプルを液体窒素で処理して凍結乾燥させ、400度で30分間アニールしてグラフェンの還元度と電気特性を改善し、微細多孔構造のグラフェン材料を得た。さらに、研究者らは、材料の圧縮安定性をさらに向上させるために、サンプルをPDMSでコーティングしました。

研究者らは、ヒトの皮膚における二重機械受容器の相乗効果をシミュレートするために、2種類のグラフェン含有量の異なるH-RGOインクを使用して、二重層グラフェン構造を3Dプリントしました（図1d）。低濃度グラフェン構造を処理後、微細孔の壁厚は薄くなり、高濃度グラフェン構造を処理後、微細孔の壁厚は厚くなりました（図1e）。有限要素シミュレーションの結果、異なる圧力下では、上部の薄壁グラフェン構造と下部の厚壁グラフェン構造の圧電応答特性が良好な相乗効果を発揮することが示され（図3a）、一定圧力下での電流-電圧曲線は、二重層グラフェン構造がオームの法則に適合していることを示しています（図3b）。この特徴と組み合わせて、研究者は圧力と電流の変化のテストを実施しました。結果は、二重層グラフェン構造は圧力検出限界が低く、感度が高く、圧力検出範囲が広く（図3c、d、e、f）、サイクル安定性が優れていることを示しました（図3g）。

図3 二層グラフェン構造の性能特性。最後に、研究者らは上記の二層グラフェン構造を使用して5×5のフレキシブル圧力センサーアレイを準備し、文字を使用してセンサーアレイの空間圧力分布の検出機能を検証しました。結果は、局所圧力の分布図が文字サンプルの形状と良好な整合性を維持していることを示しました（図3h）。さらに、研究者らはグラフェン感知構造をベースにした圧力感知皮膚も作製し、さまざまな物体の重量を定量的に検出して表示できるようになりました（図4）。

図4 二層グラフェン構造の定量検出装置まとめると、研究者らは、圧力検出限界が低く、圧力検出範囲が広く、安定性に優れた二層グラフェン圧力センシング構造を設計・製造した。3Dプリント技術と組み合わせることで、将来、知能ロボット向けの高性能圧力センシングの開発に効果的な方法を提供することが期待される。

出典: https://doi.org/10.1002/adfm.202202360

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