AM：双模应变-电信号转换装置的符号可切换泊松比设计

第一作者：Houchao Jing通讯作者：Yaqing Liu，Ying Jiang通讯单位：山东大学，澳门大学DOI: 10.1002/adma.202413774

背景介绍

可拉伸电子设备表现出可靠的设备性能和显著的可变形性的有效结合。器件材料的变形特性决定了器件架构内的应变分布，从而主导了电子功能。例如，可拉伸材料的导电性总是与外部载荷密切相关，这是构建具有应变响应或应变不敏感特性的可拉伸设备的重要机制，用作应变传感器和可拉伸导体。泊松比（ν）表示材料在外部载荷下的变形特性，定义为横向应变和纵向应变之比。材料通常表现出正泊松比，在拉伸时横向收缩。同时，具有负泊松比的材料，即所谓的“辅助材料”，在拉伸下横向膨胀，这可以通过人工设计的结构来实现。此外，由于其独特的变形特性，具有正泊松比或负泊松比的材料被广泛应用于各种电子设备，以满足特定的工作需求。然而，大多数制造材料缺乏可行的方法来调整其变形特性以适应复杂的情况，从而限制了它们的潜在应用。因此，开发具有符号可切换泊松比（SSPR）的材料最近引起了人们的广泛关注，特别是由于其功能多样性和对环境变化的机械适应性，它们在应变传感器和其他具有应变相关电子性能的可拉伸设备中的潜在应用。到目前为止，具有SSPR的材料通常是通过两种策略实现的：一种涉及环境介导的微观结构重塑功能，另一种基于具有可编程架构的超材料。然而，这些方法严重依赖于特定的材料和架构，面临着复杂的合成过程和结构设计问题，以及大规模制备的局限性。因此，迫切需要使用一种不限于特定材料和结构的更通用的方法，用SSPR构建材料。通常，大多数具有负泊松比的拉伸材料是通过各种设计良好的空心骨架实现的，而正泊松效应出现在传统的块体材料中。当空心骨架和块体材料结合形成混合材料时，产生的泊松比由每个组件的机械性能之间的竞争决定。刚度或杨氏模量较高的部件将主导混合材料的变形特性。因此，控制刚度可以操纵变形特性，提供实现符号可切换泊松比和由此产生的多模态应变到电信号转换特征的可能性。这种转换特性在调节自动控制系统中的控制原理方面发挥着重要作用，这促使设计在一个具有按需切换能力的单一设备中集成多种操作特性。此外，具有多种功能的设备可以最大限度地减少使用的设备数量，简化设备系统以节省空间，从而提高经济效益。同时，引入智能响应材料可以赋予设备环境触发的切换能力，使其能够自主调整功能以适应不同的工作环境。然而，开发具有可切换变形特性的这种混合材料在设计混合结构和化学合成具有可调刚度的材料方面面临着重大挑战。

本文亮点

1. 本工作通过将相变凝胶基凹树密集蜂窝图案和聚二甲基硅氧烷薄膜相结合，开发了一种具有符号可切换泊松比（SSPR）的混合材料。2. 具有热调节杨氏模量的相变凝胶使混合材料能够在负泊松比和正泊松比之间切换。3. 在与预拉伸的银纳米线薄膜集成后，获得的可拉伸器件执行双峰应变到电信号转换（Bi-SET）功能，其中SSPR主导的应变电阻响应在应变依赖和应变不敏感行为之间切换。4. 作为概念验证，使用基于Bi-SET设备的控制器构建了一个模式可切换的抓取系统，使抓取行为能够适应各种目标对象。

图文解析

图1. 具有符号可切换泊松比的混合材料。a） 一种混合材料由具有可调杨氏模量的相变凝胶基凹状蜂窝骨架和具有恒定杨氏模量的PDMS基底组成。标尺为10毫米。依靠PC凝胶的热调节杨氏模量，混合材料执行温度控制的符号可切换泊松比。具有负泊松比的基于PC凝胶的骨架比PDMS薄膜更硬，并主导了混合物的变形特性，显示出负泊松效应。否则，混合材料的机械性能由PDMS薄膜决定，从而产生正泊松效应。b） 具有符号可切换泊松比的混合材料的照片，其中包含各种结构骨架，如菱形桁架、正交椭圆和正弦韧带，在正泊松比或负泊松比状态下承受15%的应变。c）通过将预拉伸的AgNWs薄膜集成到混合材料的表面上，所获得的器件表现出SSPR控制的双峰应变到电信号的转换性能。在负泊松比下，应变诱导的横向膨胀使AgNWs薄膜伸长，并导致其电导率的应变依赖性响应，而具有正泊松比的Bi-SET器件在外部应变下表现出应变不敏感电阻，这是由于在应变诱导的侧向压缩下导电通路的保持。

图2. PC凝胶和SSPR的相变性能主导了杂化材料的力学性能。a） 基于PTHF相变的PC凝胶温控机械性能示意图。b） 不同状态下PDMS和PC凝胶的拉伸应力-应变曲线和相应的杨氏模量。插图显示了扭曲的PC凝胶，其中包含刚性和柔软区域。比例尺为5 mm。c）PTHF、PC凝胶和PBA的DSC曲线。d） PTHF（固相和液相）、PC凝胶（硬态和软态）和PBA的XRD图谱。e） SSPR控制混合材料的机械特性。当PC凝胶处于软状态时，PDMS主导了杂化材料的变形特性，在外部应变下，横向压缩表现出正泊松效应。当PC凝胶处于刚性状态时，杂化材料的变形特性由具有负泊松效应的拉伸骨架决定，在拉伸下进行横向膨胀。混合材料在两种状态下的有限元分析显示了18%应变下的应变分布。标尺为5 mm。f）纵向应变和在12%纵向应变下计算的相应结构泊松比引起的混合材料在不同状态下的横向应变。g） 在负泊松比状态和正泊松比状态之间的十个切换循环中，混合材料的纵向应变和横向应变之间的关系。h） 在（g）所示的100个切换循环期间，在12%纵向应变下计算的结构泊松比。

图3. 基于SSPR效应的双峰应变到电信号的转换函数。a） 具有不同泊松效应的Bi-SET器件的相对电阻变化与拉伸应变的关系，分别对应于SDR和SIR状态。插图显示，AgNWs薄膜的预拉伸方向与器件的拉伸方向平行。比例尺为10 mm。b）预拉伸AgNWs薄膜在不同工作状态下的变形示意图。c） 预拉伸AgNWs薄膜的原位光学图像和不同工作状态下拉伸拉伸下微裂纹长度的统计结果。比例尺为50 µm。d） 基于（c）中所示的实验图像，在15%拉伸应变下不同工作状态下预拉伸AgNWs薄膜的电压分布模拟。e） Bi-SET器件在SIR和SDR状态之间连续切换下的电阻-应变曲线。f） Bi-SET器件在4000个加载-卸载循环期间在SIR和SIR状态下的循环耐久性。

图4. 温度自适应传感系统演示。a） 温度自适应传感系统由Bi-SET设备和用于按需监测假手弯曲运动的监测设备组成。b） 随着环境温度的变化，系统会自动从SIR切换到SDR，提示过度弯曲的警告。

图5. Bi-SET装置控制抓取系统的演示。a） 一种模式可切换的抓取系统由基于Bi-SET设备的控制器和用于在带式输送机上转移不同形状物体的夹具组成。b） 基于Bi-SET装置的控制器的控制原理，用于调节夹具运动。Bi-SET装置将两个夹持器手指的接近动作转换为反馈信号。通过与预定义的阈值进行比较，反馈信号将确定夹具的运动：当信号低于阈值时，手指会继续相互靠近，一旦超过阈值，手指就会停止闭合。c） Bi-SET装置使系统能够在开环和闭环模式之间切换。在开环模式下，夹具逐渐闭合，直到达到其运动范围，非常适合处理重复性任务，如运输形状均匀的物体。在闭环模式下，当反馈信号达到阈值时，夹具停止，适应各种形状不规则的物体。d） 在开环模式下，抓取系统有效地传递均匀的立方体，但对于不规则的七面体则失败。e） 闭环模式下的抓取系统通过调整特征阈值以匹配目标物体的形状，成功抓取和转移了各种形状的物体，包括立方体、七面体和圆锥体。