中国科大龚兴龙教授课题组 CEJ：基于导电磁流变液的柔性传感器实现磁可调刚度和磁致动

2024-04-19 来源：高分子科技

随着电子技术和人工智能的发展，柔性传感器在电子皮肤、可穿戴设备、软机器人等多种应用中引起了越来越多的兴趣。目前，已报道的柔性传感器大多是通过将刚性导电材料分散到弹性体基体里或涂覆在柔性弹性体表面上制备而成的。然而，由于刚性导电材料与柔性弹性体基体之间的模量差异，容易引起导电网络断裂和滑动等损伤，导致柔性传感器的稳定性降低。此外，磁驱动具有非接触性、穿透性、远程控制等优点，使得基于磁驱动的软机器人受到越来越多的关注。相比于传统的由磁性颗粒直接分散在弹性体基体中制成的复合材料，磁流变液中磁性颗粒在磁场下的运动不容易受到限制，表现出很高的磁流变效应。目前基于磁流变液的软复合材料普遍缺乏传感能力，而传感对于提供环境信息和实现精确控制非常重要。

图1.摘要图

图2.导电磁流变液填充软弹性复合材料（cMFEC）的制备过程和实物图

为了开发磁流变液在软复合材料方面的应用场景，结合柔性传感器和磁驱动软机器人的特性，中国科学技术大学龚兴龙课题组近日提出了一种基于液体导体的导电磁流变液填充Ecoflex软弹性体复合材料cMFEC。将多壁碳纳米管引入磁流变液中，制备了一种兼具磁流变效应和电传感性能的导电磁流变液，可作为柔性传感器的液体导体。在柔性弹性体基体Ecoflex薄膜上设计液体通道以填充导电磁流变液并使用Ecoflex密封制备了复合材料cMFEC（图2b）。cMFEC具有良好的拉伸应变传感性能和弯曲感知能力。cMFEC可以监测外加磁场的变化，表现出磁致刚度增强的特性。在此基础上，研制了磁可调刚度承载平台，其在165 mT磁场下的承载能力比零磁场下的承载能力提高了一倍。cMFEC还表现出磁致动行为。基于cMFEC研制的智能磁致动夹持器可以在磁场的驱动下抓取、转移和释放各种形状的物体。此外，结合cMFEC的传感性能和磁致动行为，监测反馈系统可以实时监测夹持器的动作状态。因此，本研究为磁流变液在柔性传感器和软致动器中的应用提供了一种新的简便策略。复合材料cMFEC结合了磁流变效应和电传感性能，在电子皮肤、可穿戴电子设备和磁致动软机器人方面具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Conductive magnetorheological fluid (cMRF)-based flexible sensor with adjustable stiffness for magneto-mechanical dual-response and soft actuator”为题，发表在Chemical Engineering Journal期刊上。论文的第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生孙玉玺，通讯作者为龚兴龙教授和桑敏博士后。

图3. 导电磁流变液的流变性能

磁流变液通常是由微米级磁性颗粒分散在载液中制备而成，具有优异的力学性能与高效的可控性。在磁场作用下，其中分散的磁性颗粒会迅速地沿磁场方向形成链状结构，磁流变液从牛顿流体状态转变为Bingham塑性体状态。与磁流变弹性体等其它磁流变智能材料相比，磁流变液中的磁性颗粒在磁场下的运动不容易受到限制，表现出很高的磁流变效应。该导电磁流变液在磁场下的粘度增大了约三个数量级（图3h）。多壁碳纳米管作为添加剂改善了磁流变液的沉降稳定性，同时也赋予了磁流变液电传感的性能。

图4. 复合材料cMFEC的磁-机械双重响应传感性能

复合材料cMFEC对不同拉伸应变的传感响应表明，它可以用作监测拉伸变形的应变传感器（图4e）。在cMFEC的拉伸过程中施加横向磁场后，相对电阻显著增加（图4f），表现了cMFEC的磁-机械双重响应特性。cMFEC具有优异的传感稳定性，在1000次拉伸循环后，其传感响应几乎保持不变（图4i）。此外，由于良好的柔韧性，cMFEC还表现出对弯曲变形的感知能力（图4j）。最后，将cMFEC粘贴到人手指关节上监测运动。当手指关节以不同角度弯曲时，cMFEC会产生相应的传感响应（图4k），表明其有望在人体运动检测中获得应用。

图5. 复合材料cMFEC的磁可调节刚度

导电磁流变液的高磁流变效应使得复合材料cMFEC具有磁可调节刚度特性。为此，将cMFEC与3D打印的ABS结构组装成承载平台。承载平台在165 mT磁场中的极限承载能力达到42 g，比零磁场时提高了100%（图5f）。极限承载实验表明，cMFEC在压缩过程中表现出磁致刚度增强特性。相应地，在cMFEC的拉伸过程中，也存在磁感应刚度增强特性。使用cMFEC悬挂100g重物，在300 mT磁场下的拉伸位移比零磁场下小约41%（图5g-h），说明cMFEC的拉伸刚度在磁场作用下显著增加。磁可调节刚度的微观原理是导电磁流变液中的磁性颗粒沿着磁场方向形成粒子链（图5i），从而增强了复合材料的刚度。

图6.复合材料cMFEC的磁致动行为

将cMFEC与中空ABS结构组装设计了智能磁致动夹持器。利用有限元仿真研究了夹持器的磁致变形。磁铁放置在中空ABS方筒体内部，通过连杆可上下移动，控制夹持器抓取和释放物体。随着磁铁向下移动，cMFEC的磁感应强度增大，磁力引起的弯曲变形也增大（图6c）。随后磁铁向上移动，cMFEC受到的磁力逐渐减小甚至消失，夹紧的cMFEC由于自身的弹性而恢复，从而释放被夹持的物体（图6d-g）。还演示了基于cMFEC的四夹爪夹持器，可用于抓取更重的玩偶玩具（图6h）。

图7. 智能磁致动夹持器的实时监测系统

结合复合材料cMFEC的传感能力和磁驱动行为，设计了智能磁致动夹持器的实时监测系统（图7a）。通过多次抓取、转移和释放实验，总结了cMFEC在相应动作过程中的传感信号变化规律。开始时，cMFEC夹爪处于自然状态，传感信号保持稳定。在移动磁铁控制夹持器抓住物体的瞬间，由于磁场和弯曲变形的作用，传感信号急剧增加。在转移物体的过程中，传感信号逐渐减弱。在释放物体的瞬间，传感信号再次迅速增大，随后逐渐回落到接近初始值（图7c）。传感信号具有一定的稳定性，可以通过实时观察cMFEC传感信号的变化来监测智能夹持器的抓取、转移和释放动作。

综上所述，本研究开发了一种基于导电磁流变液的软传感器cMFEC，以实现磁-机械双重响应特性。作为一种应变传感器，cMFEC可以识别10-50%的拉伸应变，并表现出电稳定性，还可以感知弯曲角度。此外，它还可用于组装磁可调刚度承载平台和智能磁致动夹持器，展现了在磁驱动软机器人方面的应用前景。本研究为制备基于磁流变液的柔性复合材料提供了一种新的简便策略，开发拓展了磁流变液在柔性传感器和软智能机器人领域的应用场景。

原文链接：

Yuxi Sun, Min Sang, Yunqi Xu, Zhentao Zhang, Shilong Duan, Yu Wang, and Xinglong Gong, Conductive Magnetorheological Fluid (cMRF)-Based Flexible Sensor with Adjustable Stiffness for Magneto-Mechanical Dual-Response and Soft Actuator, Chemical Engineering Journal, 2024, 489: 151229. DOI: 10.1016/j.cej.2024.151229.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151229

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（责任编辑：xu）

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