【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，國際頂尖材料科學期刊《今日材料》(Materials Today)在線刊發(fā)了一項關于剪切引導的人機交互柔性傳感陣列的重磅研究成果。該成果論文題為 “Morphable 3D architectures enabled by shear-guided approach(基于剪切引導方法實現(xiàn)可變形的3D結構)”，由華中科技大學、清華大學、西安交通大學與美國西北大學攜手完成。華中科技大學智能制造與裝備全國重點實驗室研究員厲侃，清華大學柔性電子技術國家重點實驗室2018級博士生劉志、2021級博士生胡笑男共同擔任第一作者；清華大學柔性電子技術國家重點實驗室教授張一慧、副研究員柏韌恒為通訊作者。
 

　　通過力學引導方法組裝的3D結構及電子設備，在醫(yī)療保健、生物醫(yī)學工程、可穿戴設備、機器人等多個新興領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。然而，進一步拓展機械途徑可獲得的功能性3D架構范圍，成為科研人員不斷探索的重要方向。在此背景下，本研究創(chuàng)新性地展示了一種剪切引導組裝方法，取得了突破性進展。
 

圖為剪切引導的3D裝配和形狀變形
 

　　研究團隊借助該方法，成功構建出一系列以往難以實現(xiàn)特定幾何特征的結構，如可逆局部翻轉、中心對稱性結構等，且涵蓋絲帶、薄膜及混合配置等多種形式。基于此，研究人員引入并精心校準了一種由兩個絲帶狀3D單元組成的雙3D單元設計，專門用于剪切傳感。這一巧妙設計的獨特之處在于，它能將難以直接測量的剪切變形巧妙地轉化為易于獲取的垂直位移，同時對有限拉伸載荷具備良好的不敏感性。利用這種雙3D單元設計，團隊成功制造出多功能陣列電子界面，為人機交互領域帶來了全新的可能。
 

圖為通過剪切導向策略實現(xiàn)可變形的3D中觀結構
 

　　在制造工藝方面，該技術分為兩個關鍵階段。第一階段，通過壓縮屈曲進行力學引導組裝，從而形成基礎的3D結構；第二階段，在彈性基板兩端施加相反的橫向位移，使基板發(fā)生簡單剪切，通過靈活調整施加的剪切應變，就能輕松、可逆地實現(xiàn)3D形狀的轉換。此外，研究人員還將kirigami(剪紙)或origami(折紙)設計融入剪切引導方法，成功實現(xiàn)了更為復雜的可變形3D架構。
 

圖為新型剪切感應機制的設計和參數(shù)研究
 

　　有限元分析(FEA)結果顯示，此類剪切誘導結構在不同模式間能夠實現(xiàn)可逆的組裝后形狀變換。基于剪切引導的雙3D單元設計，團隊開發(fā)出一種全新的傳感機制，有效消除了有限拉伸載荷的影響，為精確感知和測量剪切變形提供了可靠途徑。
 

圖為剪切傳感界面在運動監(jiān)測中的應用展示
 

　　為了實現(xiàn)相對較大表面積上對任何施加剪切應變的有效感知，研究團隊開發(fā)了由具有梯度結構參數(shù)的雙3D傳感單元組成的陣列多功能可拉伸剪切傳感界面，并結合LED警示功能，實現(xiàn)了對人體皮膚實時運動的可視化監(jiān)測，為可穿戴設備和人機交互技術的發(fā)展提供了極具價值的參考。
 

　　本論文所報道的剪切引導的3D微觀結構的成功開發(fā)，以及新型傳感機制的建立，是柔性電子與機器人領域的重要里程碑。這一研究成果不僅極大地拓展了3D結構的設計邊界，更為創(chuàng)造能夠與人類進行更自然、高效交互的先進電子設備和軟體機器人開辟了新的路徑。