Con la profonda integrazione e lo sviluppo dell'intelligenza artificiale e delle tecnologie dell'Internet delle cose (IoT), i sensori di deformazione flessibili ed estensibili hanno raccolto un'attenzione diffusa grazie alle loro potenziali applicazioni nel rilevamento del movimento umano, nella diagnostica medica, nell'interazione uomo-computer e nella pelle elettronica. I sensori di deformazione funzionano convertendo gli stimoli meccanici in segnali elettrici-come resistenza o capacità-attraverso vari meccanismi di rilevamento. Tra questi, gli estensimetri resistivi sono diventati un punto caldo della ricerca grazie alla loro elevata sensibilità, basso costo, struttura semplice e facilità di lettura.
Attualmente, una delle strategie più comuni per la fabbricazione di sensori di deformazione flessibili ad alte-prestazioni prevede l'introduzione di microstrutture fini-come micropiramidi, pieghe e microcolonne-sulla superficie del substrato elastico per ottenere una sensibilità maggiore e limiti di rilevamento inferiori. Tuttavia, i metodi tradizionali di fabbricazione della microstruttura-come lo stampaggio, la fotolitografia e l'auto-assemblaggio-spesso implicano processi ingombranti, dispendiosi in termini di tempo-e costosi, limitando la rapida fabbricazione e l'applicazione su larga-scala dei sensori. Al contrario, la tecnologia di elaborazione laser offre un nuovo approccio alla produzione di dispositivi elettronici flessibili grazie ai vantaggi di alta velocità, alta efficienza, funzionamento senza maschera-, basso costo ed elevata flessibilità. Tuttavia, fare affidamento esclusivamente su strategie di elaborazione laser per ottenere sensori di deformazione che possiedano contemporaneamente elevata sensibilità, elevata elasticità, elevata linearità, risposta rapida, bassa isteresi e stabilità a lungo termine rimane una sfida significativa. Come ottenere l'ottimizzazione sinergica di queste proprietà in condizioni di fabbricazione semplici e a basso-costo rimane una sfida fondamentale nella ricerca attuale.
Il team guidato da Xie Xiaozhu della Scuola di ingegneria meccanica ed elettrica dell'Università di tecnologia di Guangdong ha proposto un metodo semplice, economico-efficace ed efficiente per sviluppare un sensore di deformazione con elevata sensibilità, elasticità e buona stabilità. Combinando la tecnologia di scrittura diretta laser con la stampa 3D, hanno fabbricato con successo un sensore di deformazione flessibile P-PDMS.
Questo studio ha sviluppato una strategia di produzione scalabile e a basso costo-che combina la scrittura diretta laser e la tecnologia di stampa 3D per preparare una varietà di sensori di deformazione flessibili PDMS (P-PDMS) modellati. Abbiamo ottimizzato i parametri di produzione come l'elaborazione laser e la stampa 3D per preparare sensori con la massima sensibilità su un ampio intervallo di deformazione. Con i parametri di processo di frequenza di scansione di 100kHz, energia di impulso 1,46μJ, velocità di scansione di 5 mm/s e velocità di stampa di 2,5 mm/s, il sensore preparato con microstruttura composita mostra una sensibilità altamente lineare. In particolare, la sensibilità del sensore di deformazione flessibile a microstruttura composita (PCM) è superiore del 159% a quella del sensore a microstruttura singola modellata (PSLM) e del 339% superiore a quella del sensore senza modello. In termini di risposta dinamica, il sensore ha un tempo di risposta di 140 ms (rispetto ai 362 ms del sensore patternless e ai 244 ms del sensore a microstruttura singola), con un coefficiente di isteresi pari a 0,023 e un'eccellente stabilità del ciclo. Inoltre, mostra una risposta stabile alla temperatura e un limite di rilevamento ultra-basso dello 0,0125%. Pertanto, i nostri sensori di deformazione possono essere utilizzati per rilevare una varietà di movimenti umani, inclusi i movimenti delle dita, dei polsi, delle ginocchia e dei gomiti. Il metodo di scrittura diretta tramite laser presenta inoltre i vantaggi di semplicità, efficienza e basso costo e mostra un grande potenziale nel campo dei dispositivi elettronici indossabili.
