DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-026-02508-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41709003
تاريخ النشر: 2026-02-18
المؤلف: Guolin Yun وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
طرق
**ملخص الطرق**
استخدمت الدراسة مواد ومعدات متنوعة للتحقيق في خصائص المستشعرات المركبة. تشمل المواد الرئيسية صفائح FLG النانوية، EGaIn، سبيكة معدن فيلد، جزيئات Ni الدقيقة الشائكة، والإيلاستومرات السيليكونية، جميعها مأخوذة من موردين موثوقين. كانت الإعدادات التجريبية تتضمن مجهر إلكتروني مزدوج الشعاع من نوع FEI Quanta 3D FEG لميكروسكوبية الإلكترون الماسح (SEM) وطيفية الطاقة المشتتة (EDS)، إلى جانب مجهر SEM من نوع Magellan 400 للتصوير الإضافي. تم إجراء محاكاة العناصر المحدودة باستخدام COMSOL Multiphysics 5.2، بينما تم استخدام طابعة ثلاثية الأبعاد من نوع UltiMaker S5 لإنشاء قوالب وأقنعة لتصنيع المستشعر.
تم تقييم الخصائص الميكانيكية باستخدام نظام اختبار عالمي من نوع Instron 68TM-50، الذي قاس منحنيات الإجهاد والانضغاط لعينة المركب. تم أخذ قياسات المقاومة باستخدام وحدة Keithley 2400، مما يضمن موثوقية إحصائية من خلال تجارب متعددة (خمسة على الأقل لكل اختبار). أفادت الدراسة بمقاومات ثابتة لوحدات المستشعر، حيث أظهرت الوحدات 4 مم نطاقًا من 2.7 إلى 3.4 MΩ والوحدات 200 ميكرومتر تتراوح من 14.5 إلى 20.1 MΩ، مع اختلافات تُعزى إلى اختلافات الدفعة. تم إجراء معايرة المستشعرات بناءً على المقاومة الثابتة للحفاظ على استجابة جهد القوة المتسقة. تضمنت المعدات الإضافية كاتب ليزر للتخطيط الضوئي، ومبخر شعاع إلكتروني لترسيب الأقطاب، وPCB مخصص لدمج المستشعر، مما يضمن قياسًا دقيقًا وتحكمًا طوال التجارب.
نقاش
تناقش البحث تطوير وتصنيف الإيلاستومر المسامي غير المتجانس (APE) المصمم لتطبيقات استشعار الضغط عالية الأداء. يتكون APE من حشو هجين يشمل جزيئات النيكل (Ni)، وأوراق الجرافين ذات الطبقات القليلة (FLG)، وقطيرات المعدن السائل (EGaIn)، والتي تشكل معًا شبكة موصلة تعزز كل من الخصائص الكهربائية والميكانيكية. وُجد أن نسبة الكتلة المثلى لهذه المكونات هي 1.4/0.04/0.6/1، مما أدى إلى زيادة كبيرة في حساسية الضغط (S) على طول اتجاه المحاذاة (0°) مقارنة بالإيلاستومر غير المسامي، محققًا حساسية قدرها 0.382 kPa⁻¹. يسمح الهيكل المسامي لـ APE بتشوه أكبر تحت الضغط، مما يعزز الموصلية والحساسية، مع الحفاظ على الاستقرار ضد التشوه الجانبي.
يتضمن تصميم APE وحدات مستشعر على شكل هرم تحسن حساسية الضغط وتمكن من فصل القوى العمودية والقصية. تُظهر هذه الوحدات خطية استثنائية في استجابتها للموصلية والضغط، محققة حساسية قدرها 93.0 kPa⁻¹ تحت 175 kPa و122.7 kPa⁻¹ فوق 200 kPa. يتم تسليط الضوء على قدرة المستشعر على اكتشاف الانزلاق وتقدير خشونة السطح، مما يبرز إمكانياته لتطبيقات في المناورة الروبوتية والأجهزة اللمسية. يسمح تصغير وحدات المستشعر إلى 200 ميكرومتر بدقة مكانية عالية، مما يجعل APE مناسبًا للتطبيقات المتقدمة في المناورات الدقيقة والأطراف الصناعية، مما يعزز في النهاية براعة الروبوتات في البيئات المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-026-02508-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41709003
Publication Date: 2026-02-18
Author(s): Guolin Yun et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Methods
**Methods Summary**
The study utilized various materials and equipment to investigate the properties of composite sensors. Key materials included FLG nanoplatelets, EGaIn, Field’s metal alloy, spiky Ni microparticles, and silicone elastomers, all sourced from reputable suppliers. The experimental setup featured an FEI Quanta 3D FEG dual-beam electron microscope for scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive spectroscopy (EDS), alongside a Magellan 400 SEM for additional imaging. Finite element simulations were conducted using COMSOL Multiphysics 5.2, while an UltiMaker S5 3D printer was employed to create molds and masks for the sensor fabrication.
Mechanical properties were assessed using an Instron 68TM-50 Universal Testing System, which measured stress-compressive strain curves of composite samples. Resistance measurements were taken with a Keithley 2400 unit, ensuring statistical reliability through multiple trials (minimum five per test). The study reported static resistances for sensor units, with 4 mm units showing a range of 2.7 to 3.4 MΩ and 200-μm units ranging from 14.5 to 20.1 MΩ, with variations attributed to batch differences. Calibration of sensors was performed based on static resistance to maintain consistent voltage-force responses. Additional equipment included a laser writer for photo-etching, an electron-beam evaporator for electrode deposition, and a custom PCB for sensor integration, ensuring precise measurement and control throughout the experiments.
Discussion
The research discusses the development and characterization of an anisotropic porous elastomer (APE) designed for high-performance pressure sensing applications. The APE is composed of a hybrid filler including nickel (Ni) particles, few-layer graphene (FLG) nanosheets, and liquid metal (EGaIn) microdroplets, which together form a conductive network that enhances both electrical and mechanical properties. The optimal mass ratio of these components was found to be 1.4/0.04/0.6/1, resulting in a significant increase in pressure sensitivity (S) along the alignment direction (0°) compared to the non-porous elastomer, achieving a sensitivity of 0.382 kPa⁻¹. The porous structure of the APE allows for greater deformation under pressure, which enhances conductivity and sensitivity, while maintaining stability against lateral deformation.
The APE’s design includes pyramid-shaped sensor units that improve pressure sensitivity and enable the decoupling of normal and shear forces. These units demonstrate exceptional linearity in their conductance-pressure response, achieving a sensitivity of 93.0 kPa⁻¹ below 175 kPa and 122.7 kPa⁻¹ above 200 kPa. The sensor’s ability to detect sliding and estimate surface roughness is highlighted, showcasing its potential for applications in robotic manipulation and haptic devices. The miniaturization of the sensor units to 200 μm allows for high spatial resolution, making the APE suitable for advanced applications in micromanipulators and prosthetics, ultimately enhancing robotic dexterity in complex environments.