超材料因其超常的机械、物理、化学特性，在诸多领域具有重要的应用前景，但是如何将超材料融入传感器件并实现超乎寻常的感知性能一直是柔性传感领域的难点。为解决这一问题，我院吴豪团队提出了弹性体薄膜泊松比调控新方法，通过调整结构参数控制弹性体薄膜的泊松比。基于此方法制备的具有零泊松比超材料结构的柔性传感器能够独立感知双轴信号。相关成果“Flexible sensors with zero Poisson’s ratio（零泊松比柔性传感器）”于1月23日发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），我院博士生黄鑫为论文第一作者，吴豪教授为通讯作者。
这项工作将常见的正泊松比结构和负泊松比结构的特点进行融合，并通过结构特征的调节实现弹性体薄膜泊松比的控制，制备出具有零泊松比的柔性薄膜。同时，这种零泊松比结构构筑了仅对单轴应变灵敏的传感区域，在这些传感区域设计波浪形的应力集中结构增强传感灵敏度的同时进一步增强对其他轴信号的抗干扰特性。通过有限元方法分析不同结构参数下薄膜的泊松比，从而优化分析出能够实现零泊松比的最佳参数。
零泊松比结构设计方法
在单轴拉伸下，零泊松比薄膜中垂直于拉伸轴的传感单元承受局部应变近乎为零且不随整体拉伸应变的变化而变化。在双轴拉伸下，零泊松比薄膜的齿轴传感单元的局部应变仅受齿轴整体应变的影响，不同的驰轴整体应变对齿轴传感单元的局部应变没有影响，从而实现对双轴信号的解耦感知。
零泊松比传感器性能表征
为了验证零泊松比传感器对双轴信号的感知能力，文中演示了贴附有该传感器的机械手抓取纸杯过程中的接触力变化。在抓取过程中，纸杯和机械手接触面的曲率会发生较大变化。对零泊松比传感器来说，这种曲率变化对垂直于弯曲方向的传感单元的影响很小，因此零泊松比传感器能够准确检测抓取纸杯过程中的接触力。然而，对不具有零泊松比结构的普通柔性传感器来说，这种曲率变化对双轴传感单元均有较大影响，导致抓取接触力的错误感知。同时，贴附在仿生四指机械手上的零泊松比传感器能够准确区分机械手的正常工作和碰到障碍物状态，进一步证实零泊松比传感器具有在复杂大变形条件下准确感知触觉信号的能力。
零泊松比传感器对抓握接触力的感知
另一方面，将零泊松比传感器贴附在热驱动软体机器人上进一步检验传感器对双轴弯曲信号的独立感知。该传感器能够准确感知软体机器人分别沿齿轴和驰轴的运动距离，最终合成机器人整体的运动距离和方向，证明该传感器能够为软体机器人提供自身形变和运动状态的准确感知。
零泊松比传感器感知软机器人运动状态
论文链接：
学院微信公众号