可拉伸导电弹性体可用于可穿戴电子设备、软机器人和可植入医疗设备的可拉伸传感器或可拉伸导体。通常，可拉伸导电弹性体包含制造在可拉伸基材上的导电活性材料。导电活性材料是本征导电材料（如液态金属和水凝胶）或通过混合导电颗粒/导线形成。其中，作为导电剂的金属基填料由于其优异的导电性和长期稳定性而备受关注。可拉伸基材通常由一层或多层弹性体层组成，形成底部箔或完全封装的导电活性材料保护层。许多研究人员通过使用光刻、转移技术或印刷技术将导电活性材料制造到弹性体基底上，开发了各种可拉伸装置。其中，印刷技术因其低制造成本和高生产效率而成为一种有吸引力的方式。然而，这些导电材料通常在监测动态应变方面表现不佳。监测到的信号失真，失去关键的物理标志，限制了它们的实际应用。

鉴于此，清华大学精密仪器系朱荣教授、柳世强博士通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上印刷导电油墨（Ag-filler-Ecoflex-matrix）制备成导电弹性体（Ag-Ecoflex-PDMS）。与其他导电材料相比，Ag-Ecoflex-PDMS弹性体具有更好的动态性能，更小的超调响应、更高的应变灵敏度和更低的滞后性。基于深度学习的动态校准方法，成功地校正了传感信号，并将滞后误差消除到0.1%。Ag-Ecoflex-PDMS弹性体在导电油墨的热固化过程中由于PDMS基板的热膨胀和收缩而获得了高导电性，因此既可以成为出色的可拉伸传感器，也可以作为可拉伸导体。基于Ag-Ecoflex-PDMS的应变传感器以高保真度和人机协作打乒乓球的方式监测膝关节运动的演示验证了弹性体在监测人体动态活动、人机协作、虚拟现实等方面的卓越准确性和鲁棒性。相关工作以“Printable and Stretchable Conductive Elastomers for Monitoring Dynamic Strain with High Fidelity”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

导电弹性体组成与拉伸性能

可拉伸导电弹性体包含印刷在聚合物基材上的导电薄膜。导电薄膜由导电颗粒和弹性体基体组成。导电颗粒均匀分散在弹性体基体中，形成导电网络（图1）。在拉伸或释放过程中，导电粒子随着聚合物基板的应变而移动，导致导电弹性体的电响应。在拉伸第一阶段，导电弹性体的相对电阻变化（ΔR/R）显着增加，然后略有下降。当拉伸保持到一定程度时，阻力继续减小并逐渐达到稳定状态。当释放过程开始时，电阻首先略有增加，然后显着降低到初始状态。导电活性材料中沿横向和纵向的导电通路的不协调动态行为扭曲了导电弹性体对动态应变的电响应。可以通过使用所提出的Ag-Ecoflex-PDMS导电弹性体来抑制它，从而获得小过冲和高灵敏度。

图1可拉伸导电弹性体及其对动态拉伸和释放的电响应

导电弹性体的应变传感与电导率

作者将导电弹性体（EAP）制备成导电薄膜（100 µm厚），并将其与其他复合弹性体进行比较，如印刷在Ecoflex基板上的EA导电薄膜（EAE）。同步监测它们在拉伸释放周期（40%应变下）中的阻力响应（图2）。肩峰明显出现在EAE的动态响应中，而肩峰在EAP的响应中较弱。EAP表现出更好的应变传感性能，体现了更小的超调和更高的灵敏度，测量因子 (GF)为31.3。EAP更优的原因是Ecoflex基体作为导电油墨的交联剂，几乎不会阻碍导电油墨的压缩变形，并且使用EAP进行应变传感的单调性和良好的可重复性。通过使用基于深度学习的校准，应变传感器的滞后误差几乎完全消除，并从14.4%降低到0.1%。具有PDMS基板的EAP和EAEP的电导率（分别为4527 S cm-1和5110 S cm-1）远高于EAE和EAPE（分别为111 S cm-1和275 S cm-1）（图4）。导电弹性体的电导率主要由主基板而非墨膜下方的接触材料决定。

图2.不同基材的可拉伸导电弹性体在拉伸和释放下的应变传感响应

图3.导电弹性体的电导率

导电弹性体的动态监测和人机协作应用

为了验证EAP的功能，通过印刷EA薄膜（12 mm×1 mm×100 µm）来制造应变传感器（图4）。作者利用含有银含量为72.0 wt.%的EA薄膜的EAP弹性体来开发可拉伸应变传感器，以监测人类行走和跑步过程中的膝关节运动。受试者在以不同速度（4、6和8 km h-1）行走和跑步期间的步幅大小和频率，人类步态轮廓的细节被明确识别并与检测到的受试者膝盖的实际关节角度很好地一致。使用EAP传感器监测到的膝关节运动的信号保真度对于左膝高达0.955，对于右膝高达0.904。此外，作者演示了采用EAP应变传感器动态监测人体手臂摆动并控制机械臂及时接球和回球（图5）。一名在肘部佩戴EAP应变传感器的受试者观察飞球并摆动手臂模拟击球，同时利用应变传感器捕获的人臂动态运动来真实操纵机器人手臂时间以便在现实中接住并返回乒乓球。以上研究表明，EAP导电弹性体能够很好地控制人机协作中的同步运动。

图4可拉伸导电弹性体的动态监测

图5可拉伸导电弹性体的人机协作应用

小结：作者深入研究了可拉伸导电弹性体在监测动态应变时的信号失真问题。Ag-Ecoflex-PDMS弹性体在导电油墨的热固化过程中由于PDMS基材的热膨胀和收缩而获得高导电性，因此也可以成为一种出色的可拉伸导体。在人类步行和跑步过程中的膝关节运动捕捉演示中，导电弹性体表现出非常高的保真度(>0.9)，并且可以准确捕捉步态曲线中的关键物理标志。使用应变传感器进行人机协作打乒乓球的可行性。这项研究能够为可拉伸导电材料在监测人类活动、人机交互与协作、虚拟现实等方面的实际应用铺平道路。

全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202204878

来源：高分子科学前沿

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