【儀表網 研發快訊】近日，國際頂尖材料科學期刊《今日材料》(Materials Today)在線刊發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，在醫療保健、生物醫學工程、可穿戴設備、機器人等多個新興領域展現出巨大的應用潛力。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測中的應用展示
為了實現相對較大表面積上對任何施加剪切應變的有效感知，研究團隊開發了由具有梯度結構參數的雙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，實現了對人體皮膚實時運動的可視化監測，為可穿戴設備和人機交互技術的發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，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。
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