近期，Nature Communications期刊在線發表了題為“Marangoni-driven deterministic formation of softer, hollow microstructures for sensitivity-enhanced tactile system（基于馬拉高尼效應的柔性空心微結構成形及觸覺系統靈敏度增強應用）”的最新研究成果。華中科技大學機械學院黃永安教授團隊提出了利用馬拉高尼流驅動組裝技術，制備了具有空心微結構的柔性薄膜，為三維微結構實現柔性壓力傳感器的高靈敏度、大量程性能開辟了新路徑。
隨著人機交互、智能醫療等新興領域的發展，機器人從基本的搬運，簡單的協作，逐漸發展到需要與機器、人和環境交互的精細、復雜任務。機器觸覺能夠提供重要的觸摸信息，比如在預接觸/抓取下感知物體粗糙度/紋理/位移等微小壓力變化。這在機器人順應性操作中至關重要，但同時對柔性壓力傳感器的靈敏度/量程等性能也提出了高要求。當前，三維微結構已經在生物醫療監測、人機交互接口、機器人觸覺和微飛行器等方面引起了研究者的廣泛興趣。而柔性壓力傳感器中間結構層的三維力學設計與其性能息息相關。目前研究者已通過各種微納工藝，開發了多種多樣的三維微結構，比如微金字塔、微柱、微球、微針或仿生物表面的微結構等。然而，受壓時實心微結構在大壓力下其壓縮剛度急劇上升，導致基于實心微結構的壓力傳感器的高靈敏度容易限制在低壓范圍內，難以擴展至高壓力范圍。
面對上述挑戰，黃永安教授團隊提出了一種基于馬拉高尼流驅動的成形方法，實現了具有空心微結構陣列的柔性薄膜制備。在聚合物溶液的倒模蒸發過程中，液體對流沉積使得模版中溶質顆粒的再組裝與分布，促進了微結構內部空腔的成形。通過改變溶液體積和蒸發驅動的流動條件，實現了微結構內部從實心到空心的可控調節，最大空腔體積率超過90%。在受壓時，空心微結構更軟且內部的空腔坍縮有利于延緩結構硬化以及承受大變形。相比于實心微金字塔結構，基于空心微金字塔結構的壓力傳感器將靈敏度提升了10倍并具有更高的量程。此外，該方法通用性強，沒有增加當前微結構薄膜的制備工藝復雜度，可實現空心微金字塔、空心微球、空心微柱等各種不同形狀的陣列化制備，并推廣應用于各種感壓原理的柔性壓力傳感器。
研究發現空心微結構的成形與聚合物殘余溶質的分布有關，總結分析了空心微結構成形的關鍵因素：（1）溶液的蒸發厚度系數；（2）加熱固化有利于促進蒸發驅動的流動，引發溶質向邊緣運輸，促進空腔的成形；（3）模板凹坑的尺寸。這三個因素實現了微金字塔結構的空心高度比從0（實心）到0.6（空心）的可控調節。給出了微金字塔內部空腔輪廓的擬合形貌方程與上述成形因素的確定關系，為空心微結構的量化設計提供了指導。
探究對比了空心、實心微金字塔結構的力學壓縮性能。實心微金字塔（h/H=0）隨著壓力的逐步增大，其剛度急劇上升，抑制了高靈敏度的擴展。相比之下，空心微金字塔（h/H>0）內部的空腔提供了緩沖空間，在受壓力時經歷了尖端潰縮、空腔坍縮和自擠壓三個階段，等效壓縮剛度變化更加平緩。進一步研究了空心微金字塔結構的等效壓縮剛度與其結構幾何和材料參數的關系，分析了空腔占比對壓縮性能的影響。
利用制備的空腔微金字塔陣列作為介電層，制備了柔性電容壓力傳感器。在同尺寸、材料參數下，空心金字塔相比實心金字塔微結構，靈敏度提升了近10倍，并且在較大壓力時仍然保持較高的靈敏度。相較于采用各種先進、復雜的工藝來制備高深徑比的針狀微結構，本文采用的微金字塔雖然具有低深徑比（0.7），但由于內部空腔的存在，在提高靈敏度和量程上具有明顯的優勢。此外，傳感器在動態、靜態和10000循環載荷下，表現出了良好的穩定性、重復性和可靠性。最后，檢測了柔性壓力傳感器在不同預載荷下對微小壓力的感知能力，搭建結合視觸覺的柔性壓力感知系統，展示了在人體健康監測、機器觸覺等方面的系統級應用場景。
這種簡單、可擴展、大面積兼容的技術可用于制造各種幾何形狀的空心微結構，有望替代當前廣泛使用的實心微結構，解決柔性壓力傳感器在高靈敏、大量程方面的長期挑戰，并擴展到各種原理的柔性壓力傳感器（如壓阻式、離子電容式、摩擦電式等）。這將在機器人觸覺、表皮電子、光學超表面、機械智能計算等方面中有巨大的應用潛力。
華中科技大學智能制造裝備與技術全國重點實驗室為論文第一完成單位，華中科技大學機械學院熊文楠博士為本文的第一作者，黃永安教授、張帆副研究員為本文共同通訊作者，厲侃研究員、碩士生屈世源、殷黎婷參與研究。本研究獲國家自然科學基金、科學探索獎、湖北省科技創新團隊等項目資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49864-z
