供稿人：高天健、贺健康 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-09-07
以电子皮肤为代表的柔性电子器件在多种应用场景中引起了广泛的兴趣，如可穿戴电子器件，表皮电子学，机器人皮肤等。到目前为止，关于电子皮肤的研究主要使用柔软的材料保证器件的灵活性和一致性，例如使用自愈材料使设备从损伤中恢复，但这些方法并不能从本质上防止电子皮肤受损。在自然界中，经过持续的自然选择过程，甲壳、鳞片或贝壳已广泛进化为许多生物的有效防御机制，以保护它们免受捕食者的威胁，例如大多数昆虫、无脊椎动物、鱼类、两栖动物、爬行动物和哺乳动物。受这些结构启发的保护性仿生装甲设计，可以像那些保护自己柔软身体的生物一样，为柔性电子设备的适应性带来实质性的改进。针对上述问题，受蛇皮的启发，华中科技大学团队结合了电子皮肤和仿生装甲的概念，提出了一种新型的电子装甲(E-armor)，它不仅具有类似于电子皮肤的机械柔韧性和电子功能，而且能够保护自身和下面的软体免受外部物理损伤。
图 1受蛇皮启发的软铰链电子装甲示意图
如图1所示，坚硬的鳞片由柔软的被膜连接起来，这使蛇的皮肤能够大范围膨胀，保证了由坚硬的鳞片和柔软的被皮组成的皮肤的灵活性、顺应性和保护性。此外，鳞片下方真皮层的神经末梢能够检测外部刺激，如温度和压力，从而保证蛇皮的传感功能。这种多功能蛇皮设计为电子装甲提供了灵感，类似于蛇皮的组成，电子装甲由刚性瓦片组成，在选定节点上由软材料连接。Kiri-MM型软铰链采用软聚合物复合材料（硅橡胶），具有超低宏观模量和合理的高拉伸性。进一步通过在刚性瓷砖上加入电子元件，并在软铰链上使用导电聚合物复合材料来进行电气增强。图1E通过集成二极管和柔性传感器的电子装甲演示了这一概念。模拟蛇吞食猎物，将直径约为51mm的鸭蛋放入管状电子装甲（直径为34mm,18片，每片为6mm×6mm）中，膨胀率可达50%。
图 2软铰链的可拉伸性、柔韧性和一致性
软铰链Kiri-MM设计使电子装甲具有非凡的力学性能，即拉伸性能。在铰链处使用软材料从本质上增强了器件的力学性能，软铰链Kiri-MM板可以很容易地弯曲或轧制成所需的弯曲形状，如风车。软铰链和单材料Kiri-MM板遵循不同的变形模式。在软铰链中也会发生屈曲，就像在单材料模型中发生的那样，但在拉伸加强阶段，它会迅速平滑，并切换回平面内拉伸。
为了模拟蛇吞蛋的动态过程，研究人员制作了一种柔性管状电子装甲。基于空腔结构设计，电子装甲沿其长度配备了灵活的压力传感器，通过压力诱导电容变化来感知鸡蛋。沿着管道长度交替分配传感器，可以使其对来自内部和外部的压力都敏感。内部传感器用于测量通过鸡蛋的压力，外部传感器感知环境压力。随着鸡蛋的移动，电子装甲会局部拉伸并包裹鸡蛋，鸡蛋通过后电子装甲会变回未拉伸的状态。刚性瓦片隔离了内外传感器，以便分别测量内外压力。特别是内部传感器可以精确定位经过的鸡蛋的位置，而外部传感器几乎不受影响。
图 3软铰链的传感功能测试
这一工作展示了一种新型的电子装甲概念，它不仅具有机械拉伸性、柔韧性和一致性，而且还能保护底层的软体从外部物理或热损坏。与电子皮肤不同的是，电子装甲的非常规刚性瓷砖设计提供了这种保护能力。Kiri-MM软铰链独特的几何设计提供了以下优势:i)由于负泊松比，可拉伸性和大面积覆盖，ii)可保护刚性材料制成的瓦片，iii)克服固有膨胀的完全一致性，iv)无需改变刚性瓦片的结构可编程性。在此基础上，这种软铰链Kiri-MM电子装甲系统成功地展示了其出色的机械灵活性、拉伸性、一致性和保护性之外的电子功能。通过集成不同的电子模块，可以实现压力感知、可编程显示和环境监测等初步功能。这种电子装甲不仅可以用于保护自身或软体机器人，而且在智能人工血管支架等生物集成设备中也很有前景。这些更复杂的方法以及电子装甲在柔性电子领域广泛应用的研究有待未来的研究。