美國南加州大學：受折紙啟發，研發一種低滯后、高拉伸性應變傳感器！

受到折紙從二維變為三維的制作過程啟發，南加州大學的研究人員設計了一種可變形的非平行板三維電容應變傳感器。這種非平行板電容應變傳感器的制備過程非常巧妙，研究者首先在預拉伸的硅膠彈性基底上制備二維電極圖案，然后通過釋放預應變讓基底恢復原長，從而將二維電極轉換為具有一定折疊角度的三維非平行電極板，從而為這種電容式的應變傳感器提供了很大的可拉伸性、超低滯后性、高重復性、快速響應時間以及小傳感器面積等優勢。此外，的三維電極設計還支持壓縮應變傳感和特定方向的應變響應，這是不同于以往大多數基于可拉伸材料的柔性應變傳感器的性質。毫米級的小傳感面積還允許這種傳感器可以簡單地粘附在軟體裝置上實現對它們形變的分布式測量。

圖1D展示了折紙結構的電容式應變傳感器制作工藝。首先制造一個平面多層結構，稱為二維前驅體。二維前驅體包括底部Parylene層（厚度5μm）、光刻圖案的金屬層（鉻/金，厚度25/200nm）和其上方的另一個Parylene層（厚度5μm）。對Parylene層進行圖案和蝕刻形成了Parylene/金屬/Parylene圖案，定義了多面板電極和一對狹窄的（~100 μm）蛇形導線。這些蛇形導線作為電極和外部電子設備之間高度可伸縮的電互連結構。厚(35至40 μm厚），可光定義環氧樹脂（SU-8 25）覆蓋頂部Parylene層，在四個圖案的矩形區域提供硬化。與未覆蓋的區域相比，該SU-8層的覆蓋范圍使彎曲剛度增加了大約130到175倍，從而形成了面板折痕結構。連接兩個電極的Parylene/金屬/Parylene折痕中的狹縫設計進一步降低了折痕的彎曲剛度。通過暗板掩膜將Ti/SiO2雙層（15 nm/50 nm厚）沉積在二維前驅體的背面，形成與單軸預拉伸的彈性體襯底（Ecoflex 00-31）的共價鍵合位點。釋放預應變會施加壓縮力，導致二維前驅體的未結合區域沿著狹縫發生屈曲。

可拉伸應變傳感器可以測量相對較大的變形，研究人員展示了將它們用于軟機器人形狀和變形的感知測量。分布式應變傳感器可以無縫集成到軟機器人表面，然后根據測量數據進行三維重建的應變分布測量，為軟機器人在任意環境設置下的本體感覺提供了一個解決方案。然而，具有高滯后滯或低拉伸能力的應變傳感器可能會限制本體感覺能力。軟機器人本體感覺的另一個挑戰是對軟機器人的多模態變形的分解，如拉伸/壓縮、彎曲、扭曲和剪切，這些變形可以同時存在。本文提出的電容傳感器中的三維角度電極可以隨著鍵接點方向的拉伸或壓縮而展開或折疊，分別導致電容的減少或增加（圖3B）。由于三維電極的不對稱結構，傳感器在不同角度的拉伸作用下，與傳感器帶的縱向方向表現出方向相關的電容變化。復雜的、不對稱的變形模式可以導致與面S1和面S2不同的傳感器響應。彎曲臂在外表面產生顯著的拉伸應變和內表面的壓縮應變都可以被傳感器所捕獲（如圖5C）。