毛细桥组装的SBS弹性体微点阵列，用于应力与应变传感

《Sensors and Actuators A: Physical》：Capillary Bridge-Assembled SBS Elastomer Microdot Arrays for Stress and Strain Sensing

微尺度触觉传感器通过毛细液体桥诱导自组装技术制备，采用SBS热塑性弹性体与AIE发光分子构建微阵列，实现压力与拉伸应变的复合检测，结合卷积神经网络算法完成压力分级与定位分析。

　　

孙晓涵|左静|赵志豪|徐凌云|刘红洋|奚瑞斌|宋琦|陈哲|王伟杰|向恭模|江向宇|江磊

北京航空航天大学化学学院，中国北京100191

摘要

高灵敏度、高精度、长寿命的微触觉传感器在健康监测和智能机器人等领域具有广泛的应用前景。然而，现有技术通常将微结构限制在单一基底材料中，这极大地限制了微结构设备和机器在不同场景中的应用。在此，我们提出了一种基于毛细液桥诱导的自组装方法，该方法不仅促进了触觉传感器的微型化，还使得我们制造的微传感设备能够在多种场景中得到应用。我们将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）热塑性弹性体和聚集诱导发光（AIE）分子空间限制并组装成微点阵列，成功制备了由SBS/AIE点阵列组成的微尺度触觉荧光传感器。基于具有不同应力特性的基底，这些传感器能够在各种应用场景中检测应力和应变。利用AIE分子的荧光特性，该传感器对压力和拉力都有良好的响应。值得注意的是，结合卷积神经网络（CNN）仿真算法，SBS/AIE分子阵列传感器实现了不同压力的分类和回归。这种制备微米级阵列的方法为构建适用于不同应用场景的微触觉传感器提供了一条新颖而有效的途径。

引言

近年来，高灵敏度、长寿命的微触觉应变传感器得到了广泛研究，以满足机器人技术和可穿戴医疗系统日益增长的需求。这些传感器应用于健康监测、体能训练、便携式检测仪器、汽车工业和机器人技术等多个领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。为了使这些传感器能够在多种场景中部署，选择合适的基底至关重要。例如，可穿戴传感器需要具备优异的透气性、柔韧性、舒适性和可变形性，以贴合人体轮廓，因此柔性基底是最合适的选择[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。相反，用于汽车工业的压力传感器则需要刚性基底来提供结构支撑[13]、[14]、[15]、[16]。然而，目前大多数传感器加工方法都集中在单一基底上[17]、[18]、[19]。设计一种通用组装策略，使传感材料能够适用于不同基底，同时满足高灵敏度和微型化的要求，对我们来说是一个重大挑战。

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）热塑性弹性体作为一种有前途的材料类别，展现出卓越的触觉响应性、内在弹性和溶液加工性，使其能够在包括可穿戴设备、柔性电子器件和仿生组织结构在内的多种平台上广泛应用[20]、[21]。随着技术的进步，对能够在多种环境中检测微弱力和微尺度应变的微型触觉传感器的需求日益增长。在不同基底上对SBS进行微尺度阵列制备是开发微型力传感器的一种有效方法。然而，此类研究仍然较少，这突显了开发通用组装技术的迫切需求，以实现传感器的微型化和多场景适用性。基于润湿性原理的受限组装技术是一种新兴技术，它能够促进材料自组装成定向有序的微结构。该技术允许大规模、可控地组装微米级弹性体材料阵列[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。由此产生的有序微结构使传感器具有比传统薄膜基传感器更大的比表面积，从而提高了传感器性能。更重要的是，这项技术能够设计出可在各种基底材料上组装的阵列，便于在不同应用场景中制造微结构阵列传感器[31]、[32]、[33]、[34]。此外，最近引入的功能性聚集诱导发光（AIE）分子可以通过荧光信号的变化来可视化传感响应[35]、[36]。

在本研究中，我们利用毛细液桥诱导的脱湿组装技术，成功制备了基于弹性体阵列的微尺度荧光触觉传感器。通过使用具有不同应力特性的基底，该传感器能够在不同的应用场景中检测应力和应变。利用AIE机制，制备的弹性体传感器对应变和压力都有敏感的响应。荧光强度随应变和压力的变化而规律变化，显示出良好的线性关系。该传感器在应变检测方面表现出优异的稳定性和重复性，卷积神经网络（CNN）仿真的应用成功实现了压力的分类和压力位置的识别。对于拉伸应变，微点的纵横比随着拉力的增加而系统变化，从而验证了使用热塑性弹性体阵列作为触觉传感器的可行性。本工作中开发的新传感器设计方法将有助于在各种基底上制备传感材料，并能够制造出紧凑的触觉传感器，这无疑是推动传感器在多种应用中应用的重要技术进展。

部分摘录

基于刚性和柔性基底的SBS/AIE分子微点阵列的构建

使用光刻和深度反应离子刻蚀（DRIE）技术制备了具有周期性排列结构的硅微柱模板。扫描电子显微镜（SEM）表征和能量色散X射线光谱（EDS）分析显示，硅元素在微柱顶部均匀分布（图S1a和b）。随后，在制备的模板上修饰了低表面能的全氟烷基硅烷（FAS）分子，以实现不对称性

结论

总之，我们设计的基于毛细液桥诱导的脱湿组装技术成功制备了微尺度SBS/TPMN分子阵列传感器。利用该技术，制备的点直径控制在约10微米，满足了传感器微型化的要求。此外，通过在具有不同应力特性的基底上制造传感器，我们使它们具备了检测应变和压力的能力

材料

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）热塑性弹性体和乙醇（99.7%）购自上海麦克林生化有限公司；Silicone oil PMX-200和SYLGARD? 184硅胶弹性体套件由上海阿拉丁生化科技有限公司提供；甲苯（≥99.5%）购自现代东方（北京）科技有限公司；2-[[4'-(二苯氨基)[1,1'-联苯]-4-基]亚丙二腈（TPMN）由聚集诱导

CRediT作者贡献声明

奚瑞斌：写作 – 审稿与编辑。宋琦：写作 – 审稿与编辑。刘红洋：写作 – 审稿与编辑。向恭模：写作 – 审稿与编辑。江向宇：写作 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取。陈哲：写作 – 审稿与编辑。王伟杰：写作 – 审稿与编辑。赵志豪：写作 – 审稿与编辑。徐凌云：写作 – 审稿与编辑。江磊：写作 – 审稿与编辑。孙晓涵：写作 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52322312、51973227、22005011、21633014、51901009和21988102）以及中央高校基本科研业务费的支持。

孙晓涵于2023年获得北京航空航天大学化学学院的硕士学位，目前正在攻读材料物理与化学博士学位。她的研究兴趣包括基于润湿性原理的微纳结构组装以及微机械传感器的研究。