《Journal of Colloid and Interface Science》：Crack-controllable waterproof strain sensor with high linearity for underwater soft robot monitoring
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水下软机器人柔性抓爪姿态监测用高灵敏度防水应变传感器研究提出基于裂纹可控结构的MWCNTs/MoS2/AgNWs复合柔性应变传感器，实现>0.98线性、GF=432.62灵敏度及耐40米水压特性，适用于水下机器人抓爪监测和可穿戴设备人体运动检测。
程仕龙|张成|戴海林|郑成基|文子豪
温州大学机械与电气工程学院，中国温州325035
摘要
为了解决软体机器人柔性机械夹具在复杂海洋环境中姿态测量不准确的问题（这会降低捕获成功率），需要开发出柔性、防水且耐水压的姿态监测传感器。本文提出了一种基于可控裂纹结构的完全封装型柔性防水应变传感器。该传感器通过在具有菱形导电网格结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上沉积多层碳纳米管（MWCNTs）/二硫化钼（MoS?）/银纳米线（AgNWs）导电膜制成。实验结果表明，该传感器在工作范围55%内具有高线性（>0.98）、高灵敏度（GF = 432.62），并在12%的应变下稳定性超过4500次循环。此外，该传感器能够检测低至0.05%的应变，并能响应不同波形的机械振动激励。该传感器不仅具有优异的耐盐和耐碱腐蚀性能，而且对水压的敏感性也很低。它可以应用于水下软体机器人末端柔性机械夹具的姿态和弯曲角度监测，以及用于人体运动检测的可穿戴设备中，对水下机器人开发和海洋探索具有重要意义。
引言
海洋蕴藏着丰富的未开发资源，包括海洋矿物、生物物种和独特的海洋结构，吸引了越来越多的人类探索活动[1]、[2]。在这一过程中，配备柔性机械夹具的水下软体机器人已成为探索和了解海洋的重要技术工具[3]、[4]。它们可以在抓取过程中最小化或避免对水生生物的伤害。然而，软体机器人面临许多挑战，尤其是在水流和结构不稳定的水下环境中，这些因素会影响机械夹具的操作位置和性能，从而影响捕获成功率[5]。此外，如果没有机械反馈，夹持力不足或过大都会影响机器人的性能[6]。尽管已经开发了多种适用于水下环境的传感器[7]、[8]、[9]、[10]，但专门为解决水下夹具抓取问题而设计的传感器相对较少[11]。柔性应变传感器能够将形变转换为电信号，在机器人姿态监测和可穿戴设备中展现出巨大潜力[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。虽然已有研究使用应变传感器来监测柔性机械夹具在抓取过程中的姿态，但大多数研究是在大气环境中进行的[17]、[18]。关于柔性应变传感器在水下环境中的核心性能特性（如防水性和耐水压性）的研究仍然有限。因此，开发用于水下软体机器人夹具监测的防水应变传感器对于推进海洋探索至关重要。此外，最新的防水应变传感器技术包括基于界面工程策略的超疏水仿生应变传感器[19]、能够收集摩擦电能的多功能电子皮肤[20]、具有生物降解特性的超灵敏应变传感器[21]，以及使用静电纺丝技术制造的超灵敏传感器[22]。然而，由于柔性材料的固有非线性特性，同时实现高灵敏度和线性仍然是一个挑战，因此当前的研究主要集中在灵敏度和延展性上[23]、[24]、[25]。因此，用于长期稳定水下传感的柔性应变传感器需要具备高灵敏度、线性、宽测量范围和耐用性，以适应复杂的水下环境[26]、[27]。
为了解决上述问题，本文提出了一种具有可控裂纹结构的柔性防水应变传感器，该传感器具有高灵敏度、线性、宽测量范围和低检测应变（设计概念见图1）。通过在具有菱形导电网格结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上沉积多层碳纳米管（MWCNTs）/二硫化钼（MoS?）/银纳米线（AgNWs）导电膜，并用PDMS进行封装，实现了良好的综合性能。水下压力环境模拟测试表明，该传感器在40米深度的水压下仍具有较低的敏感性，有效克服了水下环境中的操作故障风险。这一创新显著提高了水下软体机器人的稳定性和可靠性。为简化表述，本文将这种传感器称为“具有菱形导电网格的MoS?/MWCNTs/AgNWs柔性应变传感器（RMMA传感器）”。它旨在克服现有水下机器人传感器的局限性。
材料
本研究使用了以下材料：聚二甲基硅氧烷（Sylgard 184，Dow Corning Corporation，纯度>99%）、多层碳纳米管粉末（深圳穗恒科技有限公司308,068–56-6，纯度>98%）、多层碳纳米管水分散液（江苏先锋纳米材料科技有限公司XFWDM1333-86-4，10 wt%）、薄层二硫化钼粉末（江苏先锋纳米材料科技有限公司XF184–1，纯度>98.5%）、银纳米线水溶液
应变传感机制和表面形态
图3a展示了拉伸和释放过程中导电网络的结构演变。PDMS基底上预先设计的菱形导电网格微结构可以引导MWCNTs/MoS?/AgNWs导电膜中裂纹的形成、传播路径和范围，从而实现裂纹的控制。在拉伸过程中，导电网格结构和MWCNTs/MoS?/AgNWs薄膜协同作用，使传感器的导电路径发生变化
结论
本文提出了一种可控裂纹结构的完全封装型柔性防水应变传感器，具有高线性、高灵敏度和耐低水压能力，适用于水下环境中的可靠操作。MWCNTs/MoS?/AgNWs导电膜沉积在具有菱形网格的基底上，实现了在应变作用下裂纹的可控形成和传播。实验结果表明，该传感器在全尺度范围内（55%）具有高线性（>0.98）
作者贡献声明
程仕龙：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、研究实施、概念构思。张成：撰写 – 审稿与编辑、指导、方法论设计、资金申请、概念构思。戴海林：项目管理工作、研究实施。郑成基：数据可视化、研究实施。文子豪：数据可视化、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号LZ24E050007）、国家自然科学基金（项目编号52205600）、温州市基础科学研究项目（项目编号G2023041）以及浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（项目编号2025C03004）的支持。
