【仪表网 研发快讯】近日，国际顶尖材料科学期刊《今日材料》(Materials Today)在线刊发了一项关于剪切引导的人机交互柔性传感阵列的重磅研究成果。该成果论文题为 “Morphable 3D architectures enabled by shear-guided approach(基于剪切引导方法实现可变形的3D结构)”，由华中科技大学、清华大学、西安交通大学与美国西北大学携手完成。华中科技大学智能制造与装备全国重点实验室研究员厉侃，清华大学柔性电子技术国家重点实验室2018级博士生刘志、2021级博士生胡笑男共同担任第一作者；清华大学柔性电子技术国家重点实验室教授张一慧、副研究员柏韧恒为通讯作者。
通过力学引导方法组装的3D结构及电子设备，在医疗保健、生物医学工程、可穿戴设备、机器人等多个新兴领域展现出巨大的应用潜力。然而，进一步拓展机械途径可获得的功能性3D架构范围，成为科研人员不断探索的重要方向。在此背景下，本研究创新性地展示了一种剪切引导组装方法，取得了突破性进展。
图为剪切引导的3D装配和形状变形
研究团队借助该方法，成功构建出一系列以往难以实现特定几何特征的结构，如可逆局部翻转、中心对称性结构等，且涵盖丝带、薄膜及混合配置等多种形式。基于此，研究人员引入并精心校准了一种由两个丝带状3D单元组成的双3D单元设计，专门用于剪切传感。这一巧妙设计的独特之处在于，它能将难以直接测量的剪切变形巧妙地转化为易于获取的垂直位移，同时对有限拉伸载荷具备良好的不敏感性。利用这种双3D单元设计，团队成功制造出多功能阵列电子界面，为人机交互领域带来了全新的可能。
图为通过剪切导向策略实现可变形的3D中观结构
在制造工艺方面，该技术分为两个关键阶段。第一阶段，通过压缩屈曲进行力学引导组装，从而形成基础的3D结构；第二阶段，在弹性基板两端施加相反的横向位移，使基板发生简单剪切，通过灵活调整施加的剪切应变，就能轻松、可逆地实现3D形状的转换。此外，研究人员还将kirigami(剪纸)或origami(折纸)设计融入剪切引导方法，成功实现了更为复杂的可变形3D架构。
图为新型剪切感应机制的设计和参数研究
有限元分析(FEA)结果显示，此类剪切诱导结构在不同模式间能够实现可逆的组装后形状变换。基于剪切引导的双3D单元设计，团队开发出一种全新的传感机制，有效消除了有限拉伸载荷的影响，为精确感知和测量剪切变形提供了可靠途径。
图为剪切传感界面在运动监测中的应用展示
为了实现相对较大表面积上对任何施加剪切应变的有效感知，研究团队开发了由具有梯度结构参数的双3D传感单元组成的阵列多功能可拉伸剪切传感界面，并结合LED警示功能，实现了对人体皮肤实时运动的可视化监测，为可穿戴设备和人机交互技术的发展提供了极具价值的参考。
本论文所报道的剪切引导的3D微观结构的成功开发，以及新型传感机制的建立，是柔性电子与机器人领域的重要里程碑。这一研究成果不仅极大地拓展了3D结构的设计边界，更为创造能够与人类进行更自然、高效交互的先进电子设备和软体机器人开辟了新的路径。
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