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Liquid metal elastomer with flytrap-inspired pillar structure for stress sensing

材料科学 弹性体 电容感应 电介质 复合材料 电容 可伸缩电子设备 介电弹性体 软机器人 纳米技术 执行机构 光电子学 数码产品 计算机科学 电气工程 电极 工程类 操作系统 物理化学 人工智能 化学
作者
Dongguang Zhang,Yaqi Zhong,Yali Wu,Zhang Xing-fang,Michael D. Dickey,Jiayi Yang
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:216: 109066-109066 被引量:36
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2021.109066
摘要

Flexible and soft capacitive stress sensors are widely used in soft robotics, electronic skins, and human-computer interfaces due to their desirable properties of temperature independence, low energy consumption, and good stability. Increasing the dielectric constant of the dielectric layer of capacitive sensors can effectively improve the sensitivity of the sensor. Mixing materials such as carbon nanotubes and ceramics into the elastomer can increase the dielectric constant, but stiffens the resulting composite. Liquid metals (LMs) are inherently soft and can be mixed with elastomers to produce liquid metal elastomers (LMEs). However, the LME slab is hard to compress, which limits the sensitivity of LME-based stress sensors. The inner surfaces of the Venus flytrap are hair-like soft pillar called trigger hairs, which sense the mechanical stimulation, activating the closure of the Venus flytrap. The trigger hair inspires us to mimic the pillar structure, reducing the effective elastic modulus of the LMEs. Here, this work proposes a capacitive stress sensor based on an LME with flytrap-inspired pillar structure. Mixing LM particles into the elastomer increases the dielectric constant without stiffening the elastomer composite. The mechanism of the sensor is demonstrated through dielectric theory, experiments, and finite element modeling. The sensor has high sensitivity (1.061 kPa−1), large capacitance variation (2.73 pF) and high initial capacitance (2.57 pF). Additionally, the sensor can realize real-time monitoring of human movement and measure the wrist pulse, indicating the potential for various applications.
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