最近、南方科学技術大学力学・航空宇宙工学科の楊燦輝チームと機械・エネルギー工学科の葛锜チームは『Nature Communications』に発表された「多材料3Dプリンティングによるマルチモードセンシング機能を備えたポリ電解エラストマーベースのイオノトロンセンサー」の論文を発表し、多材料デジタル光硬化3 D印刷技術一体化設計製造高分子電解質エラストマーに基づく多モードセンシングイオン容量センサ。

過去10年間、イオン化素子（Ionotronics or Iontronics、イオン−電子混合素子、すなわちイオンと電子の相乗作用に基づく素子）は、その固有の柔軟性、引張性、光学透明性、生体適合性などの利点により、ますます多くの注目を集めてきた。しかし、従来の離電センサーはデバイス構造が簡単で、成分が漏れやすいため、デバイスの安定性が悪く、センシング機能が単一であり、実用的な応用を大きく制限している。そのため、設計と製造性能が安定しており、マルチモードセンシング能力を持つイオン化センサは重要なエンジニアリング応用価値を持っている。本研究は伝統的な離電センサーの安定性が悪く、機能性が単一である問題を解決し、引張可能な離電センサーの設計、智造と応用に新しい解決策を提供した。

図1.皮膚に啓発されたマルチモード感知イオン化センサ（a）人体皮膚内の多種の力感受器の概略図（b）人体皮膚は単一の力学信号、例えば圧引、圧接、圧接、圧接＋捻り（c）を感知することができ、多材料デジタル光硬化3 D印刷技術に基づいてマルチモード感知能力を有するイオン化センサを製造する。

図1に示すように、引張、圧縮、ねじれ及びその組み合わせなどの外力に対する人体皮膚の多モード感知能力に啓発され、研究者は多材料デジタル光硬化（digital light processing、DLP）3 D印刷技術を利用して多モード感知能力を持つイオン化センサーを製造した。センサは高分子ネットワークに固定のアニオンまたはカチオン、および可動の反イオンを含む高分子電解質エラストマー（PEE）を採用し、抗イオン漏洩の特性を備えている。印刷中、PEE材料とセンサ上の誘電体エラストマー（DE）材料との間には共有結合とトポロジー相互接続により強固な界面接着が形成された。

図2.高分子電解質エラストマーの設計、製造と光学、力学、電気特性及び熱、溶媒安定性。

研究者はまず1−ブチル−3−メチルイミダゾール134−3−スルホプロピルアクリレート（BS）というモノマーを合成し、高電解質材料の組成成分の1つとして、MEAという別の疎水性モノマーと共重合した。次に、図2に示すように、BSとMEAの比率を最適化することにより、高分子電解質材料の機械的性質と電気的性質をバランスさせ、センサの性能を最適化する。

図3.イオン化センシング器の打印刷性と性能（a）PEE記憶弾性率と損失弾性率の光硬化時間による変化曲線（b）硬化時間とエネルギー密度の層厚による変化関係（c）印刷されたPEEアレイは、（d）3 D印刷と手動組立されたPEE／DE 2層構造の180°ピール曲線（e）3 D印刷されたPEE／DE 2層構造本体破断模式図（f）手動組立されたPEE／DE 2層構造界面破断模式図（g）PEEとLiTFSIドープイオンに基づくエラストマーの容量式センサのΔC／C 0時間による変化曲線（h）PEEに基づく容量式センサのイオン漏れなし（g）i）LiTFSIドープイオンに基づくエラストマーの容量センサイオン漏れ概略図。

図3に示すように、研究者は開発したPEE材料の印刷可能性を検証するために光レオロジー試験を行った。その後、180°はく離試験により、3 D印刷と手動組立のPEE/DE二層構造の界面接着強度をそれぞれ測定した。結果により、3 Dプリントの二層構造はPEEとDEの間に形成された共有結合とトポロジー絡み合いにより強靭な界面を持ち、はく離過程でPEE材料の本体破断が発生し、接着エネルギーは339.3 J/mに達した²；対照的に、手動で組み立てるPEE/DE二層構造の界面は弱く、はく離過程で界面破壊が発生し、接着エネルギーは4.1 J/mしかない²耐久性試験では、PEEベースの容量センサはイオン漏れがないため長時間安定した信号を保持することができ、従来のLiTFSIドープイオンに基づくエラストマーのセンサはイオン漏れのために信号がショートするまでドリフトし続ける。

図4・引張、圧縮、せん断、捩れイオン化センサ（a）引張センサ原理模式図（b）容量−引張ひずみ曲線（c）圧縮センサ原理模式図（d）微細構造の圧力センサの容量−圧力曲線（e）せん断伝インダクタンス原理概略図（f）せん断センサの実物図（g）異なる感度のせん断センサの容量−せん断歪み曲線（h）せん断センサの疲労試験曲線（i）ねじれセンサ原理概略図（j）ねじれセンサそうち実物体図（k）の異なる感度のねじれセンサの容量−ねじれ角曲線（l）ねじれセンサの疲労試験曲線。

3 D印刷技術はデバイスの構造設計に高い柔軟性を提供している。図4に示すように、研究者はそれぞれ延伸、圧縮、せん断、ねじれの4種類の異なるイオン化センサを設計し、一体化して印刷し、デバイスはすべて良好な性能と安定性を持っている。特に、デバイスの構造設計、すなわちセンサ感度の大幅な最適化を実現することができ、例えば、圧縮センサの誘電体エラストマー層に微細構造を導入することにより感度を2桁向上させることができ、また、センサ感度のオンデマンド制御を実現することができ、例えば、せん断センサ先端の輪郭線またはねじれセンサの扇形領域の数を設計することにより、それぞれ異なる対応するせん断センサとねじれセンサを実現することができる。

図5.組合せ型イオン化センサ（a）引張加圧組合せセンサ模式図（b）デバイス実物図（c）引張加圧組合せセンサ等価回路図（d）単一センシングモードにおけるデバイス信号（e）圧縮励起下の容量−巻数変化曲線（f）引張励起下の容量−巻数変化曲線（g）引張組合せ変形下の信号スペクトル（h）圧縮せん断組合せセンサ意図（i）デバイス実物大図（j）圧縮せん断組み合わせセンサ等価回路図（k）単一センシングモードにおけるデバイス信号（l）ねじり組み合わせセンサ模式図（m）デバイス実物大図（n）ねじり組み合わせセンサ等価回路図（o）単一センシングモードにおけるデバイス信号。

図5に示すように、研究者は引張圧、圧縮せん断、圧縮捻りの3つの組み合わせ式のイオン化センサをさらに設計し、一体化して印刷した。複合センサの課題の1つは、異なるセンサパス間の相互の信号クロストークである。例えば、デバイスが延伸されると、材料のポアソン効果により垂直方向のデバイス幾何学的寸法が縮小し、圧縮変形と同等になり、延伸励起により圧縮チャネルの信号変化が生じる。研究者は有限要素シミュレーション分析を結合し、合理的なデバイス構造設計を通じて、異なるチャネル間の信号クロストークを効果的に回避した。

【図6】複合型離電センサドローン用遠隔無線操作（a）ドローン制御システム概略図（b）複合型離電センサにおけるせん断センサモジュール動作モード概略図（c）せん断センサモジュール動作原理（d）センサ5チャネル容量信号測定（e）命令コンパイルロジック（f）複合型離電センサリアルタイム容量信号（g）異なる時間のドローン飛行ステータス。

最後に、研究者は4つのせん断センサと1つの圧縮センサからなるウェアラブルリモコンユニットを示し、図6に示すようにドローンの飛行を遠隔無線で制御するための遠隔制御システムに接続した。このウェアラブルリモコンユニットの4つの剪断センサは、ドローンの方向を制御するために手の指の動きを感知する役割を担っている。一方、圧縮センサーは指の圧力を感知し、ドローンの横転を制御するために用いられる。このようなウェアラブルリモコンユニットの設計は、人間との対話を実現し、より柔軟な制御方式を提供することができる。