导电聚合物复合材料实现的自传感扭绳驱动器研究学术报告

一、 作者、机构及发表信息

本项研究的主要作者包括 Chanchan Xu (徐潺潺?†)、Shuai Dong (董帅 †, §, ||)、Yifan Ma (马逸凡 †)、Jingwei Zhan (战经纬 *, ‡) 以及 Xiaojie Wang (汪小杰 , ¶, ||)。其中，† 标识的作者来自中国科学技术大学（合肥）， 标识的作者来自中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所，‡ 标识的作者来自安徽大学。通讯作者为 Shuai Dong 和 Xiaojie Wang。该研究论文题为 “Conductive polymer composites-enable self-sensing twisted string actuators”，发表于期刊 *Modern Physics Letters B*，于2024年5月18日正式在线发表（Received 18 October 2023; Revised 13 November 2023; Accepted 6 January 2024; Published 18 May 2024）。

二、 学术背景与研究目的

本研究的核心科学领域属于软体机器人（Soft Robotics）与智能驱动器（Smart Actuators）的交叉范畴，具体聚焦于扭绳驱动器（Twisted String Actuators, TSAs）的自传感（Self-sensing）技术。

研究背景： 扭绳驱动器是一种能够模拟天然肌肉线性收缩的创新软体驱动器，因其高能量效率、显著收缩能力、结构紧凑及成本效益等优点，在机器人手、外骨骼、康复机器人等领域展现出巨大潜力。然而，TSA在实际应用中的一个关键挑战在于如何获取其收缩行程的实时反馈信号，以实现精确的闭环控制。传统方法通常依赖于安装电机编码器或其他外部传感器，但这不仅增加了系统复杂性、体积和重量，更重要的是可能损害软体机器人固有的柔顺性（Compliance），从而限制了TSA在需要高柔顺性场景（如软体机器人）中的广泛应用。近年来，“自传感软体驱动器”的概念应运而生，旨在将驱动与传感功能集成于单一器件中，从而在保持甚至增强系统柔顺性和紧凑性的同时，实现位移信息的自主提取。对于TSA而言，实现自传感的关键在于开发能够替代传统绳索、自身即具备传感功能的新型绳索。

研究目的： 针对上述背景与挑战，本研究旨在开发一种基于导电聚合物复合材料（Conductive Polymer Composites, CPCs）的新型自传感绳索，并深入探究其机械与应变传感特性，最终实现用于TSA的高性能、高负载兼容的自传感解决方案。具体目标包括：1）制备并表征不同导电填料（多壁碳纳米管，MWCNTs）浓度的CPC绳索；2）系统评估CPC绳索的电学、力学性能及其在拉伸、弯曲、扭转变形下的应变传感行为；3）通过结构优化（引入高强度芯纤维）提升CPC绳索的负载能力和传感线性度；4）验证优化后的CPC绳索在模拟TSA工作条件下的自传感性能，特别是其电阻变化率与收缩率之间的线性关系。

三、 详细工作流程

本研究的工作流程系统且完整，主要分为材料制备、性能表征、优化与验证三大阶段，涉及多个具体实验步骤。

第一阶段：材料制备与样品准备 1. 材料： 研究选用多壁碳纳米管（MWCNTs，直径4–6 nm，长度10–20 μm）作为导电填料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）液态硅橡胶作为聚合物基体，正己烷作为MWCNTs的分散剂，并采用内径1mm、外径2mm的高拉伸强度、低弯曲强度的PVC空心管作为成型模具。 2. CPC绳索制备流程： * 分散： 将特定量的MWCNTs置于正己烷中，使用2.8 kW超功率超声波仪处理30分钟，获得充分分散的MWCNTs悬浮液。 * 混合： 将30克PDMS-A（基质）与悬浮液混合，以600转/分钟机械搅拌3小时，使MWCNTs均匀分散于PDMS-A中，并蒸发正己烷。 * 固化： 加入3克PDMS-B（固化剂），以相同速度搅拌10分钟使其均匀混合，随后真空脱气5分钟以去除气泡。 * 灌装与固化： 将MWCNTs/PDMS混合物用针管注入PVC管中，在80°C下固化2小时。 * 样品系列： 通过调整MWCNTs添加量，制备了MWCNTs体积分数分别为0%、0.4%、0.8%和1.2%的一系列CPC绳索样品。具体材料配比详见表1。

第二阶段：性能表征（电学、力学与应变传感） 此阶段采用多种测试方法系统评估CPC绳索的基础性能。

1. 形貌表征： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察MWCNTs在PDMS基体中的微观形貌和分布情况（以0.8 vol.%样品为代表）。样品经液氮脆断后观察断面，结果显示MWCNTs基本均匀分散，但也存在部分团聚形成的大簇。
2. 电学性能表征： 使用直流电阻计测量不同MWCNTs浓度CPC绳索（长度90mm）的电阻，并计算电阻率。结果表明，随着MWCNTs浓度增加，电阻率显著下降，尤其在0.4%到0.8%之间下降最为剧烈，说明形成了更完善的导电通路。
3. 力学与应变传感性能表征： 这是研究的核心部分，通过专门设计的实验装置和测试程序进行。
   • 拉伸测试： 使用微机控制电子万能试验机（MTS）结合直流电阻计进行。
     • 单调拉伸测试： 以0.5 mm/s速率对不同浓度样品进行拉伸直至断裂，记录力-应变曲线和电阻相对变化率（ΔR/R0）-应变曲线。
     • 循环加载-卸载拉伸测试： 对样品进行最大应变15%、速率0.5 mm/s的连续50次循环拉伸，评估传感的重复性和稳定性。
     • 瞬态响应测试： 将样品拉伸至15%应变并保持100秒，观察电阻随时间的变化。
     • 扫速测试： 以0.25, 0.5, 1, 2 mm/s的不同速率进行循环拉伸（应变15%），评估速率依赖性。
   • 弯曲测试： 将CPC绳索（总长240mm）交替、均匀地缠绕在半径为8、4、2、1 mm的一系列圆柱体上（间隔2mm），构成测试板。测量缠绕（弯曲）状态与未弯曲状态的电阻变化，计算ΔR/R0。
   • 扭转测试（模拟TSA工况）： 这是验证自传感性能的关键实验。研究团队搭建了专用的TSA模拟测试系统。
     • 系统组成： 包括带编码器的直流电机、金属轴、一对偏心模块、CPC绳索样品、负载、线性导轨、线性可变差分变压器（LVDT，用于测量位移）、张力传感器和直流电阻计。
     • 工作原理： 电机通过偏心模块驱动CPC绳索缠绕中心金属轴，在导轨约束下产生线性收缩，从而拉动负载。同时，LVDT测量负载位移（对应绳索收缩率Δx/x0），电阻计测量绳索电阻变化（ΔR/R0）。
     • 测试方案： 使用0.8 vol.% MWCNTs浓度的CPC绳索（基于其综合性能最优），在0.5、1.0、1.5 kg不同负载下进行测试。电机执行从0.5到4.5圈的正向扭转，随后反向解扭，记录整个过程中收缩率和电阻变化率的变化。此外，还在0.5 kg负载下进行了50次扭转-解扭循环测试，评估动态重复性和稳定性。

第三阶段：结构优化与性能验证 为了降低负载对CPC绳索初始收缩和电阻变化的影响，并提升其负载能力，研究者对CPC绳索进行了优化。 1. 优化方法： 在液态CPC灌入PVC管前，在其中心加入一根直径0.2 mm、可承受至少6 kg负载的高强度编织超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维绳作为芯材。 2. 验证测试： 对优化后的CPC绳索（同样为0.8 vol.% MWCNTs浓度）进行与未优化绳索完全相同的扭转测试（不同负载，循环测试），并对比两者的性能差异。

数据与分析流程： 所有力学数据（力、位移）由MTS或专用传感器（LVDT、张力传感器）采集，电学数据（电阻）由直流电阻计同步采集。关键分析参数包括电阻率、ΔR/R0（应变传感灵敏度）、Δx/x0（收缩率）。通过绘制曲线、计算线性相关系数（如ΔR/R0与Δx/x0之间）、比较最大值/最小值变化范围等方式，对数据进行定量和定性分析。

四、 主要研究结果

研究获得了系统且富有洞见的结果，层层递进地揭示了CPC绳索的性能及其优化效果。

1. 基础性能结果： * 电学性能： CPC绳索的电阻率随MWCNTs浓度增加而显著降低，表明可通过调整填料浓度方便地调控其导电性，以满足不同传感电路的需求。 * 力学与单调拉伸传感： CPC绳索展现出优异的机械性能，拉伸强度超过30 N，且力学性能主要取决于聚合物基体和PVC外管，MWCNTs浓度影响甚微。在拉伸过程中，ΔR/R0随应变增大而增大，且增大幅度在高应变时更显著。同时，MWCNTs浓度越高，在相同应变下的ΔR/R0变化越小，表明可通过改变MWCNTs浓度来调节CPC绳索的应变传感灵敏度。 * 循环拉伸与稳定性： 在50次加载-卸载循环中，CPC绳索的力学响应保持高度重复和稳定。电阻变化在初始几个循环后逐渐趋于稳定，高MWCNTs浓度样品的电阻漂移更小，稳定性更好。保持应变测试也显示电阻会随时间衰减并最终稳定，高浓度样品衰减更小。 * 弯曲传感： CPC绳索在弯曲应变下也表现出可测量的电阻变化（ΔR/R0为正值，表现为拉伸特性），且弯曲半径越小，ΔR/R0越大。弯曲圈数与ΔR/R0之间表现出高达99.88%的线性关系。 * 速率依赖性： 在测试的速度范围内，拉伸速度对CPC绳索的力和电阻变化影响较小，表明其具有较小的速率依赖性。

2. 扭转传感（核心应用结果）： * 未优化CPC绳索： 在扭转测试中，无论负载大小，CPC绳索的收缩率（Δx/x0）和电阻变化率（ΔR/R0）都随电机扭转圈数的增加而增加。然而，负载增大会导致初始Δx/x0减小、初始ΔR/r0增大，并在线性度和解扭后不可逆电阻方面带来问题。在0.5 kg和1.0 kg负载下，Δx/x0与ΔR/R0在扭转阶段显示出高度的线性相关性（分别为98.9%和97.5%），但在1.5 kg负载下线性度下降至84.1%。50次循环测试表明，经过初始调整后，CPC绳索的机械和传感性能均表现出良好的重复性和稳定性。

3. 优化后的性能提升： * 性能对比： 引入UHMWPE芯纤维的优化CPC绳索性能得到显著改善。在相同负载下，其初始Δx/x0和ΔR/R0的变化幅度远小于未优化绳索。例如，在1.5 kg负载下，未优化绳索初始Δx/x0移动达26.9%，而优化后仅3.6%，减少了86.6%；ΔR/R0移动从0.91降至0.09，减少了90.1%。 * 传感线性度提升： 优化后，在所有测试负载下，Δx/x0与ΔR/R0之间均保持了至少98.7%的高线性关系，远优于未优化绳索在重载下的表现。 * 行程与负载不敏感性： 优化绳索的最大Δx/x0变化范围（即TSA有效行程）比未优化绳索大一倍以上。同时，其最大ΔR/R0变化在不同负载下几乎保持不变，表明其电阻变化对负载变化极不敏感。这是因为芯纤维承担了主要负载，使CPC主体部分主要发生弯曲变形，而几乎不受拉伸变形的影响。 * 保持优良特性： 优化后的绳索同样展现出优秀的机械与传感重复性和稳定性（50次循环测试证实）。

逻辑关系： 基础性能表征确定了0.8 vol.% MWCNTs浓度CPC绳索的综合优势，从而将其选为扭转测试对象。扭转测试结果揭示了未优化绳索在重载下线性度下降和不可逆电阻的问题，这直接引出了通过添加高强度芯纤维进行结构优化的必要性。优化后的测试结果与未优化结果形成鲜明对比，清晰地证明了优化方案的有效性，并最终支撑了研究结论。

五、 研究结论与价值

本研究成功开发并验证了一种基于导电聚合物复合材料的新型自传感绳索，用于实现扭绳驱动器的自传感功能。

结论要点： 1. CPC绳索具有良好的机械性能（拉伸强度>30N），且力学性能受MWCNTs浓度影响小，主要由聚合物基体和外管决定。 2. CPC绳索具有高导电性，且可通过改变MWCNTs浓度方便地进行调节。 3. CPC绳索对拉伸、弯曲、扭转变形均表现出高灵敏度，并具备稳定、可重复的应变传感能力，其传感行为可通过MWCNTs浓度进行调控。 4. 核心创新与突破： 通过引入高强度芯纤维进行优化，所得CPC绳索可承受超过6 kg的负载，同时表现出增强的收缩行程、极小的电阻初始变化、稳定/可重复的应变依赖电阻变化，以及至少97.8%的电阻变化率与收缩率之间的线性关系。

研究价值： * 科学价值： 本研究为自传感软体驱动器领域提供了一种新的材料实现方案（基于CPC的体电阻变化机制，而非传统的表面接触或几何尺寸变化机制），深化了对CPC在复杂变形（扭转耦合弯曲）下传感行为的理解，并展示了通过材料复合与结构设计协同优化器件性能的有效路径。 * 应用价值： 这项工作成功地将传感与驱动功能集成于单根绳索之中，为TSA提供了一种高效、自包含的闭环控制解决方案。优化后的高负载CPC绳索克服了传统TSA依赖外部传感器、损害系统柔顺性的局限。这种简单而高性能的自传感机制，极大地促进了TSA在需要紧凑、轻量、高柔顺性的软体机器人、机器人手、外骨骼等领域的实际应用潜力。

六、 研究亮点

1. 新颖的自传感机制： 采用CPC的体电阻变化（压阻效应）作为传感原理，相对于以往基于导电螺旋聚合物（SCP）表面接触或纤维几何尺寸变化的方法，可能提供更高的稳定性和可靠性。
2. 系统的性能表征： 研究不仅测试了基本拉伸性能，还深入探究了弯曲、扭转等更接近实际应用场景的复杂变形模式下的传感行为，评估全面。
3. 巧妙的优化策略： 通过引入高强度芯纤维这一简单而有效的结构优化，显著提升了CPC绳索的负载能力、运动行程和传感线性度，同时降低了其对负载的敏感性，解决了重载下的应用瓶颈。
4. 高度的线性关联： 在优化后，实现了电阻变化率与机械收缩率之间极高（≥97.8%）的线性关系，这对于实现精确、简易的闭环控制至关重要。
5. 明确的应用导向： 整个研究从问题出发（TSA需要外部传感器），到方案提出（CPC自传感绳索），再到性能优化（应对重载），最终验证应用可行性，逻辑链条完整，工程实用性强。

七、 其他有价值内容

研究中关于MWCNTs浓度对电学性能、传感灵敏度及稳定性的影响规律进行了细致分析，为后续研究者根据具体应用需求（如灵敏度优先还是稳定性优先）定制CPC绳索提供了明确的指导。此外，论文对实验过程中观察到的现象（如循环测试中的电阻漂移、肩峰的出现、不可逆电阻的形成等）给出了基于MWCNTs导电网络破坏与重构、聚合物基体粘弹性等机制的合理解释，增加了研究的理论深度。