随着冠状病毒对非接触式环境的重要性日益提高,使用触觉技术的电子设备正越来越受到人们的欢迎,成为新的通信媒介。


触觉技术正在广泛应用于机器人或交互式显示器等领域。触觉手套被用于增强的信息通信技术。可以将各种机械刺激转换成电信号,反之亦然的高效压电材料是推动高性能触觉技术的先决条件。


由洪胜峰教授领导的研究小组通过开发可变形三倍的陶瓷压电材料证实了触觉装置的潜力(纳米能量,“使用纳米结构突破压电陶瓷的弹性极限:使用ZnO的案例研究”)。

科学家开发可变形三倍的陶瓷压电材料 证实触觉装置的潜力

去除环氧树脂模板后,在90、165、250和300°C沉积的3D ZnO中空纳米结构的概念示意图和SEM图像。(图片:KAIST)


为了制造高度可变形的纳米材料,研究团队使用邻近场纳米图案和原子层沉积技术构建了氧化锌空心纳米结构。测得的压电系数约为9.2 pm / V,纳米柱压缩试验显示的弹性应变极限约为10%,比块状氧化锌的弹性应变极限大三倍以上。


压电陶瓷的压电系数高,弹性应变极限低,而压电聚合物则相反。因此,在高压电系数以及高弹性应变极限下获得良好性能一直是非常具有挑战性的。为了打破压电陶瓷的弹性极限,研究团队引入了具有纳米级薄壁的3D桁架状空心纳米结构。

科学家开发可变形三倍的陶瓷压电材料 证实触觉装置的潜力

根据格里菲斯准则,材料的断裂强度与预先存在的缺陷尺寸的平方根成反比。但是,在小结构中不太可能出现大缺陷,这反过来又增强了材料的强度。因此,实现具有纳米级薄壁的3D桁架状空心纳米结构的形式可以扩展材料的弹性极限。


此外,整体式3D结构可以在所有方向上承受较大的应变,同时防止瓶颈带来的损失。以前,由于裂纹尺寸的大差异,压电陶瓷材料的断裂性能难以控制。但是,研究小组从结构上限制了裂缝的大小,以管理断裂性能。


洪教授的研究结果表明,通过使用3D中空纳米结构改善弹性极限,可以开发出高度可变形的陶瓷压电材料。由于氧化锌与其他压电陶瓷材料相比具有较低的压电系数,因此将拟议的结构应用于此类组件有望在压电活性方面取得更好的结果。


“随着非接触时代的到来,情感交流的重要性越来越高。通过新型触觉交互技术的发展,除了当前的视觉和听觉交流之外,人类将进入一个新的时代,在这个时代,他们可以与任何人交流不论身在何处,都可以使用所有五种感官,就像他们本人在身边一样。”洪教授说。


“虽然必须进行更多的研究来实现所提出的触觉增强设备设计的应用,但这项研究具有很高的价值,因为它解决了压电陶瓷使用中最具挑战性的问题之一,特别是为压电陶瓷的应用开辟了新的可能性。


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