Wearables en robotica-toepassingen voelen, buigen en bewegen met behulp van flexibele reksensoren. Zij functioneren als elektronische zintuigen en registreren in welke mate een voorwerp of onderdeel wordt uitgerekt of belast. In de praktijk blijken zo’n sensoren echter fragiel: na veelvuldig gebruik raken ze beschadigd, verliezen ze hun meetnauwkeurigheid, of gaan ze helemaal stuk – en dat terwijl betrouwbaarheid een must is.
Onderzoekers van imec en de Vrije Universiteit Brussel ontwikkelden daarom een flexibele reksensor die zichzelf herstelt na beschadiging, zijn precisie behoudt én bijna volledig recycleerbaar is. Aan de basis ervan ligt een unieke combinatie van een zelfherstellend polymeer en een vloeibare metaallegering.
De beperkingen van bestaande oplossingen
Flexibele reksensoren worden typisch gemaakt van synthetische polymeren: zachte, rekbare materialen die grote mechanische vervormingen toelaten, maar erg gevoelig zijn voor beschadiging – waarna de sensoren vervangen moeten worden.
Hun meetprincipe steunt meestal op ‘intrinsieke’ sensormechanismen. Daarbij wordt het polymeer gevuld met geleidende deeltjes, zoals grafeen of carbon black, die zichzelf herschikken wanneer dat polymeer wordt vervormd. Dat leidt tot een verandering in elektrische weerstand – het meetsignaal.
Uit onderzoek blijkt echter dat zo’n intrinsiek sensormechanisme fundamentele beperkingen heeft. Na verloop van tijd wordt het elektrische signaal minder stabiel en reproduceerbaar – zodat eenzelfde mate van uitrekking tot verschillende meetwaarden kan leiden. Dat verlies aan precisie ondergraaft de betrouwbaarheid van de sensor.
Daarbij komt dat dergelijke sensoren vaak uit meerdere lagen zijn opgebouwd die tijdens het productieproces op elkaar worden aangebracht. Bij herhaald rekken en ontspannen – cyclische belasting – is delaminatie dan ook een veel voorkomend probleem.
De oplossing: een vloeibare metaallegering in een Diels‑Alder-polymeer
Imec-onderzoekers aan de VUB ontwikkelden daarom een flexibele reksensor die in staat is zichzelf te herstellen, zelfs nadat hij volledig doormidden werd gesneden, zonder aan meetprecisie in te boeten. In tegenstelling tot intrinsieke sensoren koppelt hun ontwerp mechanische en elektrische functionaliteit van elkaar los. Hun aanpak combineert twee bouwstenen:
- Een zacht, flexibel sensoromhulsel op basis van een Diels-Alder (DA)-polymeer dat instaat voor de mechanische integriteit.
- Een smal kanaal van vloeibaar metaal (Galinstan), geïntegreerd in het polymeer, voor de elektrische geleiding en voor het vertalen van mechanische vervorming in een elektrisch signaal.
Zowel het gebruik van Galinstan als dat van DA‑gebaseerde polymeren werd eerder al afzonderlijk van elkaar onderzocht. Maar dit is de eerste keer dat beide gecombineerd worden in een flexibele, zelfherstellende reksensor.
Figuur 1: Schematische weergave van imecs zelfherstellende, flexibele reksensor. De materiaalstructuur (bovenste figuur) toont het polymeer met DA‑verbindingen. Bij ernstige mechanische schade, waarbij de sensor volledig doormidden wordt gesneden (onderste figuur), raken zowel de polymeerverbindingen als het Galinstan-kanaal beschadigd. Tijdens de herstelcyclus repareren thermisch geactiveerde Diels‑Alder‑reacties het polymeer, terwijl het vloeibare Galinstan spontaan terugvloeit en opnieuw als elektrische geleider fungeert. (bron: imec)
Een Diels‑Alder‑polymeeromhulsel
Het ontwerp maakt gebruik van een Diels-Alder-polymeeromhulsel. Wanneer het materiaal beschadigd raakt, breken de DA-bindingen. Maar zodra de breukvlakken weer met elkaar in contact komen, vormen die bindingen zich opnieuw, waardoor de mechanische integriteit van het polymeer wordt hersteld – zelfs na meerdere schade- en herstelcycli. Bovendien beperken diezelfde DA-bindingen het risico op delaminatie.
Een vloeibare metaallegering voor betrouwbare, reproduceerbare metingen
Voor de rekmeting gebruiken de onderzoekers Galinstan, een niet-toxische en biocompatibele vloeibare metaallegering op basis van gallium en indium, met tin als toevoeging. Dat tin verlaagt de stollingstemperatuur van de legering tot -15 °C, waardoor de sensor betrouwbaar blijft functioneren op plaatsen waar de temperatuur onder het vriespunt daalt.
Het vloeibare metaal vormt een smal geleidingskanaal, ingebed in het polymeeromhulsel. Bij vervorming verandert de elektrische weerstand uitsluitend door geometrische effecten (het uitrekken en verdunnen van dat kanaal) – en niet door een herschikking van geleidende deeltjes in het polymeer. Daardoor blijft het meetsignaal constant en voorspelbaar. Bovendien vloeit het metaal na beschadiging van het geleidingskanaal spontaan terug, om opnieuw als elektrische geleider te fungeren.
Van productie tot recyclage
Om het vloeibare metaalkanaal in het polymeer te integreren, opteerden de onderzoekers voor een spray-depositietechniek. Die is veel preciezer dan de klassieke aanpak, waarbij het vloeibare metaal in een voorgevormde holte in het polymeer wordt geïnjecteerd en er onder overdruk komt te staan (waardoor het risico op lekkages vergroot wanneer het geleidingskanaal wordt doorgesneden).
Daarnaast demonstreerden de onderzoekers een uniek recyclageconcept. Door het polymeer te verhitten en vloeibaar te maken, en het Galinstan via centrifugatie te scheiden, toonden ze aan dat beide materialen teruggewonnen kunnen worden met een ongezien rendement van meer dan 95%.
De proef op de som
De onderzoekers onderwierpen de (zelf)herstelde sensoren aan een reeks tests. Eerst werd de sensor dwars doormidden gesneden. Daarna werden de breukvlakken opnieuw uitgelijnd en met elkaar in contact gebracht, en werd het herstelproces onder gecontroleerde omstandigheden (gedurende vier uur, bij een temperatuur van 60 °C) uitgevoerd. Die procedure werd zesmaal herhaald.
De herstelde sensor bleek amper aan mechanische robuustheid in te boeten: zelfs na zes schade‑ en herstelcycli behoudt hij een maximale rek (fracture strain) van 80% – een beperkte afname die verklaard kan worden door contaminatie van het breukvlak met vloeibaar metaaloxide. De sensor blijft perfect bruikbaar.
Ook de meetprecisie is opmerkelijk stabiel. De signaaldrift van de (zelf)herstelde sensoren blijft onder de 10% – uitzonderlijk laag, en een bevestiging van de voordelen van het gebruik van het Galinstan-geleidingskanaal. En wanneer de sensor tot 50% wordt uitgerekt, blijft ‘hysterese’ (de afwijking tussen sensorinput en -output) beperkt tot minder dan 1%. Met andere woorden: het signaal wordt amper beïnvloed door een vorige belastingstoestand.
Tot slot werd de sensor ook functioneel gevalideerd door hem toe te passen op gewrichtsbewegingen, zoals die van vingers, polsen, ellebogen en knieën. Daaruit bleek dat er tussen de daadwerkelijke beweging en het elektrische sensorsignaal een vertraging van ongeveer 220 milliseconden zit. Dat is voldoende snel om beweging in real time te monitoren en closed‑loop interactie (bijvoorbeeld tussen mens en machine) te ondersteunen.
Conclusie
Volgens de onderzoekers doet hun aanpak meer dan schade herstellen: de meetprecisie van hun zelfherstellende, flexibele reksensoren blijft behouden, zelfs na herhaalde beschadiging. Daardoor voldoen de sensoren aan de eisen van praktische toepassingen, zoals wearables en robotica. Het unieke recyclage‑procedé bewijst bovendien dat robuustheid, meetprecisie en duurzaamheid perfect te combineren zijn, zonder compromissen.
Onderzoek ondersteund door het FWO‑SBO‑project SUBLIME (Stretchable and Ubiquitous Liquid Metal Electronics).
Dit artikel verscheen eerder als bijdrage in Engineeringnet.
