受到折纸从二维变为三维的制作过程启发，南加州大学的研究人员设计了一种可变形的非平行板三维电容应变传感器。这种非平行板电容应变传感器的制备过程非常巧妙，研究者首先在预拉伸的硅胶弹性基底上制备二维电极图案，然后通过释放预应变让基底恢复原长，从而将二维电极转换为具有一定折叠角度的三维非平行电极板，从而为这种电容式的应变传感器提供了很大的可拉伸性、超低滞后性、高重复性、快速响应时间以及小传感器面积等优势。此外，独特的三维电极设计还支持压缩应变传感和特定方向的应变响应，这是不同于以往大多数基于可拉伸材料的柔性应变传感器的独特性质。毫米级的小传感面积还允许这种传感器可以简单地粘附在软体装置上实现对它们形变的分布式测量。相关论文以题为“High-stretchability and low-hysteresis strain sensors using origami-inspired 3D mesostructures”发表在Science Advances上。 论文链接： https://www./doi/10.1126/sciadv.adh9799
图1D展示了折纸结构的电容式应变传感器制作工艺。首先制造一个平面多层结构，称为二维前驱体。二维前驱体包括底部Parylene层（厚度5μm）、光刻图案的金属层（铬/金，厚度25/200nm）和其上方的另一个Parylene层（厚度5μm）。对Parylene层进行图案和蚀刻形成了Parylene/金属/Parylene图案，定义了多面板电极和一对狭窄的（~100 μm）蛇形导线。这些蛇形导线作为电极和外部电子设备之间高度可伸缩的电互连结构。厚(35至40 μm厚），可光定义环氧树脂（SU-8 25）覆盖顶部Parylene层，在四个图案的矩形区域提供硬化。与未覆盖的区域相比，该SU-8层的覆盖范围使弯曲刚度增加了大约130到175倍，从而形成了面板折痕结构。连接两个电极的Parylene/金属/Parylene折痕中的狭缝设计进一步降低了折痕的弯曲刚度。通过暗板掩膜将Ti/SiO2双层（15 nm/50 nm厚）沉积在二维前驱体的背面，形成与单轴预拉伸的弹性体衬底（Ecoflex 00-31）的共价键合位点。释放预应变会施加压缩力，导致二维前驱体的未结合区域沿着狭缝发生屈曲。
图1.折纸结构的电容式应变传感器的设计、传感机制和制作工艺。(A) 非平行板结构和传感机制的示意图。(B) 应变传感器中三维非平行板电场分布仿真的俯视图和侧视图。(C) 在拉伸条件下，三维电极的展开示意图。(D) 传感器制造过程的示意图，包括将二维前体连接到预拉伸的弹性基底上，电极的压缩屈曲，以及将三维电极封装在充满甘油的隔间中。二维前体和基底的固定位置为被红色虚线包围的区域。(E) 扫描电镜图像显示三维非平行板电极。P/M/P代表Parylene/金属/Parylene三层结构。比例尺：200 μm和50 μm。(F) 应变传感器的光学图像和传感元件的特写视图。比例尺：1 mm。 这种传感器设计的关键参数包括在三维组装过程中施加的预应变、电极尺寸和蛇形布局。预应变决定了三维电极的折叠角度和结合位点之间的距离。有限元分析给出了二维前驱体组成材料的力学性能，可以准确地预测在组装过程中从二维到三维的几何转换以及由此产生的三维电极的结构。在由有限元分析预测的不同预应变水平的代表性设计中，所得到的三维电极的形状与实验结果一致（如图2A）。电极的尺寸影响三维电极的初始电容和折叠/展开过程中电容的变化。在预应变固定的情况下，电容随电极宽度W和长度L的增加而增加。有限元分析结果表明电极宽度呈线性趋势，但在折痕长度固定的情况下，电极长度超过一定值时斜率会变小（如图2B和2C）。蛇形线提供可伸缩的电互连，采用110μm，线宽，900μm，长180°的弧角设计。蛇形线的痕迹由于其在通道内的平面外屈曲和扭曲，可以容纳大的单轴拉伸而不断裂。将金属层放置在Parylene/金属/Parylene三层平面上，也最小化了弯曲引起的应变（如图2D）。
图2. 传感器的结构设计和形成以及拉伸测试。(A) 通过机械引导组装形成的受折纸启发的三维非平行板的有限元分析和实验图像，比例尺，500 μm。(B) 电极长度L和宽度W对传感器基线电容的影响(300%预应变）。(C) 不同电极长度和结合位点之间施加应变的传感器的相对电容变化（300%预应变，W = 1 mm）。(D) 有限元分析和拉伸条件下蛇形电互连的实验图像，其中显示了金层的应变。比例尺，1 mm.
图3. 对传感器的应变传感范围和相应的滞后性能进行了表征。(A) 传感器在0、50、100、150和200%的单轴拉伸下的光学图像。比例尺，1 cm（插图为300 μm）。(B) 对基本的三折痕电极设计（L = 0.5 mm）的键合位点距离的相对变化和相应的相对电容变化的模拟、分析和实验结果。C0为键接位置距离为S = 210 μm的电容。比例尺，500 μm。 (C)在50、100、150和200%施加应变下，单轴装卸时，代表性传感器的相对电容变化（L = 0.5 mm）。(D) 五折痕电极设计的二维前驱体和由不同预应变形成的三维电极的光学图像。比例尺，500 μm。 (E)在50、100、150和200%施加应变下，五折痕应变传感器（300%预应变）的相对电容变化。
图4. 传感器性能的表征，包括响应和恢复时间、应变速率、应变分辨率和传感器的可重复性。(A) 应变传感器在快速100%步长应变下的实时响应，显示了响应时间和恢复时间。(B) 本研究中的传感器与之前报道的应变传感器在传感器应变范围、滞后程度和响应时间上的比较。(C) 代表性传感器（L = 1 mm）在一系列升应变50%至200%下的电容响应，然后降应变到初始状态。(D) 传感器的电容响应（L = 1 mm）在应变速率为10、20、40和80%的情况下拉伸到150%的应变。条形图显示了不同应变速率下的滞后现象。(E) 代表性传感器（L = 0.5 mm）在应变增加条件下的相对电容变化。(F) 在100%应变下，一个代表性传感器（L = 0.5 mm）在700个装卸循环中的相对电容变化。 可拉伸应变传感器可以测量相对较大的变形，研究人员展示了将它们用于软机器人形状和变形的感知测量。分布式应变传感器可以无缝集成到软机器人表面，然后根据测量数据进行三维重建的应变分布测量，为软机器人在任意环境设置下的本体感觉提供了一个解决方案。然而，具有高滞后滞或低拉伸能力的应变传感器可能会限制本体感觉能力。软机器人本体感觉的另一个挑战是对软机器人的多模态变形的分解，如拉伸/压缩、弯曲、扭曲和剪切，这些变形可以同时存在。本文提出的电容传感器中的三维角度电极可以随着键接点方向的拉伸或压缩而展开或折叠，分别导致电容的减少或增加（图3B）。由于三维电极的不对称结构，传感器在不同角度的拉伸作用下，与传感器带的纵向方向表现出方向相关的电容变化。复杂的、不对称的变形模式可以导致与面S1和面S2不同的传感器响应。弯曲臂在外表面产生显著的拉伸应变和内表面的压缩应变都可以被传感器所捕获（如图5C）。
图5. 使用传感器感知软机械臂的变形。(A) 连接在硅胶板上的传感器以不同角度（0°、45°和90°）相对于70%应变的单轴拉伸的相对电容变化。插图显示了在70%应变下的3D电极的自上而下的光学图像。比例尺，250 μm。 (B
)两组连接在软机械臂的两个表面的传感器的结构。比例尺，1 cm 。(C) 软机械臂在伸长、压缩、弯曲、扭曲和混合变形模式下的分布式传感器响应。比例尺，5 cm。 研究者提出了将三维可折叠的非平行板电极与弹性基底集成到电容应变传感中的设计概念和方法。衬底的可拉伸性和电极的可逆折叠/展开使得传感器具有了较大的应变传感范围和最小的滞后。这些微型传感器非常适合于粘贴在被测物体表面以精确测量目标物体的局部变形。大拉伸性、小滞后性、快速响应速度、定向应变响应和小传感器体积是准确测量大应变、复杂和多模态变形的关键，比如在动物（如章鱼臂和象鼻）、人类（如肺）和软机器人监测中这种传感器就可以发挥重要的作用。可扩展的制造过程和可预测的传感器性能进一步扩大了其实际使用的机会。（文：一言） |
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