受到折紙從二維變?yōu)槿S的制作過(guò)程啟發(fā)，南加州大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種可變形的非平行板三維電容應(yīng)變傳感器。這種非平行板電容應(yīng)變傳感器的制備過(guò)程非常巧妙，研究者首先在預(yù)拉伸的硅膠彈性基底上制備二維電極圖案，然后通過(guò)釋放預(yù)應(yīng)變讓基底恢復(fù)原長(zhǎng)，從而將二維電極轉(zhuǎn)換為具有一定折疊角度的三維非平行電極板，從而為這種電容式的應(yīng)變傳感器提供了很大的可拉伸性、超低滯后性、高重復(fù)性、快速響應(yīng)時(shí)間以及小傳感器面積等優(yōu)勢(shì)。此外，的三維電極設(shè)計(jì)還支持壓縮應(yīng)變傳感和特定方向的應(yīng)變響應(yīng)，這是不同于以往大多數(shù)基于可拉伸材料的柔性應(yīng)變傳感器的性質(zhì)。毫米級(jí)的小傳感面積還允許這種傳感器可以簡(jiǎn)單地粘附在軟體裝置上實(shí)現(xiàn)對(duì)它們形變的分布式測(cè)量。

圖1D展示了折紙結(jié)構(gòu)的電容式應(yīng)變傳感器制作工藝。首先制造一個(gè)平面多層結(jié)構(gòu)，稱為二維前驅(qū)體。二維前驅(qū)體包括底部Parylene層（厚度5μm）、光刻圖案的金屬層（鉻/金，厚度25/200nm）和其上方的另一個(gè)Parylene層（厚度5μm）。對(duì)Parylene層進(jìn)行圖案和蝕刻形成了Parylene/金屬/Parylene圖案，定義了多面板電極和一對(duì)狹窄的（~100 μm）蛇形導(dǎo)線。這些蛇形導(dǎo)線作為電極和外部電子設(shè)備之間高度可伸縮的電互連結(jié)構(gòu)。厚(35至40 μm厚），可光定義環(huán)氧樹(shù)脂（SU-8 25）覆蓋頂部Parylene層，在四個(gè)圖案的矩形區(qū)域提供硬化。與未覆蓋的區(qū)域相比，該SU-8層的覆蓋范圍使彎曲剛度增加了大約130到175倍，從而形成了面板折痕結(jié)構(gòu)。連接兩個(gè)電極的Parylene/金屬/Parylene折痕中的狹縫設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低了折痕的彎曲剛度。通過(guò)暗板掩膜將Ti/SiO2雙層（15 nm/50 nm厚）沉積在二維前驅(qū)體的背面，形成與單軸預(yù)拉伸的彈性體襯底（Ecoflex 00-31）的共價(jià)鍵合位點(diǎn)。釋放預(yù)應(yīng)變會(huì)施加壓縮力，導(dǎo)致二維前驅(qū)體的未結(jié)合區(qū)域沿著狹縫發(fā)生屈曲。

可拉伸應(yīng)變傳感器可以測(cè)量相對(duì)較大的變形，研究人員展示了將它們用于軟機(jī)器人形狀和變形的感知測(cè)量。分布式應(yīng)變傳感器可以無(wú)縫集成到軟機(jī)器人表面，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建的應(yīng)變分布測(cè)量，為軟機(jī)器人在任意環(huán)境設(shè)置下的本體感覺(jué)提供了一個(gè)解決方案。然而，具有高滯后滯或低拉伸能力的應(yīng)變傳感器可能會(huì)限制本體感覺(jué)能力。軟機(jī)器人本體感覺(jué)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)軟機(jī)器人的多模態(tài)變形的分解，如拉伸/壓縮、彎曲、扭曲和剪切，這些變形可以同時(shí)存在。本文提出的電容傳感器中的三維角度電極可以隨著鍵接點(diǎn)方向的拉伸或壓縮而展開(kāi)或折疊，分別導(dǎo)致電容的減少或增加（圖3B）。由于三維電極的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，傳感器在不同角度的拉伸作用下，與傳感器帶的縱向方向表現(xiàn)出方向相關(guān)的電容變化。復(fù)雜的、不對(duì)稱的變形模式可以導(dǎo)致與面S1和面S2不同的傳感器響應(yīng)。彎曲臂在外表面產(chǎn)生顯著的拉伸應(yīng)變和內(nèi)表面的壓縮應(yīng)變都可以被傳感器所捕獲（如圖5C）。