柔軟且有彈性的織物傳感器 適用于可穿戴機(jī)器人

可穿戴技術(shù) - 從心率監(jiān)測器到虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī) - 在消費(fèi)者和研究領(lǐng)域都大受歡迎，但大多數(shù)檢測和傳輸可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)的電子傳感器都是由堅(jiān)硬，不靈活的材料制成，可以限制佩戴者的自然運(yùn)動(dòng)和收集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)在，Wyss生物啟發(fā)工程研究所和哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的一組研究人員創(chuàng)造了一種高靈敏度的軟電容式傳感器，由硅膠和織物制成，可以移動(dòng)和彎曲人體以不引人注目的方式準(zhǔn)確地檢測出運(yùn)動(dòng)。

“我們對(duì)這款傳感器感到非常興奮，因?yàn)橥ㄟ^在其結(jié)構(gòu)中利用紡織品，它本質(zhì)上適合與織物整合以制造'智能'機(jī)器人服裝，”相應(yīng)的作者Conor Walsh博士說，他是核心教員。 Wyss研究所和SEAS工程與應(yīng)用科學(xué)副教授John L. Loeb。“此外，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的批量生產(chǎn)工藝，使我們能夠創(chuàng)建具有統(tǒng)一特性的定制形狀傳感器，從而可以根據(jù)特定應(yīng)用快速制造它們，”共同作者Ozgur Atalay博士說。 ，Wyss學(xué)院博士后研究員。該研究發(fā)表在最新一期的Advanced Materials Technologies上，該協(xié)議作為哈佛生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的軟機(jī)器人工具包的一部分提供。

Wyss團(tuán)隊(duì)的技術(shù)包括一層薄薄的硅樹脂(導(dǎo)電性差的材料)夾在兩層鍍銀導(dǎo)電織物(高導(dǎo)電材料)之間，形成一個(gè)電容式傳感器。這種類型的傳感器通過測量兩個(gè)電極之間的電場的電容變化或保持電荷的能力來記錄運(yùn)動(dòng)。“當(dāng)我們通過從末端拉動(dòng)傳感器來施加應(yīng)變時(shí)，硅樹脂層變得更薄并且導(dǎo)電織物層變得更緊密，這改變了傳感器的電容，其方式與施加的應(yīng)變量成比例，因此我們可以測量傳感器改變形狀的程度，“共同作者，Wyss研究所研究工程師Daniel Vogt解釋說。

混合傳感器的卓越性能源于其新穎的制造工藝，其中織物附著在硅樹脂芯的兩側(cè)，附加一層液體硅樹脂，隨后固化。該方法允許硅樹脂填充織物中的一些氣隙，將其機(jī)械地鎖定到硅樹脂上并增加可用于分配應(yīng)變和存儲(chǔ)電荷的表面積。這種有機(jī)硅紡織品混合物通過利用兩種材料的質(zhì)量提高了對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感度：強(qiáng)大的互鎖織物纖維有助于限制硅樹脂在拉伸時(shí)變形的程度，并且有機(jī)硅有助于織物在去除應(yīng)變后恢復(fù)其原始形狀。最后，用導(dǎo)熱膠帶將薄而柔韌的導(dǎo)線永久地固定在導(dǎo)電織物上，

該原型手套包括軟傳感器，其能夠單獨(dú)記錄每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)。圖片來源：哈佛大??學(xué)威斯學(xué)院

該團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)行應(yīng)變實(shí)驗(yàn)評(píng)估了他們的新傳感器設(shè)計(jì)，其中在通過機(jī)電測試儀拉伸傳感器時(shí)進(jìn)行各種測量。通常，當(dāng)拉伸彈性材料時(shí)，其長度增加而其厚度和寬度減小，因此材料的總面積 - 并且因此其電容 - 保持恒定。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)傳感器的導(dǎo)電面積隨著拉伸而增加，導(dǎo)致電容超出預(yù)期。“基于硅樹脂的電容式傳感器根據(jù)材料的性質(zhì)靈敏度有限。然而，將硅樹脂嵌入導(dǎo)電織物中會(huì)產(chǎn)生一種基體，可以防止硅樹脂在寬度方向上收縮，從而提高靈敏度，使其高于裸硅樹脂的靈敏度。我們進(jìn)行了測試，“主要作者，Wyss研究所博士后研究員Asli Atalay說。

混合傳感器檢測到應(yīng)變施加30毫秒內(nèi)的電容增加和小于半毫米的物理變化，證實(shí)它能夠捕獲人體尺度上的運(yùn)動(dòng)。為了在真實(shí)場景中測試該能力，該團(tuán)隊(duì)將一組它們集成到一個(gè)手套中，以實(shí)時(shí)測量精細(xì)運(yùn)動(dòng)手和手指的運(yùn)動(dòng)。傳感器成功地能夠檢測到單個(gè)手指移動(dòng)時(shí)的電容變化，指示它們隨時(shí)間的相對(duì)位置。“我們的傳感器具有更高的靈敏度意味著它能夠區(qū)分較小的動(dòng)作，例如輕微地將一個(gè)手指左右移動(dòng)，而不僅僅是整只手是打開還是握緊拳頭，”共同作者Vanessa Sanchez解釋說。 SEAS生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。

雖然這項(xiàng)研究是一個(gè)初步的概念驗(yàn)證，但團(tuán)隊(duì)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)可以發(fā)展的許多未來方向感到興奮。“這項(xiàng)工作代表了我們?cè)絹碓疥P(guān)注在機(jī)器人系統(tǒng)中利用紡織技術(shù)，我們看到了野外動(dòng)作捕捉的有希望的應(yīng)用，例如追蹤物理性能的運(yùn)動(dòng)服裝或用于監(jiān)控家中病人的軟臨床設(shè)備。此外當(dāng)與基于織物的軟致動(dòng)器結(jié)合使用時(shí)，這些傳感器將實(shí)現(xiàn)真正模仿服裝的新機(jī)器人系統(tǒng)，“Walsh說。

“這項(xiàng)技術(shù)開辟了可穿戴診斷和耦合治療的全新方法，毫無疑問將在家庭醫(yī)療保健的未來發(fā)揮核心作用。它還反映了我們?cè)赪yss研究所關(guān)注合作所固有的力量，因?yàn)樗×硕床炝蛠碜訡onor Walsh的生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室和Rob Wood的Microrobotics實(shí)驗(yàn)室的靈感，這些實(shí)驗(yàn)室是我們Bioinspired機(jī)器人平臺(tái)的核心，“Wyss創(chuàng)始總監(jiān)Donald Ingber博士，醫(yī)學(xué)博士，同時(shí)也是哈佛醫(yī)學(xué)院血管生物學(xué)的Judah Folkman教授。學(xué)校(HMS)和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及SEAS的生物工程教授。