利用透光率的可穿戴應(yīng)變傳感器有助于更好地測量物理信號

KAIST的研究人員開發(fā)了一種新型的可穿戴應(yīng)變傳感器，該傳感器基于碳納米管(CNT)嵌入彈性體的光學(xué)透過率的調(diào)制。 該傳感器能夠敏感、穩(wěn)定和連續(xù)地測量物理信號。 這項技術(shù)，在3月4日的ACS應(yīng)用材料和接口作為封面文章，顯示了巨大的潛力，以檢測微妙的人體運動和實時監(jiān)測身體姿勢的醫(yī)療應(yīng)用。

可穿戴應(yīng)變傳感器必須具有高靈敏度、靈活性和延展性，以及低成本。 那些特別用于健康監(jiān)測的產(chǎn)品也應(yīng)與長期的固體性能掛鉤，并在環(huán)境上保持穩(wěn)定。 基于壓電電阻和電容原理的各種可拉伸應(yīng)變傳感器已經(jīng)被開發(fā)出來以滿足所有這些要求。

傳統(tǒng)的壓電電阻應(yīng)變傳感器使用功能納米材料，包括碳納米管作為最常見的例子，顯示出高靈敏度和偉大的傳感性能。 然而，它們的長期穩(wěn)定性和線性差，以及相當(dāng)大的信號滯后.. 作為一種替代，壓電電容應(yīng)變傳感器具有更好的穩(wěn)定性，更低的遲滯，更高的延展性。 但由于壓電電容應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出有限的靈敏度和由周圍環(huán)境中的導(dǎo)電物體引起的強電磁干擾，這些傳統(tǒng)的可拉伸應(yīng)變傳感器仍然面臨著尚未解決的局限性。

由機械工程系Inkyu Park教授領(lǐng)導(dǎo)的KAIST研究小組建議，光學(xué)型可拉伸應(yīng)變傳感器可以是解決傳統(tǒng)壓電電阻和壓電電容應(yīng)變傳感器的局限性的一個很好的替代方案，因為它們具有較高的穩(wěn)定性，并且不受環(huán)境擾動的影響。 該小組隨后介紹了一種基于CNT嵌合彈性體光透射率變化的光學(xué)可穿戴應(yīng)變傳感器，進(jìn)一步解決了傳統(tǒng)光學(xué)可拉伸應(yīng)變傳感器的低靈敏度問題。

為了實現(xiàn)傳感器的大動態(tài)范圍，樸教授和他的研究人員選擇Ecoflx作為彈性體基板，具有良好的機械耐久性、靈活性和對人體皮膚的可附著性，研究小組開發(fā)的新型光學(xué)可穿戴應(yīng)變傳感器實際上顯示了0到400%的寬動態(tài)范圍。

此外，研究人員還將嵌入在Ecoflx襯底上的多壁碳納米管薄膜內(nèi)的拉伸應(yīng)變下的微裂紋擴展，改變了薄膜的光學(xué)透過率。 通過這樣做，他們可以開發(fā)一種比傳統(tǒng)光學(xué)可拉伸應(yīng)變傳感器具有10倍靈敏度的可穿戴應(yīng)變傳感器。

該傳感器也通過了耐久性試驗，取得了優(yōu)異的效果。 傳感器在13，000套循環(huán)加載后的響應(yīng)是穩(wěn)定的，沒有任何明顯的漂移。 這表明，即使傳感器在長時間和各種環(huán)境條件下反復(fù)使用，傳感器響應(yīng)也可以不退化地使用。

利用所開發(fā)的傳感器，研究小組可以測量手指彎曲運動，并將其用于機器人控制。 他們還開發(fā)了一種用于身體姿勢監(jiān)測的三軸傳感器陣列.. 該傳感器能夠監(jiān)測人的運動與小應(yīng)變，如脈搏接近頸動脈和肌肉運動圍繞嘴在發(fā)音。

樸教授說：“在本研究中，我們小組開發(fā)了一種新的可穿戴應(yīng)變傳感器平臺，克服了以前開發(fā)的電阻、電容和光學(xué)型可拉伸應(yīng)變傳感器的許多局限性。 我們的傳感器可以廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括軟機器人、可穿戴電子產(chǎn)品、電動皮膚、醫(yī)療保健甚至娛樂。

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