利用透光率的可穿戴式應變傳感器可檢測身體細微動作

2020-09-05 柔智燴

利用透光率的可穿戴式應變傳感器可檢測身體細微動作

這項技術顯示出潛在的潛力，可以檢測出人體的細微動作並實時監控醫療保健應用中的身體姿勢。

基於嵌入CNT的Ecoflex薄膜的透光率變化的傳感器的示意圖。

韓國大田韓國高級科學技術研究所研究人員基於調製碳納米管（CNT）嵌入的彈性體的光透射率開發了一種可穿戴應變傳感器。該傳感器能夠對物理信號進行靈敏，穩定和連續的測量。

可穿戴式應變傳感器必須具有高靈敏度，柔韌性和可拉伸性以及低成本。特別是用於健康監測的那些也應與長期穩定的性能聯繫在一起，並在環境上穩定。為了滿足所有這些要求，已經開發了多種基於壓阻和電容原理的可拉伸應變傳感器。

使用功能納米材料的傳統壓阻應變傳感器，包括最常見的碳納米管，已顯示出高靈敏度和出色的傳感性能。但是，它們的長期穩定性和線性度很差，而且信號遲滯也很大。

作為替代方案，已經提出了具有更好的穩定性，更低的磁滯和更高的可拉伸性的壓電電容應變傳感器。但是由於壓電電容應變傳感器表現出有限的靈敏度和由周圍環境中的導電物體引起的強電磁幹擾這一事實，這些傳統的可拉伸應變傳感器仍然面臨著尚未解決的局限性。

一個研究小組建議，光學型可拉伸應變傳感器可以解決常規壓阻和壓電容應變傳感器的局限性，因為它們具有較高的穩定性，並且受環境幹擾的影響較小。然後，該團隊根據嵌入CNT的彈性體的透光率變化引入了光學可穿戴應變傳感器，進一步解決了傳統光學可拉伸應變傳感器的低靈敏度問題。

為了獲得較大的傳感器動態範圍，研究人員選擇了Ecoflex作為具有良好機械耐久性，柔韌性和對人體皮膚的附著力的彈性體基材。新型光學可穿戴應變傳感器顯示0至400％的寬動態範圍。此外，研究人員在嵌入Ecoflex基板的多壁CNT薄膜中在拉伸應變下傳播了微裂紋，從而改變了薄膜的透光率。通過這樣做，他們可以開發出靈敏度比傳統的光學可拉伸應變傳感器高十倍的可穿戴應變傳感器。

擬議的傳感器還通過了耐久性測試，並獲得了出色的結果。在13,000套循環載荷下，傳感器的響應是穩定的，沒有任何明顯的漂移。這表明，即使長時間且在各種環境條件下重複使用傳感器，也可以使用傳感器響應而不會降低性能。

使用開發的傳感器，團隊可以測量手指彎曲的動作並將其用於機器人控制。他們還開發了用於身體姿勢監測的三軸傳感器陣列。該傳感器能夠以較小的應變來監測人的動作，例如在發音過程中頸動脈附近的脈搏和嘴周圍的肌肉運動。該傳感器可廣泛用於各種領域，包括軟機器人，可穿戴電子設備，皮膚電子和醫療保健。

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