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硅脂柔性传感器横空出世 ,开启智能机器人的新时代
发布:lee_9124   时间:2017/7/15 23:07:51   阅读:480 
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硅—纺织混合传感器具有高度的灵活性和弹性,使他们可以更好的感知身体运动。图片来源:哈佛大学威斯研究所

可穿戴技术--从心率监视器到虚拟现实耳机——在消费群体和研究领域都在日益流行,但大多数从可穿戴设备上探测并传输数据的电子传感器都是采用硬质刚性材料,这不但限制了人的自然动作,而且影响了所收集的数据的准确性。现在,在哈佛大学的Wyss生物工程研究所与 John A. Paulson 工程和应用科学学院的一个研究团队创造了一种由硅和织物制成的高度敏感的软性电容传感器,它随着人体移动和弯曲来准确地检测运动。

Wyss生物工程研究所与 John A. Paulson 工程和应用科学学院的核心成员,以及文章通讯作者Conor Walsh, Ph.D说:“我们对这个传感器非常感兴趣,利用纺织品的结构,它天生就适合与织物结合来制造“智能”机器人服装”Wyss研究所博士后,文章共同作者Ozgur Atalay博士说:“此外,我们设计了一个特殊的批量生产方法,使我们能够创建具有同样特性的自定义形状传感器,使之能够在一个给定的应用程序中快速生成。”该研究发表在最新一期的先进材料技术上,而且该协议可作为哈佛生物实验室的软机器人工具包。

Wyss团队的技术包括一层薄薄的硅树脂(一种导电材料),夹在两层镀银的导电材料(一种导电材料)之间,形成了电容传感器。Wyss研究所工程师,文章共同作者Daniel Vogt解释说:“这种传感器通过测量电容的变化,或者保持两个电极之间的电场来记录运动。当我们从末端拉动传感器时,硅层变薄,导电层变得更加紧密,从而与所施加的应变量成比例的改变电容传感器的电容,所以我们可以测量传感器的形状改变了多少。”

混合传感器的优越性能源于它的制造工艺,在该过程中,织物在硅芯的两侧附加一层液态硅,随后固化。这种方法允许硅树脂填充织物中的一些空气间隙,机械地将其锁在硅树脂上,增加可用于分发应变和储存电荷的表面积。这种有机硅纺织品混合利用了两种材料的特点,从而提高了对运动的敏感性:交锁织物纤维限制了硅胶拉伸时产生的变形,有机硅在应变消除后有助于织物回复原来的形状。最后,薄而柔韧的导线与热接缝胶带永久地连接在导电织物上,使传感器的电信息传输到电路而不需要硬而庞大的接口。

该小组通过进行应变实验,评估了他们的新传感器设计,在不同的测量过程中,传感器被机电测试仪拉伸。一般来说,当弹性材料被拉伸时,它的长度增加,而它的厚度和宽度减小,所以材料的总面积以及它的电容保持不变。令人惊讶的是,研究人员发现传感器的导电面积随着拉伸而增加,从而产生比预期电容还要大的电容。Wyss研究所博士后,以及本文主要作者Asli Atalay说:“基于硅基电容传感器的材料灵敏度有限,所以将硅嵌入导电织物中,从而创造了一个矩阵,防止硅宽度的收缩,从而使其灵敏度高于我们测试的裸硅。”

这个混合传感器检测到30毫秒内,应变应用和小于半毫米的物理变化所导致电容的增加,这证实它能够捕捉人体尺度上的运动。为了测试其在真实场景中的性能,该团队将其集成到手套中,实时测量手部和手指精细的运动。这些传感器成功地检测出单个手指移动时的电容变化,表明它们的相对位置随着时间的推移而变化。SEAS生物实验室的一个研究生,文章共同作者的Vanessa Sanchez解释道:“我们的传感器灵敏度更高,意味着它有能力分辨出较小的运动,比如稍微移动一个手指到另一边,而不是简单地把整个手张开或握紧。”

虽然这项研究只是一个初步证明的概念,但该团队对这项技术未来发展的技术发展表现出浓厚的兴趣。Walsh说:“这项工作体现了我们越来越重视在机器人系统中利用纺织技术,我们看到了在野外捕捉运动具有很好前景的应用,例如利用运动服追踪身体的状况,或监视家中病人的软性临床设备。此外,当与织物为基础的软致动器相结合,这些传感器将启用新的机器人系统,从而得到真正的仿真服装。”

Wyss创始主任、同时也是哈佛医学院血管生物学和波士顿儿童医院以及海洋生物工程教授Donald Ingber, M.D., Ph.D说:“这项技术为穿戴式诊断和耦合疗法开辟了全新的道路,无疑将在未来的家庭医疗中发挥重要作用。这也反映出我们在Wyss学院专注于协作而拥有的力量,因为它是从Conor Walsh的生物实验室和Rob Wood的微型机器人实验室得到的洞察力和灵感,这是我们的仿生机器人平台的中心。”


来源:材料科技在线
 
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