柔軟有彈性的織物傳感器 適用于可穿戴式機器人

可穿戴技術 - 從心率監測器到虛擬現實耳機 - 在消費者和研究領域都大受歡迎，但大多數檢測和傳輸可穿戴設備數據的電子傳感器都是由堅硬，不靈活的材料制成，可以限制兩者佩戴者的自然運動和收集數據的準確性。現在，Wyss生物啟發工程研究所和哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院(SEAS)的一組研究人員創造了一種高靈敏度的軟電容式傳感器，由硅樹脂和織物制成，可以移動和彎曲人體以不引人注目的方式準確地檢測出運動。

“我們對這款傳感器感到非常興奮，因為通過在其結構中利用紡織品，它本質上適合與織物整合以制造'智能'機器人服裝，”相應的作者Conor Walsh博士說，他是核心教員。 Wyss研究所和SEAS工程與應用科學副教授John L. Loeb。“此外，我們設計了一種獨特的批量生產工藝，使我們能夠創建具有統一特性的定制形狀傳感器，從而可以根據特定應用快速制造它們，”共同作者Ozgur Atalay博士說。 ，Wyss學院博士后研究員。該研究發表在最新一期的Advanced Materials Technologies上，該協議作為哈佛生物設計實驗室的軟機器人工具包的一部分提供。

Wyss團隊的技術包括一層薄薄的硅樹脂(導電性差的材料)夾在兩層鍍銀導電織物(高導電材料)之間，形成一個電容式傳感器。這種類型的傳感器通過測量兩個電極之間的電場的電容變化或保持電荷的能力來記錄運動。“當我們通過從末端拉動傳感器來施加應變時，硅樹脂層變得更薄并且導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，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，將其機械地鎖定到硅樹脂上并增加可用于分配應變和存儲電荷的表面積。這種有機硅紡織品混合物通過利用兩種材料的質量提高了對運動的敏感度：強大的互鎖織物纖維有助于限制硅膠在拉伸時變形的程度，并且有機硅有助于織物在去除應變后恢復其原始形狀。最后，用導熱膠帶將薄而柔韌的導線永久地固定在導電織物上，

該團隊通過進行應變實驗評估了他們的新傳感器設計，其中在通過機電測試儀拉伸傳感器時進行各種測量。通常，當拉伸彈性材料時，其長度增加而其厚度和寬度減小，因此材料的總面積 - 因此其電容 - 保持不變。令人驚訝的是，研究人員發現傳感器的導電面積隨著拉伸而增加，導致電容超出預期。“基于有機硅的電容式傳感器根據材料的性質靈敏度有限。然而，將硅樹脂嵌入導電織物中會形成一個矩陣，可防止硅樹脂在寬度方向上收縮，從而提高靈敏度，使其高于裸硅膠的靈敏度。測試”

混合傳感器檢測到應變施加30毫秒內的電容增加和小于半毫米的物理變化，證實它能夠捕獲人體尺度上的運動。為了在真實場景中測試該能力，該團隊將一組它們集成到一個手套中，以實時測量精細運動手和手指的運動。傳感器成功地能夠檢測到單個手指移動時的電容變化，指示它們隨時間的相對位置。“我們的傳感器具有更高的靈敏度意味著它能夠區分較小的動作，例如輕輕地左右移動一根手指，而不僅僅是整只手是打開還是握緊拳頭，”共同作者Vanessa Sanchez，研究生解釋說。 SEAS生物設計實驗室的學生。

雖然這項研究是一個初步的概念驗證，但團隊對這項技術可以發展的許多未來方向感到興奮。“這項工作代表了我們越來越關注在機器人系統中利用紡織技術，我們看到了野外動作捕捉的有希望的應用，例如追蹤物理性能的運動服裝或用于監控家中病人的軟臨床設備。此外當與基于織物的軟致動器結合使用時，這些傳感器將實現真正模仿服裝的新機器人系統，“Walsh說。