研究人员演示了用于机器接口技术的应变传感器

研究人员开发了一种可拉伸应变传感器,它结合了灵敏度和范围,使其能够检测到应变的微小变化,而不是以前的技术。

通过马特·希普曼 2023年1月15日
提供:吴爽,北卡罗莱纳州立大学

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种可拉伸应变传感器,它结合了灵敏度和范围,使其能够检测到应变的微小变化,并且比以前的技术具有更大的运动范围。研究人员通过创造新的健康监测和人机界面设备,证明了传感器的实用性。

应变是测量材料从其原始长度变形的程度。例如,如果你将橡皮筋拉伸到原来长度的两倍,它的应变将是100%。

“测量应变在许多应用中都很有用,比如测量血压的设备和跟踪物理运动的技术,”一篇关于这项工作的论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学安德鲁·a·亚当斯机械和航空航天工程杰出教授Yong Zhu说。“但到目前为止,这是一种权衡。敏感的应变传感器——能够检测到微小的变形——不能被拉伸太远。另一方面,可以拉伸到更大长度的传感器通常不是很敏感。我们开发的新传感器既灵敏又能承受巨大的变形。另一个特点是,即使在过度拉伸时,传感器也非常坚固,这意味着当施加的应变意外超过传感范围时,它不太可能断裂。”

这种新型传感器由嵌入弹性聚合物的银纳米线网络组成。这种聚合物具有一种平行切口的图案,切口深度均匀,从材料的两侧交替进行:从左边切割一次,然后从右边切割一次,然后从左边切割一次,等等。

这篇论文的第一作者、刚从北卡罗来纳州立大学毕业的博士吴爽说:“这种特征——有图案的切割——在不牺牲灵敏度的情况下,可以实现更大范围的变形。”

传感器通过测量电阻的变化来测量应变。随着材料的拉伸,阻力增大。传感器表面的切口垂直于它被拉伸的方向。这有两个作用。首先,切口允许传感器显著变形。由于表面的切口被拉开,形成了一个之字形图案,这种材料可以承受巨大的变形而不会达到断裂点。其次,当切口拉开时,这迫使电信号传播得更远,在锯齿形曲线上上下移动。

提供:吴爽,北卡罗莱纳州立大学

提供:吴爽,北卡罗莱纳州立大学

“为了证明新传感器的灵敏度,我们用它们来创造新的可穿戴血压设备,”朱说。“为了证明传感器可以变形到什么程度,我们创造了一种可穿戴设备,用于监测人背部的运动,这对物理治疗有实用价值。”

“我们还展示了一个人机界面,”吴说。“具体来说,我们使用传感器创建了一个三维触摸控制器,可以用来控制视频游戏。”

“该传感器可以很容易地集成到现有的可穿戴材料中,如织物和运动胶带,便于实际应用,”朱说。“所有这些都只是触及了表面。我们认为,随着我们继续研究这项技术,将会有一系列额外的应用。”

-由Chris Vavra编辑,网页内容经理,控制工程, CFE媒体与技术,cvavra@cfemedia.com


作者简介:马特·希普曼,北卡罗莱纳州立大学研究交流负责人