Ο αισθητήρας καταπόνησης για φορητά ηλεκτρονικά είδη συνδυάζει υψηλή ευαισθησία με μεγάλο εύρος ανίχνευσης

Οι μαλακοί και ελαστικοί αισθητήρες καταπόνησης είναι ανεκτίμητοι για χρήση σε φορητά ηλεκτρονικά, όπως συσκευές παρακολούθησης κίνησης και συστήματα φυσιολογικής παρακολούθησης. Επί του παρόντος, ωστόσο, η αντιστάθμιση μεταξύ ευαισθησίας και εύρους ανίχνευσης είναι μια σημαντική πρόκληση. Οι αισθητήρες καταπόνησης που είναι ικανοί να ανιχνεύουν μικρές παραμορφώσεις δεν μπορούν να τεντωθούν πολύ μακριά, ενώ αυτοί που μπορούν να τεντωθούν σε μεγαλύτερα μήκη συνήθως δεν είναι πολύ ευαίσθητοι.

Κατά την παρακολούθηση της ανθρώπινης φυσιολογίας και κίνησης, η καταπόνηση του δέρματος κυμαίνεται από κάτω από 1% έως πάνω από 50%. Ως εκ τούτου, χωριστοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση λεπτών στελεχών (όπως αυτά που σχετίζονται με τον παλμό του αίματος και την αναπνοή) και τα μεγάλα στελέχη (όπως η κάμψη τμημάτων του σώματος). Αλλά για την παρακολούθηση ορισμένων ασθενειών, η χρήση μιας μόνο συσκευής θα ήταν προτιμότερη. Στη νόσο του Πάρκινσον, για παράδειγμα, οι αισθητήρες πρέπει να είναι αρκετά ευαίσθητοι για να παρακολουθούν μικρούς τρόμους, διατηρώντας παράλληλα ένα αρκετά μεγάλο εύρος για τη μέτρηση των κινήσεων των αρθρώσεων.

Αυτό που πραγματικά χρειάζεται είναι ένας ενιαίος αισθητήρας που μπορεί να προσαρτηθεί σε διαφορετικά μέρη του σώματος και να μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια όλο το φάσμα των στελεχών στο ανθρώπινο δέρμα. Με αυτόν τον στόχο στο μυαλό, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας έχει αναπτύξει έναν μαλακό ελαστικό αισθητήρα αντίστασης που προσφέρει υψηλή ευαισθησία, μεγάλο εύρος ανίχνευσης και υψηλή στιβαρότητα.

«Ο νέος αισθητήρας που αναπτύξαμε είναι και ευαίσθητος και ικανός να αντέχει σημαντική παραμόρφωση», εξηγεί ο αντίστοιχος συγγραφέας Γιονγκ Ζου σε δήλωση τύπου. "Ένα πρόσθετο χαρακτηριστικό είναι ότι ο αισθητήρας είναι πολύ στιβαρός ακόμη και όταν καταπονείται, πράγμα που σημαίνει ότι είναι απίθανο να σπάσει όταν η εφαρμοζόμενη τάση υπερβαίνει κατά λάθος το εύρος ανίχνευσης."

Ο αισθητήρας, που περιγράφεται στο ACS Εφαρμοσμένα Υλικά & Διεπαφές, μετρά την καταπόνηση μετρώντας τις αλλαγές στην ηλεκτρική αντίσταση. Η συσκευή είναι κατασκευασμένη από ένα δίκτυο νανοσύρματος αργύρου ενσωματωμένο στο ελαστικό πολυμερές πολυ(διμεθυλοσιλοξάνιο), με μια σειρά μηχανικών κοπών στην επάνω επιφάνειά του, που εναλλάσσονται από κάθε πλευρά.

Όταν ο αισθητήρας τεντώνεται, οι τομές ανοίγουν. Αυτό αναγκάζει το ηλεκτρικό σήμα να μεταβεί από μια ομοιόμορφη ροή ρεύματος στις κλειστές ρωγμές στο να ταξιδέψει περαιτέρω κατά μήκος της τεθλασμένης αγώγιμης διαδρομής που ορίζεται από τις ανοιχτές ρωγμές. Έτσι η αντίσταση αυξάνεται υπό την εφαρμοζόμενη καταπόνηση. Το άνοιγμα των τομών επιτρέπει επίσης στη συσκευή να αντέχει σε σημαντική παραμόρφωση χωρίς να φτάσει στο σημείο θραύσης της. «Αυτό το χαρακτηριστικό – οι τομές με μοτίβο – είναι αυτό που επιτρέπει μεγαλύτερο εύρος παραμόρφωσης χωρίς να θυσιάζεται η ευαισθησία», λέει ο πρώτος συγγραφέας Σουάνγκ Γου.

Η ομάδα πραγματοποίησε πειράματα και ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων για να αξιολογήσει τις επιπτώσεις του βάθους, του μήκους και του βήματος της σχισμής στην απόδοση του αισθητήρα. Η βελτιστοποιημένη συσκευή παρουσίασε μεγάλο συντελεστή μετρητή (ο λόγος της σχετικής αλλαγής στην ηλεκτρική αντίσταση προς τη μηχανική καταπόνηση) 290.1 με εύρος ανίχνευσης άνω του 22%. Ήταν επίσης ανθεκτικό σε υπερένταση και 1000 επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτωσης.

Κατασκευή συσκευών

Για να δείξουν ορισμένες πιθανές εφαρμογές του νέου τους αισθητήρα καταπόνησης, οι Zhu, Wu και οι συνάδελφοί τους τον ενσωμάτωσαν σε φορετά συστήματα παρακολούθησης της υγείας που μετρούν πολύ διαφορετικά επίπεδα κίνησης.

Πρώτον, χρησιμοποίησαν τον αισθητήρα για την παρακολούθηση της αρτηριακής πίεσης, η οποία απαιτεί εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία. Χρησιμοποιώντας ένα λάστιχο για να ασφαλίσουν τον αισθητήρα, τον τοποθέτησαν στον καρπό ενός εθελοντή για να ανιχνεύσει το παλμικό κύμα – ένα από τα μικρότερα σήματα καταπόνησης στο ανθρώπινο δέρμα.

Όταν το αίμα διοχετεύεται μέσω της φλέβας, τα άκρα του αισθητήρα παραμένουν σταθερά στη θέση τους από την ταινία ενώ το κέντρο τεντώνεται, ανοίγοντας τις ρωγμές στην επάνω επιφάνειά του.

Οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτή η διάταξη μπορούσε να συλλάβει το παλμικό κύμα από την ακτινωτή αρτηρία στον καρπό. Τοποθετώντας έναν άλλο αισθητήρα καταπόνησης στη βραχιόνιο αρτηρία ψηλότερα στον βραχίονα και καταγράφοντας ένα δεύτερο παλμικό κύμα ταυτόχρονα, θα μπορούσαν να μετρήσουν τη μέση ταχύτητα παλμικού κύματος, επιτρέποντας τον υπολογισμό της αρτηριακής πίεσης.

Στο επόμενο παράδειγμα, ο αισθητήρας χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση μεγάλων καταπονήσεων στο κάτω μέρος της πλάτης κατά τη διάρκεια της κίνησης, κάτι που έχει χρησιμότητα για φυσικοθεραπεία. Εδώ, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν τον αισθητήρα με μια ελαστική αθλητική ταινία και προσάρτησαν δύο αισθητήρες παράλληλα κατά μήκος της σπονδυλικής στήλης στο κάτω μέρος της πλάτης ενός εθελοντή. Τοποθέτησαν επίσης μια πλακέτα Bluetooth στο πίσω μέρος για να συλλέγουν και να μεταδίδουν τα σήματα ανίχνευσης.

Ξεκινώντας από μια καθιστή ευθεία θέση, το υποκείμενο εκτέλεσε μια σειρά από κινήσεις ενώ ο αισθητήρας παρακολουθούσε τις καταπονήσεις του κάτω μέρους της πλάτης. Κατά την κλίση προς τα εμπρός, και οι δύο αισθητήρες ανταποκρίθηκαν με αύξηση της αντίστασης. Ενώ έγερνε προς τα εμπρός και έγερνε προς τα πλάγια, η αντίσταση του αισθητήρα στην αντίστοιχη πλευρά παρέμεινε σχεδόν σταθερή ενώ ο αισθητήρας στην αντίθετη πλευρά έδειξε σημαντικά αυξημένη αντίσταση.

Η εκτατή οργανική φωτοδίοδος θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση των φορητών συσκευών

Τέλος, για να δείξουν τη χρήση του αισθητήρα σε διεπαφές ανθρώπου-μηχανής, οι ερευνητές δημιούργησαν έναν μαλακό αισθητήρα αφής 3D που παρακολουθεί τόσο τις κανονικές όσο και τις διατμητικές τάσεις και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο ενός βιντεοπαιχνιδιού. Ενσωμάτωσαν επίσης έναν αισθητήρα καταπόνησης στην άκρη του δακτύλου ενός γαντιού που στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για να πιάσει ένα ποτήρι νερό, αποδεικνύοντας τις δυνατότητές του για αίσθηση αφής για εφαρμογές ρομποτικής.

Η ομάδα διερευνά τώρα την εφαρμογή του αισθητήρα καταπόνησης για βιοϊατρικές και αθλητικές εφαρμογές. «Οι βιοϊατρικές εφαρμογές περιλαμβάνουν την παρακολούθηση των προτύπων κίνησης κατά την αποκατάσταση ασθενών με εγκεφαλικό», λέει ο Zhu Κόσμος Φυσικής. «Εργαζόμαστε επίσης για την κλιμακούμενη κατασκευή των αισθητήρων».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/