高感度と広い検知範囲を兼ね備えたウェアラブル エレクトロニクス向けひずみセンサ

ソフトで伸縮性のあるひずみセンサーは、モーション トラッキング デバイスや生理学的モニタリング システムなどのウェアラブル エレクトロニクスでの使用に非常に役立ちます。 しかし現在、感度と検出距離のトレードオフが大きな課題となっています。 小さな変形を検出できるひずみセンサーは、あまり伸ばすことができませんが、より長い距離まで伸ばすことができるひずみセンサーは、通常、あまり感度が高くありません。

人間の生理機能と動きを監視する場合、皮膚の負担は 1% 未満から 50% 以上の範囲です。 そのため、一般的に、微妙な歪み (血液の脈拍や呼吸に関連するものなど) と大きな歪み (体の一部の曲げなど) を検出するために、別々のセンサーが使用されます。 しかし、特定の病気を監視するには、単一のデバイスを使用することが望ましいでしょう。 たとえば、パーキンソン病では、センサーは、関節の動きを測定するのに十分な範囲を維持しながら、小さな震えを監視するのに十分な感度を備えている必要があります。

本当に必要なのは、体のさまざまな部分に取り付けることができ、人間の皮膚のあらゆる範囲のひずみを正確に測定できる単一のセンサーです。 この目標を念頭に置いて、 ノースカロライナ州立大学 は、高感度、広い検出範囲、および高い堅牢性を提供する、柔軟で伸縮性のある抵抗性ひずみセンサーを開発しました。

「私たちが開発した新しいセンサーは、感度が高く、大きな変形に耐えることができます」と責任著者は説明します。 朱永 プレス声明で。 「もう XNUMX つの特徴は、過大なひずみがかかった場合でもセンサーが非常に堅牢であることです。つまり、加えられたひずみが誤って検出範囲を超えた場合でも、センサーが破損する可能性はほとんどありません。」

で説明されているセンサー ACS Applied Materials＆Interfaces, 電気抵抗の変化を測定することでひずみを測定します。 デバイスは、弾性ポリマー ポリ (ジメチルシロキサン) に埋め込まれた銀ナノワイヤー ネットワークから作られ、その上面に一連の機械的カットが両側から交互に施されています。

センサーを伸ばすと、切り口が開きます。 これにより、電気信号は、閉じた亀裂を横切る均一な電流の流れから、開いた亀裂によって定義されたジグザグの導電経路に沿ってさらに移動するように強制されます。 したがって、負荷がかかると抵抗が増加します。 また、切り込みが開いているため、デバイスは破損点に達することなく、大幅な変形に耐えることができます。 「この機能、つまりパターン化されたカットは、感度を犠牲にすることなく、より広い範囲の変形を可能にするものです」と筆頭著者は述べています。 シュアン・ウー.

チームは実験と有限要素解析を行い、スリットの深さ、長さ、ピッチがセンサーの性能に与える影響を評価しました。 最適化されたデバイスは、290.1% を超える検出範囲で 22 という大きなゲージ係数 (機械的歪みに対する電気抵抗の相対的な変化の比率) を示しました。 また、過負荷や 1000 回の繰り返し負荷サイクルに対しても堅牢でした。

建物の装置

彼らの新しいひずみセンサーのいくつかの潜在的なアプリケーションを実証するために、Zhu、Wu と同僚は、非常に異なるレベルの動きを測定するウェアラブル健康監視システムにそれを統合しました。

まず、非常に高い感度が求められる血圧のモニタリングにセンサーを採用。 輪ゴムを使ってセンサーを固定し、被験者の手首に装着して脈波を検出しました。脈波は、人間の皮膚の最小のひずみ信号の XNUMX つです。

血液が静脈を通過すると、センサーの端はバンドによって固定されたままになり、中央が引き伸ばされて、その上面の亀裂が開きます。

研究者は、このセットアップが手首の橈骨動脈からの脈波を捕捉できることを示しました。 腕の上部の上腕動脈に別のひずみセンサーを配置し、同時にXNUMX番目の脈波を記録することで、平均脈波速度を測定し、血圧の計算を可能にしました。

次の例では、運動中の腰の大きな負担を監視するためにセンサーが使用されました。これは、理学療法に役立ちます。 ここでは、研究者はセンサーを伸縮性のあるアスレチック テープと統合し、XNUMX つのセンサーをボランティアの腰の背骨に沿って平行に取り付けました。 また、センシング信号を収集して送信するために、Bluetooth ボードを背面に取り付けました。

被験者はまっすぐ座った姿勢から始めて、センサーが腰の負担を監視しながら一連の動きを行いました。 前かがみになると、両方のセンサーが抵抗の増加に反応しました。 前かがみで横に傾いている間、対応する側のセンサーの抵抗はほぼ一定のままでしたが、反対側のセンサーは大幅に増加した抵抗を示しました。

伸縮性のある有機フォトダイオードは、ウェアラブルデバイスのパフォーマンスを向上させる可能性があります

最後に、ヒューマン マシン インターフェイスでのセンサーの使用を実証するために、研究者は、法線応力とせん断応力の両方を追跡し、ビデオ ゲームの制御に使用できるソフト 3D タッチ センサーを作成しました。 彼らはまた、手袋の指先に歪みセンサーを統合し、それを使用してコップ一杯の水をつかみ、ロボット工学アプリケーションの触覚センシングの可能性を実証しました.

チームは現在、生物医学およびスポーツ用途へのひずみセンサーの適用を検討しています。 「生物医学への応用には、脳卒中患者のリハビリ中の運動パターンのモニタリングが含まれます」と Zhu 氏は語ります。 物理学の世界. 「また、センサーのスケーラブルな製造にも取り組んでいます。」

• SEO を活用したコンテンツと PR 配信。 今日増幅されます。
• Platoblockchain。 Web3メタバースインテリジェンス。 知識の増幅。 こちらからアクセスしてください。
• 情報源： https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/