Czujnik naprężenia do elektroniki noszonej łączy w sobie wysoką czułość z dużym zakresem wykrywania

Miękkie i rozciągliwe czujniki naprężeń są nieocenione w zastosowaniach w elektronice do noszenia, takiej jak urządzenia śledzące ruch i systemy monitorowania fizjologicznego. Obecnie jednak kompromis między czułością a zasięgiem wykrywania jest poważnym wyzwaniem. Czujniki naprężeń, które są w stanie wykryć małe odkształcenia, nie mogą być rozciągnięte na duże odległości, podczas gdy te, które można rozciągnąć na większą długość, zazwyczaj nie są zbyt czułe.

Podczas monitorowania fizjologii i ruchu człowieka napięcie skóry waha się od poniżej 1% do ponad 50%. Jako takie, oddzielne czujniki są zwykle używane do wykrywania subtelnych napięć (takich jak te związane z tętnem krwi i oddychaniem) oraz dużych naprężeń (takich jak zginanie części ciała). Jednak do monitorowania niektórych chorób preferowane byłoby użycie jednego urządzenia. Na przykład w chorobie Parkinsona czujniki muszą być wystarczająco czułe, aby monitorować niewielkie drżenia, zachowując jednocześnie wystarczająco duży zakres, aby mierzyć ruchy stawów.

Tak naprawdę potrzebny jest pojedynczy czujnik, który można przymocować do różnych części ciała i który może dokładnie mierzyć pełen zakres naprężeń ludzkiej skóry. Mając ten cel na uwadze, zespół ds North Carolina State University opracował miękki, rozciągliwy rezystancyjny czujnik naprężeń, który oferuje wysoką czułość, duży zakres wykrywania i wysoką wytrzymałość.

„Nowy czujnik, który opracowaliśmy, jest zarówno czuły, jak i odporny na znaczne odkształcenia” — wyjaśnia autor korespondencji Yong Zhu w komunikacie prasowym. „Dodatkową cechą jest to, że czujnik jest bardzo wytrzymały nawet w przypadku przeciążenia, co oznacza, że ​​jest mało prawdopodobne, aby pękł, gdy przyłożone naprężenie przypadkowo przekroczy zakres wykrywania”.

Czujnik opisany w pkt Materiały i interfejsy ACS, mierzy odkształcenia, mierząc zmiany oporu elektrycznego. Urządzenie jest wykonane z sieci srebrnych nanoprzewodów osadzonych w elastycznym polimerze poli(dimetylosiloksanie), z szeregiem mechanicznych nacięć na jego górnej powierzchni, na przemian z obu stron.

Kiedy czujnik jest rozciągnięty, nacięcia się otwierają. Zmusza to sygnał elektryczny do przejścia z jednolitego przepływu prądu przez zamknięte pęknięcia do dalszej podróży wzdłuż zygzakowatej ścieżki przewodzenia wyznaczonej przez otwarte pęknięcia. W ten sposób opór wzrasta pod przyłożonym obciążeniem. Otwarcie nacięć pozwala również urządzeniu wytrzymać znaczne odkształcenie bez osiągnięcia punktu zerwania. „Ta cecha – wzorzyste nacięcia – umożliwia większy zakres deformacji bez utraty czułości”, mówi pierwszy autor Shuang Wu.

Zespół przeprowadził eksperymenty i analizę metodą elementów skończonych, aby ocenić wpływ głębokości szczeliny, jej długości i skoku na działanie czujnika. Zoptymalizowane urządzenie wykazywało duży współczynnik grubości (stosunek względnej zmiany rezystancji elektrycznej do naprężenia mechanicznego) wynoszący 290.1 przy zakresie wykrywania ponad 22%. Był również odporny na przeciążenia i 1000 powtarzanych cykli ładowania.

Urządzenia budowlane

Aby zademonstrować niektóre potencjalne zastosowania nowego czujnika obciążenia, Zhu, Wu i współpracownicy zintegrowali go z systemami monitorowania zdrowia, które mierzą bardzo różne poziomy ruchu.

Najpierw wykorzystali czujnik do monitorowania ciśnienia krwi, co wymaga bardzo dużej czułości. Za pomocą gumki mocującej czujnik umieścili go na nadgarstku ochotnika, aby wykryć falę tętna – jeden z najmniejszych sygnałów naprężenia ludzkiej skóry.

Kiedy krew przepływa przez żyłę, końce czujnika pozostają unieruchomione przez opaskę, podczas gdy środek jest rozciągany, otwierając pęknięcia na jego górnej powierzchni.

Naukowcy wykazali, że ten układ może uchwycić falę tętna z tętnicy promieniowej na nadgarstku. Umieszczając kolejny czujnik naprężenia na tętnicy ramiennej wyżej na ramieniu i jednocześnie rejestrując drugą falę tętna, mogli zmierzyć uśrednioną prędkość fali tętna, umożliwiając obliczenie ciśnienia krwi.

W następnym przykładzie czujnik został wykorzystany do monitorowania dużych obciążeń dolnej części pleców podczas ruchu, co jest przydatne w fizjoterapii. Tutaj naukowcy zintegrowali czujnik z rozciągliwą taśmą sportową i przymocowali dwa czujniki równolegle wzdłuż kręgosłupa w dolnej części pleców ochotnika. Z tyłu przymocowali również kartę Bluetooth, aby zbierać i przesyłać sygnały czujnikowe.

Zaczynając od pozycji siedzącej, badany wykonywał serię ruchów, podczas gdy czujnik monitorował napięcie w dolnej części pleców. Podczas pochylania się do przodu oba czujniki reagowały wzrostem oporu. Podczas pochylania się do przodu i przechylania na boki rezystancja czujnika po odpowiedniej stronie pozostawała prawie stała, podczas gdy czujnik po przeciwnej stronie wykazywał znacznie zwiększoną rezystancję.

Rozciągliwa organiczna fotodioda może poprawić wydajność urządzeń do noszenia

Wreszcie, aby zademonstrować zastosowanie czujnika w interfejsach człowiek-maszyna, naukowcy stworzyli miękki czujnik dotykowy 3D, który śledzi zarówno naprężenia normalne, jak i ścinające i może być używany do sterowania grą wideo. Zintegrowali również czujnik naprężenia na czubku palca rękawicy, która była następnie używana do chwytania szklanki wody, demonstrując jej potencjał w zakresie wykrywania dotykowego w zastosowaniach robotyki.

Zespół bada obecnie zastosowanie czujnika odkształcenia do zastosowań biomedycznych i sportowych. „Aplikacje biomedyczne obejmują monitorowanie wzorców ruchowych podczas rehabilitacji pacjentów po udarze” — mówi Zhu Świat Fizyki. „Pracujemy również nad skalowalną produkcją czujników”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/