Bærbar belastningssensor ved hjælp af lystransmittans hjælper med at måle fysiske signaler bedre

KAIST-forskere har udviklet en ny bærbar belastningssensor baseret på modulering af optisk transmittans af en carbon nanorør (CNT) -indlejret elastomer. Sensoren er i stand til følsom, stabil, og kontinuerlig måling af fysiske signaler. Denne teknologi, fremhævet i 4. marts udgave af ACS -anvendte materialer og grænseflader som en forsideartikel, viser et stort potentiale for påvisning af subtile menneskelige bevægelser og overvågning i realtid af kropsstillinger til sundhedsapplikationer.

En bærbar belastningssensor skal have høj følsomhed, fleksibilitet, og strækbarhed, samt lave omkostninger. Dem, der især bruges til sundhedsovervågning, bør også være knyttet til langsigtet solid ydeevne, og være miljøstabil. Forskellige strækbare belastningssensorer baseret på piezo-resistive og kapacitive principper er blevet udviklet for at opfylde alle disse krav.

Konventionelle piezo-resistive belastningssensorer ved hjælp af funktionelle nanomaterialer, herunder CNT som det mest almindelige eksempel, har vist høj følsomhed og god sanseydelse. Imidlertid, de lider af dårlig langsigtet stabilitet og linearitet, samt betydelig signalhysterese. Som et alternativ, piezo-kapacitive belastningssensorer med bedre stabilitet, lavere hysterese, og højere strækbarhed er blevet foreslået. Men på grund af det faktum, at piezo-kapacitive belastningssensorer udviser begrænset følsomhed og stærk elektromagnetisk interferens forårsaget af de ledende objekter i det omgivende miljø, disse konventionelle strækbare belastningssensorer står stadig over for begrænsninger, der endnu ikke skal løses.

Et KAIST-forskerteam ledet af professor Inkyu Park fra Institut for Maskinteknik foreslog, at en strækbar sensor af optisk type kan være et godt alternativ til at løse begrænsningerne for konventionelle piezo-resistive og piezo-kapacitive belastningssensorer, fordi de har høj stabilitet og er mindre påvirket af miljøforstyrrelser. Holdet introducerede derefter en optisk bærbar belastningssensor baseret på lystransmittansændringerne af en CNT-integreret elastomer, som yderligere behandler problemet med lav følsomhed ved konventionelle optiske strækbare sensorer.

For at opnå et stort dynamisk område for sensoren, Professor Park og hans forskere valgte Ecoflex som et elastomert substrat med god mekanisk holdbarhed, fleksibilitet, og vedhæftning på menneskelig hud og den nye optiske bærbare belastningssensor udviklet af forskergruppen viser faktisk et bredt dynamisk område på 0 til 400%.

Ud over, forskerne formerede mikrosprækkerne under trækbelastning i filmen af ​​flervæggede CNT'er indlejret i Ecoflex-substratet, ændring af filmens optiske transmittans. Ved at gøre det, det var muligt for dem at udvikle en bærbar belastningssensor med en følsomhed 10 gange højere end konventionelle optiske strækbare belastningssensorer.

Den foreslåede sensor har også bestået holdbarhedstesten med fremragende resultater. Sensors svar efter 13, 000 sæt cyklisk belastning var stabil uden nogen mærkbar drift. Dette tyder på, at sensorresponsen kan bruges uden forringelse, selvom sensoren gentagne gange bruges i lang tid og under forskellige miljøforhold.

Ved hjælp af den udviklede sensor, forskergruppen kunne måle fingerens bøjningsbevægelse og brugte den til robotstyring. De udviklede også et tre-akset sensorarray til overvågning af kropsholdning. Sensoren var i stand til at overvåge menneskelige bevægelser med små belastninger såsom en puls nær halspulsåren og muskelbevægelse omkring munden under udtalen.

Professor Park sagde, "I dette studie, vores gruppe udviklede en ny bærbar belastningssensorplatform, der overvinder mange begrænsninger ved tidligere udviklet resistiv, kapacitiv, og strækbare sensorer af optisk type. Vores sensor kan bruges i vid udstrækning på en række forskellige områder, herunder blød robotik, bærbar elektronik, elektrisk hud, sundhedspleje, og endda underholdning. "