柔軟且有彈性的織物傳感器 適用于可穿戴機(jī)器人

可穿戴技術(shù) - 從心率監(jiān)測器到虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī) - 在消費(fèi)者和研究領(lǐng)域都大受歡迎，但大多數(shù)檢測和傳輸可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)的電子傳感器都是由堅硬，不靈活的材料制成，可以限制佩戴者的自然運(yùn)動和收集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。現(xiàn)在，Wyss生物啟發(fā)工程研究所和哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的一組研究人員創(chuàng)造了一種高靈敏度的軟電容式傳感器，由硅膠和織物制成，可以移動和彎曲人體以不引人注目的方式準(zhǔn)確地檢測出運(yùn)動。

“我們對這款傳感器感到非常興奮，因為通過在其結(jié)構(gòu)中利用紡織品，它本質(zhì)上適合與織物整合以制造'智能'機(jī)器人服裝，”相應(yīng)的作者Conor Walsh博士說，他是核心教員。 Wyss研究所和SEAS工程與應(yīng)用科學(xué)副教授John L. Loeb。“此外，我們設(shè)計了一種獨(dú)特的批量生產(chǎn)工藝，使我們能夠創(chuàng)建具有統(tǒng)一特性的定制形狀傳感器，從而可以根據(jù)特定應(yīng)用快速制造它們，”共同作者Ozgur Atalay博士說。 ，Wyss學(xué)院博士后研究員。該研究發(fā)表在最新一期的Advanced Materials Technologies上，該協(xié)議作為哈佛生物設(shè)計實(shí)驗室的軟機(jī)器人工具包的一部分提供。

Wyss團(tuán)隊的技術(shù)包括一層薄薄的硅樹脂(導(dǎo)電性差的材料)夾在兩層鍍銀導(dǎo)電織物(高導(dǎo)電材料)之間，形成一個電容式傳感器。這種類型的傳感器通過測量兩個電極之間的電場的電容變化或保持電荷的能力來記錄運(yùn)動。“當(dāng)我們通過從末端拉動傳感器來施加應(yīng)變時，硅樹脂層變得更薄并且導(dǎo)電織物層變得更緊密，這改變了傳感器的電容，其方式與施加的應(yīng)變量成比例，因此我們可以測量傳感器改變形狀的程度，“共同作者，Wyss研究所研究工程師Daniel Vogt解釋說。

混合傳感器的卓越性能源于其新穎的制造工藝，其中織物附著在硅樹脂芯的兩側(cè)，附加一層液體硅樹脂，隨后固化。該方法允許硅樹脂填充織物中的一些氣隙，將其機(jī)械地鎖定到硅樹脂上并增加可用于分配應(yīng)變和存儲電荷的表面積。這種有機(jī)硅紡織品混合物通過利用兩種材料的質(zhì)量提高了對運(yùn)動的敏感度：強(qiáng)大的互鎖織物纖維有助于限制硅樹脂在拉伸時變形的程度，并且有機(jī)硅有助于織物在去除應(yīng)變后恢復(fù)其原始形狀。最后，用導(dǎo)熱膠帶將薄而柔韌的導(dǎo)線永久地固定在導(dǎo)電織物上，

該原型手套包括軟傳感器，其能夠單獨(dú)記錄每個手指的運(yùn)動。圖片來源：哈佛大??學(xué)威斯學(xué)院

該團(tuán)隊通過進(jìn)行應(yīng)變實(shí)驗評估了他們的新傳感器設(shè)計，其中在通過機(jī)電測試儀拉伸傳感器時進(jìn)行各種測量。通常，當(dāng)拉伸彈性材料時，其長度增加而其厚度和寬度減小，因此材料的總面積 - 并且因此其電容 - 保持恒定。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)傳感器的導(dǎo)電面積隨著拉伸而增加，導(dǎo)致電容超出預(yù)期。“基于硅樹脂的電容式傳感器根據(jù)材料的性質(zhì)靈敏度有限。然而，將硅樹脂嵌入導(dǎo)電織物中會產(chǎn)生一種基體，可以防止硅樹脂在寬度方向上收縮，從而提高靈敏度，使其高于裸硅樹脂的靈敏度。我們進(jìn)行了測試，“主要作者，Wyss研究所博士后研究員Asli Atalay說。

混合傳感器檢測到應(yīng)變施加30毫秒內(nèi)的電容增加和小于半毫米的物理變化，證實(shí)它能夠捕獲人體尺度上的運(yùn)動。為了在真實(shí)場景中測試該能力，該團(tuán)隊將一組它們集成到一個手套中，以實(shí)時測量精細(xì)運(yùn)動手和手指的運(yùn)動。傳感器成功地能夠檢測到單個手指移動時的電容變化，指示它們隨時間的相對位置。“我們的傳感器具有更高的靈敏度意味著它能夠區(qū)分較小的動作，例如輕微地將一個手指左右移動，而不僅僅是整只手是打開還是握緊拳頭，”共同作者Vanessa Sanchez解釋說。 SEAS生物設(shè)計實(shí)驗室的學(xué)生。

雖然這項研究是一個初步的概念驗證，但團(tuán)隊對這項技術(shù)可以發(fā)展的許多未來方向感到興奮。“這項工作代表了我們越來越關(guān)注在機(jī)器人系統(tǒng)中利用紡織技術(shù)，我們看到了野外動作捕捉的有希望的應(yīng)用，例如追蹤物理性能的運(yùn)動服裝或用于監(jiān)控家中病人的軟臨床設(shè)備。此外當(dāng)與基于織物的軟致動器結(jié)合使用時，這些傳感器將實(shí)現(xiàn)真正模仿服裝的新機(jī)器人系統(tǒng)，“Walsh說。

“這項技術(shù)開辟了可穿戴診斷和耦合治療的全新方法，毫無疑問將在家庭醫(yī)療保健的未來發(fā)揮核心作用。它還反映了我們在Wyss研究所關(guān)注合作所固有的力量，因為它吸取了洞察力和來自Conor Walsh的生物設(shè)計實(shí)驗室和Rob Wood的Microrobotics實(shí)驗室的靈感，這些實(shí)驗室是我們Bioinspired機(jī)器人平臺的核心，“Wyss創(chuàng)始總監(jiān)Donald Ingber博士，醫(yī)學(xué)博士，同時也是哈佛醫(yī)學(xué)院血管生物學(xué)的Judah Folkman教授。學(xué)校(HMS)和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項目，以及SEAS的生物工程教授。