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研究人员开发用于健康和机器使用的应变传感器
来源:赛斯维传感器网 发表于 2023/2/9

新传感器由嵌入弹性聚合物中的银纳米线网络组成。聚合物具有均匀深度的平行切割图案,从材料的任一侧交替:从左侧切割一个,然后从右侧切割一个,然后从左侧切割一个,依此类推。这种特征 - 图案切割 - 可以在不牺牲灵敏度的情况下实现更大范围的变形。 来源:吴爽,北卡罗来纳州立大学


北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种可拉伸的应变传感器,它具有灵敏度和范围组合,使其能够以比以前的技术更大的运动范围检测应变的微小变化。研究人员通过创建新的健康监测和人机界面设备来展示传感器的实用性。


他们的研究论文“基于裂纹扩展和开放的高度灵敏,可拉伸和坚固的应变传感器”发表在acs applied materials & interfaces杂志上。


应变是衡量材料从其原始长度变形的程度的量度。例如,如果将橡皮筋拉伸到其原始长度的两倍,则其应变将为 100%。


“测量应变在许多应用中都很有用,例如测量血压的设备和跟踪身体运动的技术,”朱勇说,他是该论文的通讯作者,北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程的安德鲁·a·亚当斯杰出教授。

为了证明传感器可以变形多远,研究人员创造了一种可穿戴设备,用于监测人的背部运动,该设备可用于物理治疗。来源:吴爽,北卡罗来纳州立大学


“但到目前为止,已经有一个权衡。能够检测小变形的灵敏应变传感器不能拉伸得太远。另一方面,可以拉伸到更大长度的传感器通常不是很敏感。我们开发的新传感器既灵敏又能够承受明显的变形,“朱说。“另一个特点是,即使在过度应变的情况下,传感器也非常坚固,这意味着当施加的应变意外超过感应范围时,它不太可能断裂。


新传感器由嵌入弹性聚合物中的银纳米线网络组成。聚合物具有均匀深度的平行切割图案,从材料的任一侧交替:从左侧切割一个,然后从右侧切割一个,然后从左侧切割一个,依此类推。


“这个特征 - 图案切割 - 可以在不牺牲灵敏度的情况下实现更大范围的变形,”该论文的作者,近期在北卡罗来纳州立大学获得博士学位的吴爽说。

为了证明传感器在人机界面设备中的实用性,研究人员创建了一个三维触摸控制器,可用于控制视频游戏。来源:吴爽,北卡罗来纳州立大学


传感器通过测量电阻变化来测量应变。随着材料的拉伸,阻力增加。传感器表面的切口垂直于其拉伸方向。这做了两件事。首先,切割允许传感器明显变形。由于表面的切口拉开,形成锯齿形图案,因此材料可以承受实质性变形而不会达到断裂点。其次,当切口拉开时,这迫使电信号进一步传播,沿着锯齿形上下传播。


“为了证明新传感器的灵敏度,我们用它们来制造新的可穿戴血压设备,”朱说。“为了证明传感器可以变形多远,我们创造了一种可穿戴设备来监测人的背部运动,这对物理治疗具有实用性。


“我们还演示了人机界面,”吴说。“具体来说,我们使用传感器创建了一个可用于控制视频游戏的三维触摸控制器。


“该传感器可以很容易地集成到现有的可穿戴材料中,如织物和运动胶带,便于实际应用,”朱说。“而这一切只是触及了表面。我们认为,随着我们继续使用这项技术,将会有一系列额外的应用。


该论文由北卡罗来纳州立大学博士生凯瑟琳·穆迪(katherine moody)共同撰写;以及北卡罗来纳州立大学前本科生abhiroop kollipara。

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