有弹性的织物传感器 适用于可穿戴式机器人

可穿戴技术 - 从心率监测器到虚拟现实耳机 - 在消费者和研究领域都大受欢迎,但大多数检测和传输可穿戴设备数据的电子传感器都是由坚硬,不灵活的材料制成,可以限制两者佩戴者的自然运动和收集数据的准确性。现在,Wyss生物启发工程研究所和哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的一组研究人员创造了一种高灵敏度的软电容式传感器,由硅胶和织物制成,可以移动和弯曲人体以不引人注目的方式准确地检测出运动。

“我们对这款传感器感到非常兴奋,因为通过在其结构中利用纺织品,它本质上适合与织物整合以制造'智能'机器人服装,”相应的作者Conor Walsh博士说,他是核心教员。 Wyss研究所和SEAS工程与应用科学副教授John L. Loeb。“此外,我们设计了一种独特的批量生产工艺,使我们能够创建具有统一特性的定制形状传感器,从而可以根据特定应用快速制造它们,”共同作者Ozgur Atalay博士说。 ,Wyss学院博士后研究员。该研究发表在最新一期的Advanced Materials Technologies上,该协议作为哈佛生物设计实验室的软机器人工具包的一部分提供。

Wyss团队的技术包括一层薄薄的硅树脂(导电性差的材料)夹在两层镀银导电织物(高导电材料)之间,形成一个电容式传感器。这种类型的传感器通过测量两个电极之间的电场的电容变化或保持电荷的能力来记录运动。“当我们通过从末端拉动传感器来施加应变时,硅树脂层变得更薄并且导电织物层变得更紧密,这改变了传感器的电容,其方式与施加的应变量成比例,因此我们可以测量传感器改变形状的程度,“共同作者,Wyss研究所研究工程师Daniel Vogt解释说。

混合传感器的卓越性能源于其新颖的制造工艺,其中织物附着在硅树脂芯的两侧,附加一层液体硅树脂,随后固化。该方法允许硅树脂填充织物中的一些气隙,将其机械地锁定到硅树脂上并增加可用于分配应变和存储电荷的表面积。这种有机硅纺织品混合物通过利用两种材料的质量提高了对运动的敏感度:强大的互锁织物纤维有助于限制硅树脂在拉伸时变形的程度,并且有机硅有助于织物在去除应变后恢复其原始形状。最后,用导热胶带将薄而柔韧的导线永久地固定在导电织物上,

该团队通过进行应变实验评估了他们的新传感器设计,其中在通过机电测试仪拉伸传感器时进行各种测量。通常,当拉伸弹性材料时,其长度增加而其厚度和宽度减小,因此材料的总面积 - 因此其电容 - 保持不变。令人惊讶的是,研究人员发现传感器的导电面积随着拉伸而增加,导致电容超出预期。“基于有机硅的电容式传感器根据材料的性质灵敏度有限。然而,将硅树脂嵌入导电织物中会形成一个矩阵,可防止硅树脂在宽度方向上收缩,从而提高灵敏度,使其高于裸硅胶的灵敏度。测试”

混合传感器检测到应变施加30毫秒内的电容增加和小于半毫米的物理变化,证实它能够捕获人体尺度上的运动。为了在真实场景中测试该能力,该团队将一组它们集成到一个手套中,以实时测量精细运动手和手指的运动。传感器成功地能够检测到单个手指移动时的电容变化,指示它们随时间的相对位置。“我们的传感器具有更高的灵敏度意味着它能够区分较小的动作,例如轻微地将一个手指左右移动,而不仅仅是整只手是打开还是握紧拳头,”共同作者Vanessa Sanchez解释说。 SEAS生物设计实验室的学生。

虽然这项研究是一个初步的概念验证,但团队对这项技术可以发展的许多未来方向感到兴奋。“这项工作代表了我们越来越关注在机器人系统中利用纺织技术,我们看到了野外动作捕捉的有希望的应用,例如追踪物理性能的运动服装或用于监控家中病人的软临床设备。此外当与基于织物的软致动器结合使用时,这些传感器将实现真正模仿服装的新机器人系统,“Walsh说。

“这项技术开辟了可穿戴诊断和耦合治疗的全新方法,毫无疑问将在家庭医疗保健的未来发挥核心作用。它还反映了我们在Wyss研究所关注合作所固有的力量,因为它吸取了洞察力和来自Conor Walsh的生物设计实验室和Rob Wood的Microrobotics实验室的灵感,这些实验室是我们Bioinspired Robotics平台的核心,“Wyss创始总监Donald Ingber博士,医学博士,同时也是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授。学校(HMS)和波士顿儿童医院的血管生物学项目,以及SEAS的生物工程教授。