FPC发现又一创新柔性传感器

文章来源：IntelligentThings作者：邓灵芝查看手机网址

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人气：5351发布日期：2017-07-17 05:21【大中小】

如今，从心率监测器到虚拟现实头盔，各式各样的可穿戴技术产品在消费电子市场和研究领域，都呈现出爆发性增长和流行的趋势。然而，为了检测和传输数据，这些可穿戴设备所用的大部分电子传感器都是由坚硬、不可弯曲的材料制成，很少说是用类似FPC这种柔性材料制作。这样不仅使得佩戴者的自然运动受限，而且影响到采集数据的精度。

创新

最近，来自哈佛大学维斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ）和约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的研究人员组成的团队创造出一种高度灵敏的柔性电容传感器，它由硅胶和织物组成，能够随着人体运动和弯曲，准确自如地检测人体运动情况。

组成

电容传感器由一层硅胶薄片（一种导电性很差的材料组成），像三明治一般夹在两层镀银的、导电织物（一种高度导电的材料）之间形成。

原理

这种传感器通过测量电容的变化来记录人体运动。所谓电容，也就是容纳电荷的本领，也指两个电极之间的电场。

维斯研究所的研究工程师、论文的合著者之一 Daniel Vogt 称：

“当我们在传感器的一端拉拽传感器，施加张力时，硅胶层会变薄，导电织物层会靠的更近，这样就以一种与施加的张力成比例的方式，改变了传感器的电容。所以，我们能够测量到传感器的形状改变了多少。”

工艺

这种混合传感器的优越性能来源于它的新型制造工艺。通过这种制造工艺，织物通过另外一层的液态硅胶，连接于硅胶核心的两端。这种方法让硅胶可以填满织物中的空气间隙，机械地将它锁在硅胶上，从而增加了用来分散张力和存储电容的表面区域。

这种硅胶与织物的混合物，通过充分利用这两种材料的特性，提高了对于运动的灵敏度。在拉升时，这种强韧、连锁的织物纤维能够帮助硅胶限制其形变的程度；而当拉力撤销时，硅胶则可以帮助织物恢复其原有的形状。最后，柔软的细线通过热封胶带，永远连接着这种导电织物，让来自传感器的电气信息无需又硬又笨重的接口，就可以传输到电路上。

实验

团队通过进行张力实验，评估了他们设计的这种新型传感器。在实验中，当传感器被机电测试装置拉伸时，研究人员进行了各种测量。一般来说，当弹性材料被拉伸的时候，其长度增加，而厚度和宽度减少，所以材料的总面积不变，也就是它的电容保持不变。出人意料的是，研究人员发现传感器受到拉伸时，导电面积增加，电容从而比期望的更大。论文的首作者、维斯研究所的博士后研究员 Asli Atalay 称：“基于硅胶的电容传感器由于材料的天然特性，其灵敏度有限。然而，将硅胶嵌入到导电织物中后，创造出一个基质，它能够防止硅胶横向地缩小，这样就将灵敏度提高到我们测试的裸露硅胶之上。”

这种混合物传感器能够在张力应用30毫秒之内和物理改变小于半毫米的情况下，测量出电容的增加，有效地捕捉到人体运动。为了在现实世界中测试这项能力，研究人员将它们整合到一个手套中，实时测量比较精细的手部和手指运动。当手指移动的时候，传感器可以成功地检测出电容的变化，指示出它们的相对位置随着时间的变化。

SEAS 生物设计实验室的研究生、论文的合著者之一 Vanessa Sanchez 解释道：“我们的传感器更高的灵敏度，意味着它具有区分更细微运动的能力，例如从一端到另外一端，轻微地移动手指，而不是简单地张开整个手或者握紧拳头。”

价值

对于这项创新研究的价值，我们来看看专家们怎么说。

论文的作者、维斯研究所的核心教员、SEAS 工程和应用科学副教授 John L. Loeb 称：“对于这个传感器，我们感到非常兴奋。因为它由纺织品制成，所以天生就非常适合集成到织物中，成为‘智能’机器人服装。”

论文的合著者之一、维斯研究所的博士后研究员 Ozgur Atalay 称：“另外，我们已经设计出一种统一的批量生产工艺，让我们能够创造出定制形状的传感器，共享统一的特性，并且可以根据给定的应用进行快速制造。”虽然这项研究还处于概念验证阶段，但是团队对于这项技术未来的发展方向感到充满信心。Walsh 说：“这项研究代表，我们对于在机器人系统中利用织物技术的兴趣日益增长，并且我们看到‘在户外环境中’捕捉运动的广阔前景，例如可监测身体活动能力的运动服，或者在家中监测病人的柔性医疗设备。另外，这些传感器与基于织物的柔性制动器相结合，能让新型机器人系统真正地模仿服装。”