最近，來自美國哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所和約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一種高度靈敏的柔性電容傳感器。它由硅膠和織物組成，能夠隨著人體運(yùn)動(dòng)和彎曲，準(zhǔn)確自如地監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)情況。
如今，從心率監(jiān)測(cè)器到虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，各式各樣的可穿戴技術(shù)產(chǎn)品在消費(fèi)電子市場(chǎng)和研究領(lǐng)域，都呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長和流行的趨勢(shì)。
然而，為了檢測(cè)和傳輸數(shù)據(jù)，這些可穿戴設(shè)備所用的大部分電子傳感器都是由堅(jiān)硬、不可彎曲的材料制成，這樣不僅使得佩戴者的自然運(yùn)動(dòng)受限，而且影響到采集數(shù)據(jù)的精度。
創(chuàng)新
最近，來自哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ）和約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一種高度靈敏的柔性電容傳感器，它由硅膠和織物組成，能夠隨著人體運(yùn)動(dòng)和彎曲，準(zhǔn)確自如地檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)情況。
?。▓D片來源：哈佛大學(xué)維斯研究所）
這項(xiàng)研究的論文發(fā)表于最新一期的《高級(jí)材料技術(shù)》雜志，且該協(xié)議成為了哈佛生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室柔性機(jī)器人工具包的一部分。
技術(shù)
組成
電容傳感器由一層硅膠薄片（一種導(dǎo)電性很差的材料組成），像三明治一般夾在兩層鍍銀的、導(dǎo)電織物（一種高度導(dǎo)電的材料）之間形成。
原理
這種傳感器通過測(cè)量電容的變化來記錄人體運(yùn)動(dòng)。所謂電容，也就是容納電荷的本領(lǐng)，也指兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)。
維斯研究所的研究工程師、論文的合著者之一 Daniel Vogt 稱：
“當(dāng)我們?cè)趥鞲衅鞯囊欢死鞲衅?，施加張力時(shí)，硅膠層會(huì)變薄，導(dǎo)電織物層會(huì)靠的更近，這樣就以一種與施加的張力成比例的方式，改變了傳感器的電容。所以，我們能夠測(cè)量到傳感器的形狀改變了多少。”
工藝
這種混合傳感器的優(yōu)越性能來源于它的新型制造工藝。通過這種制造工藝，織物通過另外一層的液態(tài)硅膠，連接于硅膠核心的兩端。這種方法讓硅膠可以填滿織物中的空氣間隙，機(jī)械地將它鎖在硅膠上，從而增加了用來分散張力和存儲(chǔ)電容的表面區(qū)域。
這種硅膠與織物的混合物，通過充分利用這兩種材料的特性，提高了對(duì)于運(yùn)動(dòng)的靈敏度。在拉升時(shí)，這種強(qiáng)韌、連鎖的織物纖維能夠幫助硅膠限制其形變的程度；而當(dāng)拉力撤銷時(shí)，硅膠則可以幫助織物恢復(fù)其原有的形狀。最后，柔軟的細(xì)線通過熱封膠帶，永遠(yuǎn)連接著這種導(dǎo)電織物，讓來自傳感器的電氣信息無需又硬又笨重的接口，就可以傳輸?shù)诫娐飞稀?/p>
實(shí)驗(yàn)
團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)行張力實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了他們?cè)O(shè)計(jì)的這種新型傳感器。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)傳感器被機(jī)電測(cè)試裝置拉伸時(shí)，研究人員進(jìn)行了各種測(cè)量。一般來說，當(dāng)彈性材料被拉伸的時(shí)候，其長度增加，而厚度和寬度減少，所以材料的總面積不變，也就是它的電容保持不變。出人意料的是，研究人員發(fā)現(xiàn)傳感器受到拉伸時(shí)，導(dǎo)電面積增加，電容從而比期望的更大。論文的首作者、維斯研究所的博士后研究員 Asli Atalay 稱：
“基于硅膠的電容傳感器由于材料的天然特性，其靈敏度有限。然而，將硅膠嵌入到導(dǎo)電織物中后，創(chuàng)造出一個(gè)基質(zhì)，它能夠防止硅膠橫向地縮小，這樣就將靈敏度提高到我們測(cè)試的裸露硅膠之上?！?/p>
這種混合物傳感器能夠在張力應(yīng)用30毫秒之內(nèi)和物理改變小于半毫米的情況下，測(cè)量出電容的增加，有效地捕捉到人體運(yùn)動(dòng)。為了在現(xiàn)實(shí)世界中測(cè)試這項(xiàng)能力，研究人員將它們整合到一個(gè)手套中，實(shí)時(shí)測(cè)量比較精細(xì)的手部和手指運(yùn)動(dòng)。當(dāng)手指移動(dòng)的時(shí)候，傳感器可以成功地檢測(cè)出電容的變化，指示出它們的相對(duì)位置隨著時(shí)間的變化。
SEAS 生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的研究生、論文的合著者之一 Vanessa Sanchez 解釋道：
“我們的傳感器更高的靈敏度，意味著它具有區(qū)分更細(xì)微運(yùn)動(dòng)的能力，例如從一端到另外一端，輕微地移動(dòng)手指，而不是簡單地張開整個(gè)手或者握緊拳頭?！?/p>
價(jià)值
對(duì)于這項(xiàng)創(chuàng)新研究的價(jià)值，我們來看看專家們?cè)趺凑f。
論文的作者、維斯研究所的核心教員、SEAS 工程和應(yīng)用科學(xué)副教授 John L. Loeb 稱：
“對(duì)于這個(gè)傳感器，我們感到非常興奮。因?yàn)樗杉徔椘分瞥桑蕴焐头浅＿m合集成到織物中，成為‘智能’機(jī)器人服裝?！?/p>
論文的合著者之一、維斯研究所的博士后研究員 Ozgur Atalay 稱：
“另外，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種統(tǒng)一的批量生產(chǎn)工藝，讓我們能夠創(chuàng)造出定制形狀的傳感器，共享統(tǒng)一的特性，并且可以根據(jù)給定的應(yīng)用進(jìn)行快速制造?！?/p>
雖然這項(xiàng)研究還處于概念驗(yàn)證階段，但是團(tuán)隊(duì)對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)未來的發(fā)展方向感到充滿信心。Walsh 說：
“這項(xiàng)研究代表，我們對(duì)于在機(jī)器人系統(tǒng)中利用織物技術(shù)的興趣日益增長，并且我們看到‘在戶外環(huán)境中’捕捉運(yùn)動(dòng)的廣闊前景，例如可監(jiān)測(cè)身體活動(dòng)能力的運(yùn)動(dòng)服，或者在家中監(jiān)測(cè)病人的柔性醫(yī)療設(shè)備。另外，這些傳感器與基于織物的柔性制動(dòng)器相結(jié)合，能讓新型機(jī)器人系統(tǒng)真正地模仿服裝?！?/p>