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)測人體運(yùn)動(dòng)情況。

如今,，從心率監(jiān)測器到虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，各式各樣的可穿戴技術(shù)產(chǎn)品在消費(fèi)電子市場和研究領(lǐng)域，都呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長和流行的趨勢,。

然而，為了檢測和傳輸數(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)確自如地檢測人體運(yùn)動(dòng)情況。,、

（圖片來源：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。

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,。

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鞲衅鳎┘訌埩r(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，我們能夠測量到傳感器的形狀改變了多少,?！?/p>

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)電測試裝置拉伸時(shí),，研究人員進(jìn)行了各種測量,。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試的裸露硅膠之上,。”

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,。”

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?，所以天生就非常適合集成到織物中,，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)測身體活動(dòng)能力的運(yùn)動(dòng)服,，或者在家中監(jiān)測病人的柔性醫(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>