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，能夠隨著人體運動和彎曲,，準(zhǔn)確自如地監(jiān)測人體運動情況,。
如今，從心率監(jiān)測器到虛擬現(xiàn)實頭盔,，各式各樣的可穿戴技術(shù)產(chǎn)品在消費電子市場和研究領(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硬,、不可彎曲的材料制成,，這樣不僅使得佩戴者的自然運動受限，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，能夠隨著人體運動和彎曲,，準(zhǔn)確自如地檢測人體運動情況,。
（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯研究所）
這項研究的論文發(fā)表于最新一期的《高級材料技術(shù)》雜志,，且該協(xié)議成為了哈佛生物設(shè)計實驗室柔性機(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
這種傳感器通過測量電容的變化來記錄人體運動。所謂電容,，也就是容納電荷的本領(lǐng),，也指兩個電極之間的電場。
維斯研究所的研究工程師,、論文的合著者之一 Daniel Vogt 稱：
“當(dāng)我們在傳感器的一端拉拽傳感器,，施加張力時，硅膠層會變薄,，導(dǎo)電織物層會靠的更近,，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,，提高了對于運動的靈敏度,。在拉升時，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，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>
實驗
團(tuán)隊通過進(jìn)行張力實驗,，評估了他們設(shè)計的這種新型傳感器。在實驗中,，當(dāng)傳感器被機(jī)電測試裝置拉伸時,，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,，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?！?/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,，測量出電容的增加，有效地捕捉到人體運動,。為了在現(xiàn)實世界中測試這項能力,，研究人員將它們整合到一個手套中，實時測量比較精細(xì)的手部和手指運動,。當(dāng)手指移動的時候,，傳感器可以成功地檢測出電容的變化，指示出它們的相對位置隨著時間的變化,。
SEAS 生物設(shè)計實驗室的研究生,、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)微運動的能力,，例如從一端到另外一端,，輕微地移動手指，而不是簡單地張開整個手或者握緊拳頭,?！?/p>
價值
對于這項創(chuàng)新研究的價值，我們來看看專家們怎么說,。
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：
“對于這個傳感器,，我們感到非常興奮,。因為它由紡織品制成，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,。”
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>
雖然這項研究還處于概念驗證階段,，但是團(tuán)隊對于這項技術(shù)未來的發(fā)展方向感到充滿信心。Walsh 說：
“這項研究代表,，我們對于在機(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’捕捉運動的廣闊前景，例如可監(jiān)測身體活動能力的運動服,，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器相結(jié)合,，能讓新型機(jī)器人系統(tǒng)真正地模仿服裝,。”