研究人員開發用於健康、機器使用的應變感測器

北卡羅來納州立大學的研究人員開發了一種可拉伸應變感測器，該感測器具有前所未有的靈敏度和範圍，使其能夠比以前的技術以更大的運動範圍檢測應變的微小變化。 研究人員透過創建新的健康監測和人機介面設備來展示該感測器的實用性。

他們的研究論文「基於裂紋擴展和張開的高度靈敏、可拉伸和魯棒的應變感測器」發表在該雜誌上ACS 應用材料與介面公司。

應變是材料相對其原始長度變形程度的測量。 例如，如果將橡皮筋拉伸至原始長度的兩倍，則其應變將為 100%。

「測量應變在許多應用中都很有用，例如測量血壓的設備和追蹤身體運動的技術，」該研究論文的通訊作者、安德魯·A·亞當斯機械與航空航天工程傑出教授朱勇說道。州。

「但到目前為止，存在一種權衡。敏感的應變感測器（能夠檢測小變形）不能拉伸很遠。另一方面，可以拉伸到更大長度的感測器通常不是很敏感。新的感測器我們開發的感測器既靈敏又能夠承受顯著的變形，」朱說。 「另一個特點是，即使在過度應變的情況下，感測器也非常堅固，這意味著當施加的應變意外超過感測範圍時，感測器不太可能破裂。”

新感測器由一個銀奈米線網絡嵌入一​​個彈性聚合物。 此聚合物具有均勻深度的平行切口圖案，從材料的任一側交替進行：先從左側切口，然後從右側切口，然後從左側切口，依此類推。

「這種特徵——圖案化的切割——可以在不犧牲靈敏度的情況下實現更大範圍的變形，」論文的第一作者、最近獲得博士學位的吳爽說。 北卡羅來納州立大學畢業。

感測器透過測量電阻的變化來測量應變。 隨著材料的拉伸，阻力會增加。 感測器表面的切口垂直於其拉伸方向。 這有兩件事。 首先，切口使感測器顯著變形。 由於表面的切口拉開，形成鋸齒狀圖案，因此該材料可以承受大幅變形而不會達到斷裂點。 其次，當切口拉開時，這會迫使電訊號傳播得更遠，以之字形上下傳播。

「為了證明新感測器的靈敏度，我們用它們來創建新的可穿戴血壓設備，」朱說。 「並展示了感應器可以變形，我們創造了一種可穿戴設備來監測人背部的運動，這對物理治療很有用。

「我們還展示了人機介面，」吳說。 “具體來說，我們使用該感測器創建了一個可用於控制視頻遊戲的三維觸控控制器。”

「該感測器可以輕鬆融入現有的可穿戴材料，如織物和運動膠帶，方便實際應用，」朱說。 “所有這些都只是表面現象。我們認為，隨著我們繼續研究這項技術，將會有一系列其他應用。”

該論文由博士凱瑟琳·穆迪 (Katherine Moody) 共同撰寫。 北卡羅來納州立大學的學生； 作者：Abhiroop Kollipara，北卡羅來納州立大學前本科生。