研究人员开发用于健康机器使用的应变传感器

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种可拉伸应变传感器，该传感器具有前所未有的灵敏度和范围组合，使其能够检测到即使是微小的应变变化也比以前的技术具有更大的运动范围。研究人员通过创建新的健康监测和人机界面设备展示了传感器的实用性。

他们的研究论文“基于裂纹传播和开口的高灵敏度、可拉伸和稳健的应变传感器”发表在ACS Applied Materials & Interfaces杂志上。

应变是材料从其原始长度变形多少的量度。例如，如果将橡皮筋拉伸到其原始长度的两倍，则其应变将为 100%。

“测量应变在许多应用中都很有用，例如测量血压的设备和跟踪身体运动的技术，”该论文的通讯作者朱勇说，他是 Andrew A. Adams 机械与航空航天工程杰出教授在北卡罗来纳州。

“但迄今为止，一直存在权衡。敏感的应变传感器——能够检测小变形——不能拉伸很远。另一方面，可以拉伸到更大长度的传感器通常不是很灵敏。新的我们开发的传感器既灵敏又能够承受显着变形，”朱说。“另一个特点是传感器即使在过度应变时也非常坚固，这意味着当施加的应变意外超过感应范围时它不太可能损坏。”

新传感器由嵌入弹性聚合物的银纳米线网络组成。聚合物具有均匀深度的平行切口图案，从材料的任一侧交替进行：从左侧切割一个，然后从右侧切割一个，然后从左侧切割一个，依此类推。

“这种特征——带图案的切口——能够在不牺牲灵敏度的情况下实现更大范围的变形，”该论文的第一作者、最近获得博士学位的 Shuang Wu 说。毕业于北卡罗来纳州立大学。

传感器通过测量电阻的变化来测量应变。随着材料的拉伸，阻力增加。传感器表面的切口垂直于它的拉伸方向。这有两件事。首先，切口会使传感器发生显着变形。由于表面上的切口拉开，形成锯齿形图案，因此材料可以承受大幅变形而不会达到断裂点。其次，当切口拉开时，这会迫使电信号传播得更远，以之字形上下传播。

“为了证明新传感器的灵敏度，我们用它们来制造新的可穿戴血压设备，”朱说。“为了证明传感器可以变形到什么程度，我们创造了一种可穿戴设备，用于监测人背部的运动，可用于物理治疗。”

“我们还展示了人机界面，”吴说。“具体来说，我们使用传感器创建了一个可用于控制视频游戏的三维触摸控制器。”

“该传感器可以很容易地集成到现有的可穿戴材料中，例如织物和运动胶带，便于实际应用，”朱说。“而所有这一切都只是触及表面。我们认为，随着我们继续使用这项技术，将会有一系列额外的应用。”

该论文由 Katherine Moody 博士合着。北卡罗来纳州立大学的学生;和 Abhiroop Kollipara，北卡罗来纳州立大学的前本科生。

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