據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，伊朗德黑蘭的謝里夫科技大學(xué)（Sharif University of Technology）、德黑蘭大學(xué)（University of Tehran）及意大利技術(shù)研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）的研究人員開(kāi)發(fā)了一款微流控導(dǎo)向的新型3D結(jié)構(gòu)電阻式軟體傳感器，該傳感器基于凝膠設(shè)計(jì)，可拉伸性強(qiáng)。

同時(shí)，該傳感器功能多樣，可用于測(cè)量拉伸、扭曲及壓力，充分體現(xiàn)了3D結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。與以前使用共晶鎵銦合金（EGaIn）作為導(dǎo)電材料不同的是，研究人員使用了低成本、安全（生物相容）且常見(jiàn)的導(dǎo)電凝膠。

電阻傳感器的基本特性使研究人員能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其對(duì)不同變化的反應(yīng)。理論上，如果導(dǎo)電物體的形狀發(fā)生變化，其電阻也會(huì)發(fā)生變化。而如果導(dǎo)電材料在所有軸類元件中具有可變的幾何形狀，則電阻會(huì)受到任一軸上的外部刺激影響。為了證明上述理論，首先，研究人員需要高度柔軟的導(dǎo)電材料，其次，導(dǎo)電材料需具有三個(gè)可變軸類元件的3D結(jié)構(gòu)。

為此，研究人員開(kāi)發(fā)出一種將3D微流控通道制作成高拉伸材料（如硅橡膠）的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)所有軸上的元件可變。假設(shè)研究人員用導(dǎo)電凝膠（稱為活性部分）填充制作3D微通道。此時(shí)，他們將擁有一個(gè)具有穩(wěn)定但可變形的3D結(jié)構(gòu)的軟體有源部件，作為高度可拉伸的軟體傳感器，它可以響應(yīng)不同的刺激，例如拉伸、扭曲和壓力。圖1a展示了軟體傳感器（類型1）的特性，該軟體傳感器具有兩個(gè)單獨(dú)的有源部件（W傳感器和L傳感器），分別用于測(cè)量橫向和縱向機(jī)械刺激。

圖1 傳感器設(shè)計(jì)（類型2）和模擬結(jié)果

圖2a展示了平面結(jié)構(gòu)的1型傳感器。圖2b為雙層結(jié)構(gòu)的2型傳感器，其中通道厚度呈相反方向線性變化，這意味著L型傳感器最厚的部分是W型傳感器最薄的部分，反之亦然。換句話說(shuō)，2型傳感器的側(cè)視圖呈梯形，旨在添加第三軸元件。之后的研究表明，梯形設(shè)計(jì)將使傳感器能夠測(cè)量Z軸上的刺激，或者壓力。此外，如圖2c所示，3型傳感器完全采用3D設(shè)計(jì)，側(cè)視圖為梯形。圖3為2型軟體傳感器的分解圖。

圖2 三種用于不同測(cè)量目的的傳感器設(shè)計(jì)：（a）平面結(jié)構(gòu)的1型傳感器；（b）雙層結(jié)構(gòu)的2型傳感器；（c）全3D結(jié)構(gòu)的3型傳感器

圖3 2型傳感器的分解圖

圖4展示了2型軟體傳感器對(duì)拉伸、扭曲和壓力的響應(yīng)。通過(guò)施加拉伸刺激，L傳感器的響應(yīng)將增高，W傳感器的響應(yīng)會(huì)小得多（約為原來(lái)的一半）。通過(guò)扭轉(zhuǎn)軟體傳感器，W傳感器的響應(yīng)將比L傳感器更顯著。最后，在軟體傳感器的不同位置施加不同于拉伸和扭曲的壓力，傳感器的響應(yīng)完全不同。

如果施加了其中一種刺激，則通過(guò)電信號(hào)可以看出刺激的類型。軟體傳感器之所以表現(xiàn)出多功能特性，是因?yàn)長(zhǎng)傳感器在縱向方向上有隔室，拉伸會(huì)導(dǎo)致L傳感器的電阻增加。然而，W傳感器在垂直方向上具有較長(zhǎng)的隔室，因此，W傳感器因拉伸而產(chǎn)生的電阻變化不會(huì)像L傳感器那樣大。

此外，通過(guò)扭轉(zhuǎn)軟體傳感器，W傳感器的電阻變化將比L傳感器更顯著。此外，傳感器在側(cè)視圖中呈梯形，因此通過(guò)施加壓力，L和W傳感器的電阻將發(fā)生不同的變化。這是設(shè)計(jì)3D多功能傳感器的主要思路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，很明顯得出，單個(gè)軟體傳感器可以用作拉伸、扭曲和壓力傳感器。

圖4 2型傳感器對(duì)（a）拉伸、扭轉(zhuǎn)和（b）壓力的響應(yīng)

最后，為了測(cè)試制造的軟體傳感器的實(shí)際應(yīng)用，研究人員進(jìn)行了四個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)。首先，一名女性受試者被要求將傳感器（1型）貼合在膝蓋上，并完成特定動(dòng)作。結(jié)果如圖5a和圖5d1所示。然后使用相同的程序測(cè)試手臂肘部上的相同傳感器（圖5b和圖5d2）。

受試者肘部被要求做特定的動(dòng)作，以證明這些傳感器在物理治療或性能測(cè)量中作為測(cè)量系統(tǒng)的另一種應(yīng)用。最后，為了總結(jié)一組完整的動(dòng)作，將相同的傳感器放置在受試者的手腕上，并要求其跟隨做一組包括扭轉(zhuǎn)和彎曲的動(dòng)作，結(jié)果如圖5c所示。如圖5a~c，該傳感器可以充分測(cè)量膝蓋、肘部和手腕等關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。它還可以檢測(cè)復(fù)雜的動(dòng)作，如扭動(dòng)手腕或頸部。

圖5 軟體傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的效果

綜上所述，該論文介紹了一種制作微流控導(dǎo)向、凝膠基、低成本的全3D電阻式軟體傳感器的新思路。通過(guò)該方法，研究人員可以制造各種傳感器，該類傳感器可以量化所有的拉伸、扭曲和壓力。為了展示傳感器的功能，研究人員首先研究了該電阻傳感器背后的基本物理原理，使用有限元模型（FEM）對(duì)其中一個(gè)傳感器進(jìn)行了模擬。

接著進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)使用正弦、斜坡、脈沖和PRBS等機(jī)械信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，傳感器是線性且準(zhǔn)確的。該傳感器顯示出對(duì)拉伸、扭曲和壓力的多功能響應(yīng)。然而，為了區(qū)分和測(cè)量同時(shí)施加的所有拉伸、扭曲和壓力，需要更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，這將在未來(lái)進(jìn)行深入研究。

此外，研究人員通過(guò)4小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，證明了新型軟體傳感器的耐用性。最后，傳感器在女性測(cè)試對(duì)象的膝蓋、肘部和手腕上進(jìn)行了測(cè)試。為了評(píng)估傳感器的壓力功能，研究人員還制作了一個(gè)完整的3D有源鞋墊，并進(jìn)行了測(cè)試。利用足部梯度圖顯示結(jié)果。這些結(jié)果證明，新型傳感器有足夠的潛力用于現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，如醫(yī)療康復(fù)、可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人、智能服裝、步態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)捕捉、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41598-022-25048-x

審核編輯：劉清