KAIST-forskare har utvecklat en ny bärbar töjningssensor baserad på moduleringen av optisk transmittans av en kolnanorör (CNT)-inbäddad elastomer. Sensorn kan känsliga, stabil, och kontinuerlig mätning av fysiska signaler. Denna teknik, med i numret av den 4 mars ACS tillämpade material och gränssnitt som en artikel på framsidan, visar stor potential för detektering av subtila mänskliga rörelser och realtidsövervakning av kroppsställningar för vårdtillämpningar.

En bärbar töjningssensor måste ha hög känslighet, flexibilitet, och töjbarhet, samt låg kostnad. De som används speciellt för hälsoövervakning bör också vara knutna till långsiktiga solida prestanda, och vara miljöstabil. Olika töjbara töjningssensorer baserade på piezo-resistiva och kapacitiva principer har utvecklats för att möta alla dessa krav.

Konventionella piezo-resistiva töjningssensorer som använder funktionella nanomaterial, inklusive CNT som det vanligaste exemplet, har visat hög känslighet och bra avkänningsprestanda. Dock, de lider av dålig långsiktig stabilitet och linjäritet, samt betydande signalhysteres. Som ett alternativ, piezo-kapacitiva töjningssensorer med bättre stabilitet, lägre hysteres, och högre töjbarhet har föreslagits. Men på grund av det faktum att piezo-kapacitiva töjningssensorer uppvisar begränsad känslighet och stark elektromagnetisk störning orsakad av de ledande föremålen i den omgivande miljön, dessa konventionella töjbara töjningssensorer står fortfarande inför begränsningar som ännu inte har lösts.

En forskargrupp från KAIST ledd av professor Inkyu Park från institutionen för maskinteknik föreslog att en töjbar töjningssensor av optisk typ kan vara ett bra alternativ för att lösa begränsningarna hos konventionella piezo-resistiva och piezo-kapacitiva töjningssensorer, eftersom de har hög stabilitet och är mindre påverkade av miljöstörningar. Teamet introducerade sedan en optisk bärbar töjningssensor baserad på ljustransmittansförändringarna hos en CNT-inbäddad elastomer, som ytterligare tar itu med problemet med låg känslighet hos konventionella optiska töjbara töjningssensorer.

För att uppnå ett stort dynamiskt område för sensorn, Professor Park och hans forskare valde Ecoflex som ett elastomeriskt substrat med god mekanisk hållbarhet, flexibilitet, och fästbarhet på mänsklig hud, och den nya optiska bärbara töjningssensorn som utvecklats av forskargruppen visar faktiskt ett brett dynamiskt område på 0 till 400 %.

Dessutom, forskarna spred mikrosprickorna under dragpåkänning i filmen av flerväggiga CNT:er inbäddade i Ecoflex-substratet, ändring av filmens optiska transmittans. Genom att göra så, det var möjligt för dem att utveckla en bärbar töjningssensor med en känslighet 10 gånger högre än konventionella optiska töjbara töjningssensorer.

Den föreslagna sensorn har också klarat hållbarhetstestet med utmärkta resultat. Sensorns svar efter 13, 000 uppsättningar av cyklisk belastning var stabil utan någon märkbar drift. Detta tyder på att sensorsvaret kan användas utan försämring, även om sensorn används upprepade gånger under lång tid och under olika miljöförhållanden.

Med hjälp av den utvecklade sensorn, forskargruppen kunde mäta fingerböjningsrörelsen och använde den för robotstyrning. De utvecklade också en treaxlig sensoruppsättning för övervakning av kroppshållning. Sensorn kunde övervaka mänskliga rörelser med små påfrestningar som en puls nära halspulsådern och muskelrörelser runt munnen under uttalet.

Professor Park sa, "I den här studien, vår grupp utvecklade en ny bärbar töjningssensorplattform som övervinner många begränsningar hos tidigare utvecklade resistiva, kapacitiv, och töjbara töjningssensorer av optisk typ. Vår sensor kan användas i stor utsträckning inom en mängd olika områden, inklusive mjuk robotik, bärbar elektronik, elektrisk hud, sjukvård, och till och med underhållning."