华人科学家发明可拉伸压力传感器用来诊脉和赋予假肢触觉

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在任何软组织中,无论是来自柔软的机器人还是人体皮肤,通过身体表面或内部的物理接触产生的压力不仅是感知触觉交互的主要手段之一,而且还携带有关健康状况的生理信息。

未来,带有先进传感器的软机械手可以帮助诊断和护理患者,或者充当更逼真的假肢。

但是,使用类似人类的传感能力和灵巧性对软机械手进行编码的一个障碍是压力传感器的可拉伸性。尽管压力传感器——机械手需要抓取和拿起物体,甚至从手腕获取脉搏——已经能够弯曲或伸展,但它们的性能受到这种运动的显着影响。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 的研究人员找到了解决这个问题的方法,并设计了一种新的压力传感器,该传感器可以拉伸 50%,同时保持几乎相同的传感性能。它也足够灵敏,可以感应到一张小纸片的压力,并且几乎可以瞬间对压力做出反应。

研究人员将传感器连接到柔软的机械手上,然后该机械手能够使用它从人类手腕获取脉搏波形——每次脉搏中的动态压力模式。结果于 11 月 24 日发表在Science Advances 上,研究人员已经为该技术申请了专利。

可拉伸压力传感器的结构和应变未扰动性能。

( A ) 传感器的三维结构及其等效电路。C es是顶部和底部电极之间的静电电容,C top和C底部分别是离子电介质和电极之间的顶部界面和底部界面的双电层(EDL)电容。间隔物的高度为 350 μm,与金字塔的高度相同。(B)压力传感器在未拉伸(左)和拉伸(右)状态下运行的示意图。( C) 当传感器未拉伸(0% 应变,左)和拉伸(50% 应变,右)时,电容响应作为传感信号对三个重复的压力值。(D)在 0 和 50% 应变下具有硬化微电极(在背面)的微金字塔结构的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。比例尺,500 μm。( E ) 附在手腕上的传感器的照片,没有和有向外弯曲。插图是放大图,显示了传感器在皮肤变形下保持的一致性。

“这是第一个可以拉伸并仍然保持其高灵敏度和快速响应速度的压力传感器,”Asst 说。领导这项研究的王思红教授。“它可能是研究界和医疗保健行业的重要技术。”

特殊的双层设计

创建可用于软机器人的压力传感器一直很困难,因为软机器人的拉伸皮肤可能会给压力传感器带来横向应变。这将另一个机械信号引入系统,使得很难将压力和应变分离为单独的测量。

王思红的研究生 Qi Su 领导了一种通过新型双电层设计工作的传感器的开发。外层由有弹性的导电纳米颗粒糊状物和弹性体组成。里面站立着微小的微金字塔。当压力施加在传感器上时,微锥体会轻微压缩,与电极连接,从而发送有关压力水平的信号。

弹性体材料使传感器具有固有的弹性,但研究人员增加了每个微金字塔底部的刚度,因此即使传感器被拉伸和变形,微金字塔也能保持完整。事实上,即使材料被拉伸至 50%——人体通常需要的拉伸水平——传感器仍保持其高灵敏度。该传感器还被证明是坚固的,在拉伸 500 次后不会失去任何传感能力。

集成传感器到机器人来诊脉

可拉伸压力传感器的应用范围很广,但王指出最近的 COVID-19 大流行证明了他们的迫切需求。许多被困在家里的人只能通过虚拟远程医疗与医生交谈,无法获得所需的诊断或治疗护理。

未来,机器人可以提供这样的服务。王思红和他的团队在柔软的机械手上测试了他们的传感器,该机械手能够使用压力传感器抓住人类手腕并记录脉搏波形。这种机器人还可以使用压力传感器通过将受控的按摩压力施加到身体部位来为患者提供物理治疗。

该传感器还可以充当假肢上的电子皮肤。例如,柔软的机器人假手最终可以感知其手指在拿起物体时感受到的压力。

王思红和他的团队正在努力为机器人手添加多个传感器——将它们扩展到多个手指并添加可以感知纹理的新型传感器——并开始合作设计未来的假肢应用。

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