KAIST-onderzoekers hebben een nieuwe draagbare spanningssensor ontwikkeld op basis van de modulatie van optische transmissie van een in koolstof nanobuis (CNT) ingebed elastomeer. De sensor is in staat om gevoelige, stal, en continue meting van fysieke signalen. Deze technologie, in het nummer van 4 maart van ACS Toegepaste Materialen &Interfaces als voorbladartikel, toont een groot potentieel voor de detectie van subtiele menselijke bewegingen en de realtime monitoring van lichaamshoudingen voor toepassingen in de gezondheidszorg.

Een draagbare reksensor moet een hoge gevoeligheid hebben, flexibiliteit, en rekbaarheid, evenals lage kosten. Degenen die speciaal voor gezondheidsmonitoring worden gebruikt, moeten ook worden gekoppeld aan solide prestaties op de lange termijn, en ecologisch stabiel zijn. Om aan al deze eisen te voldoen, zijn verschillende rekbare reksensoren ontwikkeld op basis van piëzo-resistieve en capacitieve principes.

Conventionele piëzo-resistieve reksensoren die functionele nanomaterialen gebruiken, inclusief CNT's als het meest voorkomende voorbeeld, hebben een hoge gevoeligheid en geweldige detectieprestaties laten zien. Echter, ze lijden aan een slechte stabiliteit en lineariteit op lange termijn, evenals een aanzienlijke signaalhysterese. Als een alternatief, piëzo-capacitieve reksensoren met betere stabiliteit, lagere hysterese, en hogere rekbaarheid zijn gesuggereerd. Maar vanwege het feit dat piëzo-capacitieve spanningssensoren een beperkte gevoeligheid en sterke elektromagnetische interferentie vertonen die wordt veroorzaakt door de geleidende objecten in de omgeving, deze conventionele rekbare reksensoren hebben nog steeds te maken met beperkingen die nog moeten worden opgelost.

Een KAIST-onderzoeksteam onder leiding van professor Inkyu Park van de afdeling Werktuigbouwkunde suggereerde dat een rekbare spanningssensor van het optische type een goed alternatief kan zijn om de beperkingen van conventionele piëzo-resistieve en piëzo-capacitieve spanningssensoren op te lossen, omdat ze een hoge stabiliteit hebben en minder last hebben van omgevingsinvloeden. Het team introduceerde vervolgens een optische draagbare spanningssensor op basis van de lichttransmissieveranderingen van een in CNT ingebed elastomeer, waarmee het probleem van de lage gevoeligheid van conventionele optische rekbare reksensoren verder wordt aangepakt.

Om een ​​groot dynamisch bereik voor de sensor te bereiken, Professor Park en zijn onderzoekers kozen Ecoflex als een elastomeer substraat met een goede mechanische duurzaamheid, flexibiliteit, en hechtbaarheid op de menselijke huid, en de nieuwe optische draagbare spanningssensor die door de onderzoeksgroep is ontwikkeld, vertoont zelfs een breed dynamisch bereik van 0 tot 400%.

In aanvulling, de onderzoekers verspreidden de microscheuren onder trekspanning in de film van meerwandige CNT's ingebed in het Ecoflex-substraat, het veranderen van de optische transmissie van de film. Door het zo te doen, het was voor hen mogelijk om een ​​draagbare reksensor te ontwikkelen met een gevoeligheid die 10 keer hoger was dan die van conventionele optische rekbare reksensoren.

De voorgestelde sensor heeft ook de duurzaamheidstest met uitstekende resultaten doorstaan. De reactie van de sensor na 13, 000 sets van cyclische belasting was stabiel zonder enige merkbare drift. Dit suggereert dat de sensorrespons kan worden gebruikt zonder degradatie, zelfs als de sensor langdurig en in verschillende omgevingscondities herhaaldelijk wordt gebruikt.

Met behulp van de ontwikkelde sensor, het onderzoeksteam kon de vingerbuigbeweging meten en gebruiken voor robotbesturing. Ze ontwikkelden ook een sensorarray met drie assen voor bewaking van de lichaamshouding. De sensor was in staat om menselijke bewegingen te volgen met kleine spanningen, zoals een puls nabij de halsslagader en spierbewegingen rond de mond tijdens de uitspraak.

Professor Park zei:"In dit onderzoek, onze groep ontwikkelde een nieuw draagbaar spanningssensorplatform dat veel beperkingen van eerder ontwikkelde resistieve, capacitief, en rekbare reksensoren van het optische type. Onze sensor kan op grote schaal worden gebruikt op verschillende gebieden, waaronder zachte robotica, draagbare elektronica, elektrische huid, gezondheidszorg, en zelfs amusement."