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據麥姆斯咨詢報道，近日，浙江大學楊賡研究員課題組設計了一種基于軟質聚氨酯（PU）海綿和碳納米管（CNT）的新型應變傳感器，用于人體關節的運動捕捉。PU-CNT海綿獨特的三維（3D）多孔微結構為傳感器提供了高靈敏度。為了彌補這種應變傳感器在高靈敏度和高伸縮性之間的互相制約，提出了一種優化幾何參數的菱形網格結構，結合預壓縮設計，用于應變傳感器的原型設計，這使得傳感器在拉伸過程中具有額外的伸長率。所提出的PU-CNT應變傳感器具有良好的傳感性能，可拉伸性高達300%，最大應變系數為3893，同時具有長期耐用性，低檢測極限和快速響應能力。最后，研究人員通過將應變傳感器部署在人體肘部來實現機械臂的遙操作，并通過機器人的數字孿生模型對其進行實時監控，從而對應變傳感器進行了驗證。
基于菱形網格結構的PU-CNT應變傳感器的設計和應用實例
在本研究中，所提出的應變傳感器主要由柔性多孔基底、導電填料、彈性體封裝層和用于電氣互連的導線組成。一種柔性PU海綿被用作多孔基底，因為它具有很大的彈性，且重量輕。為了提高應變傳感器的可拉伸性，將PU基底的中間區域設計為45°內角的菱形網格結構。菱形幾何形狀的可變形性賦予了傳感器預壓縮的空間。選擇導電性優異的CNT涂覆在PU海綿支架上，形成導電骨架。PU-CNT海綿經過預壓縮，進一步提高應變傳感器的可拉伸性。為了保持應變傳感器的預壓縮狀態，傳感器的每個表面都覆蓋一層1 mm的硅橡膠層。值得注意的是，所采用的硅橡膠的拉伸性遠遠高于預壓縮的PU-CNT海綿，從而避免對所提出的應變傳感器拉伸性的影響。為了實現電氣互連，在傳感器的頂部和底部插入直徑為0.2 mm的銅線，兩者都垂直于傳感器的拉伸方向。
PU-CNT應變傳感器原型設計
PU-CNT應變傳感器在預壓縮狀態（0-100%應變）和拉伸狀態（100-300%）的較寬工作范圍內均具有良好的重復性和動態穩定性。此外，對微小應變的感知能力也是應變傳感器的重要指標。在1 Hz的動態負載下，該應變傳感器在0.5%應變下的傳感響應基本保持不變。相對電阻變化達到1.4%，這歸因于應變傳感器在預壓縮狀態下的高靈敏度。檢測范圍的下限賦予了應變傳感器對人體關節微小運動檢測的潛力，這對于遙操作場景中操作人員的動作捕捉至關重要。
PU-CNT應變傳感器的綜合傳感性能
為了驗證所提出的PU-CNT應變傳感器作為關節可穿戴設備的應用前景，研究人員將該傳感器附著在膝關節、肘部和腕部三個典型關節上，同時在關節運動過程中實時記錄PU-CNT應力傳感器的傳感信號。實驗結果表明，當三個關節的彎曲程度增大時，傳感器輸出的信號也相應增大。該應變傳感器的響應穩定而靈敏。因此，可以基于PU-CNT應變傳感器的可分辨電阻變化來測量關節的運動。為了進一步驗證PU-CNT應變傳感器在遙操作場景中的實際性能，研究人員將傳感器固定在操作員的肘部，以遠程控制機械臂Jaco2。當操作者依次彎曲肘關節30°、60°、90°、120°時，實現了對jaco2機械臂第三關節的遙操作。
在遙操作場景中的應用
總之，研究人員提出了一種用于人體關節運動捕捉的新型應變傳感器原型。一方面，菱形網格結構與預壓縮設計相結合，為應變傳感器提供了額外的伸長率，從而實現了拉伸性能的提高。另一方面，PU海綿的多孔微結構賦予了傳感器高靈敏度。所提出的PU-CNT應變傳感器具有高達300%的拉伸性和3893的最大應變系數。值得注意的是，該應變傳感器還具有10,000次循環的長期耐用性，以及82 ms的快速響應時間，從而確保了應變傳感器穩定快速的傳感性能。最后，將所開發的傳感器部署在人體關節上進行運動檢測，證明了其在遙操作場景中的應用前景。
