Тензометрический сенсор, использующий свет для мониторинга здоровья

Ученые из корейского Института науки и технологий (KAIST) разработали новый носимый тензометрический сенсор, действие которого основано на модуляции оптической пропускающей способности эластомера с встроенными в него углеродными нанотрубкпми (УНТ). Сенсор способен с высокой чувствительностью стабильно и непрерывно измерять физические сигналы. Эта технология демонстрирует огромный потенциал для обнаружения малозаметных человеческих движений и мониторинга параметров осанки тела в реальном времени для применения в медицине.

Носимый тензосенсор должен обладать высокой чувствительностью, гибкостью и растяжимостью, а также низкой стоимостью. Датчики, используемые специально для мониторинга состояния здоровья, должны также обеспечивать долговременную надежную работу и быть экологически устойчивыми. Для удовлетворения всех этих требований уже были разработаны различные растяжимые тензодатчики, работа которых основана на пьезорезистивном и емкостном принципе.

Традиционные пьезорезистивные тензодатчики, использующие функциональные наноматериалы, в том числе УНТ, показали высокую чувствительность и отличные характеристики измерения. Однако они страдают от низкой долговременной стабильности и линейности, а также значительного гистерезиса сигнала. В качестве альтернативы были предложены пьезоемкостные тензодатчики с лучшей стабильностью, меньшим гистерезисом и более высокой растяжимостью. Но в связи с тем, что такие тензодатчики обладают ограниченной чувствительностью и сильными электромагнитными помехами, вызванными проводящими объектами в окружающей среде, такие гибкие тензосенсоры до сих пор имеют ограничения, которые еще предстоит устранить.

Исследовательская группа KAIST решили создать оптический тензосенсор, поскольку эта технология обладает высокой стабильностью и в меньшей степени подвержена влиянию помех окружающей среде. Новый сенсор основан на изменении светопропускания эластомера с внедренными в него УНТ, который дополнительно решает проблему низкой чувствительности обычных оптических растягивающихся тензодатчиков.

В качестве эластомерной подложки с хорошей механической прочностью и гибкостью используется Ecoflex, при этом новый оптический носимый тензодатчик показывает широкий динамический диапазон от 0 до 400%.

Кроме того, ученым удалось существенно улучшить оптическую пропускающую способность эластомерной пленки, что позволило получить сенсор с чувствительностью в 10 раз выше, чем у обычных растягивающихся оптических тензосенсоров.

Используя разработанный датчик, команда исследователей могла измерить сгибание пальцев и использовать его для управления роботом. Они также разработали трехосную матрицу датчиков для контроля положения тела. Датчик мог отслеживать движения человека с небольшими деформациями, такими как пульс вблизи сонной артерии и движение мышц вокруг рта во время разговора.

* Углеродная нанотрубка — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.