據(jù)麥姆斯咨詢報道，伊朗德黑蘭的謝里夫科技大學(xué)（Sharif University of Technology）、德黑蘭大學(xué)（University of Tehran）及意大利技術(shù)研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）的研究人員開發(fā)了一款微流控導(dǎo)向的新型3D結(jié)構(gòu)電阻式軟體傳感器，該傳感器基于凝膠設(shè)計，可拉伸性強。
同時，該傳感器功能多樣，可用于測量拉伸、扭曲及壓力，充分體現(xiàn)了3D結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。與以前使用共晶鎵銦合金（EGaIn）作為導(dǎo)電材料不同的是，研究人員使用了低成本、安全（生物相容）且常見的導(dǎo)電凝膠。
電阻傳感器的基本特性使研究人員能夠準(zhǔn)確預(yù)測其對不同變化的反應(yīng)。理論上，如果導(dǎo)電物體的形狀發(fā)生變化，其電阻也會發(fā)生變化。而如果導(dǎo)電材料在所有軸類元件中具有可變的幾何形狀，則電阻會受到任一軸上的外部刺激影響。為了證明上述理論，首先，研究人員需要高度柔軟的導(dǎo)電材料，其次，導(dǎo)電材料需具有三個可變軸類元件的3D結(jié)構(gòu)。
為此，研究人員開發(fā)出一種將3D微流控通道制作成高拉伸材料（如硅橡膠）的技術(shù)，以實現(xiàn)所有軸上的元件可變。假設(shè)研究人員用導(dǎo)電凝膠（稱為活性部分）填充制作3D微通道。此時，他們將擁有一個具有穩(wěn)定但可變形的3D結(jié)構(gòu)的軟體有源部件，作為高度可拉伸的軟體傳感器，它可以響應(yīng)不同的刺激，例如拉伸、扭曲和壓力。圖1a展示了軟體傳感器（類型1）的特性，該軟體傳感器具有兩個單獨的有源部件（W傳感器和L傳感器），分別用于測量橫向和縱向機械刺激。
圖1 傳感器設(shè)計（類型2）和模擬結(jié)果
圖2a展示了平面結(jié)構(gòu)的1型傳感器。圖2b為雙層結(jié)構(gòu)的2型傳感器，其中通道厚度呈相反方向線性變化，這意味著L型傳感器最厚的部分是W型傳感器最薄的部分，反之亦然。換句話說，2型傳感器的側(cè)視圖呈梯形，旨在添加第三軸元件。之后的研究表明，梯形設(shè)計將使傳感器能夠測量Z軸上的刺激，或者壓力。此外，如圖2c所示，3型傳感器完全采用3D設(shè)計，側(cè)視圖為梯形。圖3為2型軟體傳感器的分解圖。
圖2 三種用于不同測量目的的傳感器設(shè)計：（a）平面結(jié)構(gòu)的1型傳感器；（b）雙層結(jié)構(gòu)的2型傳感器；（c）全3D結(jié)構(gòu)的3型傳感器
圖3 2型傳感器的分解圖
圖4展示了2型軟體傳感器對拉伸、扭曲和壓力的響應(yīng)。通過施加拉伸刺激，L傳感器的響應(yīng)將增高，W傳感器的響應(yīng)會小得多（約為原來的一半）。通過扭轉(zhuǎn)軟體傳感器，W傳感器的響應(yīng)將比L傳感器更顯著。最后，在軟體傳感器的不同位置施加不同于拉伸和扭曲的壓力，傳感器的響應(yīng)完全不同。
如果施加了其中一種刺激，則通過電信號可以看出刺激的類型。軟體傳感器之所以表現(xiàn)出多功能特性，是因為L傳感器在縱向方向上有隔室，拉伸會導(dǎo)致L傳感器的電阻增加。然而，W傳感器在垂直方向上具有較長的隔室，因此，W傳感器因拉伸而產(chǎn)生的電阻變化不會像L傳感器那樣大。
此外，通過扭轉(zhuǎn)軟體傳感器，W傳感器的電阻變化將比L傳感器更顯著。此外，傳感器在側(cè)視圖中呈梯形，因此通過施加壓力，L和W傳感器的電阻將發(fā)生不同的變化。這是設(shè)計3D多功能傳感器的主要思路，通過實驗，很明顯得出，單個軟體傳感器可以用作拉伸、扭曲和壓力傳感器。
圖4 2型傳感器對（a）拉伸、扭轉(zhuǎn)和（b）壓力的響應(yīng)
最后，為了測試制造的軟體傳感器的實際應(yīng)用，研究人員進(jìn)行了四個不同的實驗。首先，一名女性受試者被要求將傳感器（1型）貼合在膝蓋上，并完成特定動作。結(jié)果如圖5a和圖5d1所示。然后使用相同的程序測試手臂肘部上的相同傳感器（圖5b和圖5d2）。
受試者肘部被要求做特定的動作，以證明這些傳感器在物理治療或性能測量中作為測量系統(tǒng)的另一種應(yīng)用。最后，為了總結(jié)一組完整的動作，將相同的傳感器放置在受試者的手腕上，并要求其跟隨做一組包括扭轉(zhuǎn)和彎曲的動作，結(jié)果如圖5c所示。如圖5a~c，該傳感器可以充分測量膝蓋、肘部和手腕等關(guān)節(jié)的運動。它還可以檢測復(fù)雜的動作，如扭動手腕或頸部。
圖5 軟體傳感器在實際應(yīng)用中的效果
綜上所述，該論文介紹了一種制作微流控導(dǎo)向、凝膠基、低成本的全3D電阻式軟體傳感器的新思路。通過該方法，研究人員可以制造各種傳感器，該類傳感器可以量化所有的拉伸、扭曲和壓力。為了展示傳感器的功能，研究人員首先研究了該電阻傳感器背后的基本物理原理，使用有限元模型（FEM）對其中一個傳感器進(jìn)行了模擬。
接著進(jìn)行了一組實驗測試。結(jié)果表明，當(dāng)使用正弦、斜坡、脈沖和PRBS等機械信號進(jìn)行測試時，傳感器是線性且準(zhǔn)確的。該傳感器顯示出對拉伸、扭曲和壓力的多功能響應(yīng)。然而，為了區(qū)分和測量同時施加的所有拉伸、扭曲和壓力，需要更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，如機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，這將在未來進(jìn)行深入研究。
此外，研究人員通過4小時的實驗，證明了新型軟體傳感器的耐用性。最后，傳感器在女性測試對象的膝蓋、肘部和手腕上進(jìn)行了測試。為了評估傳感器的壓力功能，研究人員還制作了一個完整的3D有源鞋墊，并進(jìn)行了測試。利用足部梯度圖顯示結(jié)果。這些結(jié)果證明，新型傳感器有足夠的潛力用于現(xiàn)實世界的應(yīng)用，如醫(yī)療康復(fù)、可穿戴設(shè)備、軟體機器人、智能服裝、步態(tài)分析、運動捕捉、虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）等。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41598-022-25048-x
審核編輯：劉清