基于弹性导电体的支持大应变测量的柔性应变传

作者:admin    来源:未知    发布时间:2019-02-12 21:36    浏览量:

  当前的智能可穿戴技术正面临新的挑战和机遇。常规监测例如血流、心率、步数、定位等已经随着基于传统芯片的电子设备,如智能手表、智能手环的普及而充足的发展而至瓶颈。最适合于可穿戴的柔性传感技术,包括柔性传感单元和柔性电路,则开始崭露头角。

  2015年Berkley全球智能穿戴市场报告表明,常规芯片电子设备的市场发展预期已逐渐冷却,而之前仅被约20%消费者了解的智能服装的市场预期则疾速上升[图1]。其中,针对医疗健康和运动的智能穿戴,因其专业性和对传感精度的更高要求,将引领柔性传感技术的前沿。

  运动装备中的织物和纤维有其特有的较为苛刻的工作环境,例如肢体大幅度动作带来的运动服装大应变、织物之间以及皮肤与织物之间的剧烈摩擦;伴随运动中高强度代谢的而产生的大量热量、汗液和汗蒸汽;竞技体育中对舒适度的更高要求以及针对具体体育类别的功能优化(如保温、速干)。这样的终端需求使得运动装备的智能化面临着严峻的挑战。

  智能运动装备的解决方案总的来说有两大类别:一种是最常见和最直接的,即在维持传统运动装备的性能的同时,附加柔性传感单元、传感网络或伺服单元;另一种则是通过从纤维、织物结构做出改良和优化以获取特殊功能。由于运动装备市场本就是具细化的、专业化的趋势,不同功能的智能运动装备所面临的机遇和挑战也分门别类。

  目前智能运动服装所要应对的难点本质上就是在运动环境下保证传感单元、网络的稳定性和可靠性。基于芯片的常规运动监测例如血流、心率已经足够成熟。对于剩余的运动环境下的生理、物理检测需求,将着重覆盖3大类传感技术,力学测量,姿态跟踪,生物电分析。对于力学测量而言,基于弹性导电体的支持大应变测量的柔性应变传感器,压、扭力传感器,将有机会被大量采用(例如织物基底应变\压力传感器)。

  对人体而言,姿态跟踪的本质是关节角度的测量。当前大部分的解决方案是通过在关节两侧附加外挂式的集成了加速度计、陀螺仪、磁感应的微芯片(例如NadiX瑜伽训练服,图3左),但普遍存在漂移导致的时间积分误差,特别是运动中收到冲击而导致测量偏差。真正的柔性的角度传感单元的开发和应用还十分匮乏(当前仅有比萨大学的DeRossi教授的团队在推进,图3右),而且作为测量单元精度仍有待提高。

  另外,足底压力/步态监测较为特殊。对生物电测量来说,比如心电、肌电穿戴设备,最大的挑战在于承载体从设计上需保证电极的最佳工作环境,即在人体上皮肤接触紧密、相对位置稳定、同时保证环境温度、湿度稳定。织物电极可以极大改善舒适度(图4,织物电极心电衣)。对于稳定的电极位置,则要求承载体的刚度有良好的刚度分布。电信号的稳定性还对纤维和织物有透气、温度平衡的要求。

  因此,温度、湿度驱动的智能纤维材料可提高生物电传感的信号可靠性。特别地,由于运动装备更多面临的是散热、排湿、速干需求,因此感温和过热提醒、湿度检测显得并不必要。

  柔性电池、发电单元作为可穿戴设备的最佳驱动力,正开始慢慢取代当前穿戴设备中普遍使用的小体积的固体包装充电型电池。研究前瞻性地开发了诸多基于光能、A爱彩热能和机械能的柔性能量收集单元。对于运动、体育训练而言,虽然热能和机械能的能量转换的基数最大,但是激烈运动往往伴有较高的肢体散热需求,这与依靠热量采集的条件相违背。因此机械能发电单元将会迎来更大的机遇,比如摩擦电和压电。

  但由于当前的导电纤维的耐用和耐水洗性尚未解决,而将金属质导线埋在织物基底的传统的方法只适用于刚度大、变形较小的部分。如何在加入导电线的同时保证织物弹性、舒适、耐汗、耐磨损的性能仍是一个挑战性课题。

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