蘇黎世研究員為動捕柔性紡織衣服研究螺旋狀膨脹紗線電容傳感器
發布時間：04-03 10:01 來源：來源 點擊:
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智能服裝在學術和商業領域的受歡迎程度一直在穩步上升。纖維形式的柔性可拉伸傳感器有吸引力，因為它們可以直接集成為構成我們服裝的一部分，并將其轉化為多功能設備。
由于傳感器和紡織品之間的機械屬性不匹配，而兩者之間的巨大差異可能會導致織造問題，并可能在制造過程中對傳感器造成不可逆轉的損壞。盡管現在有解決方案可以將傳感器直接集成到紡織品中，但它們通常局限于單一傳感機制。柔性纖維傳感器通常有壓阻式、電感式和電容式三種類型。電容式感測機制具有明顯的優點，因為它僅依賴于幾何形狀；并消除了與在壓阻傳感器采用的剛性電極有關的任何問題，例如信號不一致、漂移、滯后等。但與壓阻傳感器相比，電容式傳感器的靈敏度的是一個問題。到目前為止，提高電容式應變傳感器的靈敏度十分有限，因為傳感器的電響應由電容器的幾何形狀和構成電容器的材料的響應所決定。在針對這個問題的研究中，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員選擇采用螺旋狀膨脹紗線作為電容傳感器，并發現了來自不同傳感器配置的意外響應。在實驗中，團隊發現它可以達到同類型傳感器中從未報道過的靈敏度，“可以非常精確地捕捉身體的運動”。
這個研發的關鍵是紗線的結構：內部纖維由導電的彈性橡膠制成。研究人員將一根覆蓋在一層薄塑料中的剛性金屬絲包裹在內部纖維周圍，并形成螺旋狀。這兩種纖維充當電極并產生電場。它們一起形成一個電容器，可以保持電荷。其中，研究人員通過在聚酯纏繞的彈性纖維上采用聚吡咯的氣相聚合來合成彈性和高拉伸性電極，并且通過在導電彈性纖維周圍用銅線螺旋纏繞來進行螺旋制造。通過改變纖維之間的直徑比和螺旋纏繞纖維的節距這兩個因變量，他們能夠改變傳感器的泊松比。他們制作了原型，并通過實驗確定膨脹特性是否與應變系數相關，并發現它不僅影響應變系數，而且影響應變時電容變化。根據初始外部螺旋元件的螺旋繞組的節距，電容變化可以是正，又可以是負。
在正常情況下，電荷波動太小，無法幫助測量身體的運動。然而，這種紗線的屬性非同尋常。與大多數其他材料不同，蘇黎世聯邦理工學院的紗線在拉伸時變厚。因此，紗線對最小的運動都非常敏感。即使稍微拉伸一點，這都會在傳感器的電荷中產生明顯可測量的波動。這使得測量和分析細微變化成為可能。
在將這種紗線縫合到一條彈性跑步緊身褲時，當用戶跑步時，它會以一定的節奏拉伸和松弛。其中，每次移動都會改變兩根纖維之間的間隙，從而改變電場和電容器的電荷，并實現電容式的傳感感應。為了允許紡織品傳感器能夠無線發送電信號，研究人員為其配備了一個由導電紗線制成的環形天線。如上圖所示，天線直接縫在緊身褲中。所以，傳感器和天線一起形成了一個電路，完全集成到衣服中。電信號從可拉伸傳感器傳輸到天線，并以電子設備能夠讀取的特定頻率傳輸電信號。穿著者暈動，傳感器移動，并產生一個頻率持續波動的信號模式，然后電子設備可以實時記錄和評估。在實驗中，團隊表示，他們的研究原型可以達到從未報道過的靈敏度，“可以非常精確地捕捉身體的運動”。將HL增加到8mm（E3W1-8）導致應變靈敏度因數增加超過理論極限，達到2的值，這與飽脹性的增加相吻合。將HL進一步增加到15 mm（E3W1-15），產生了獲得的最大應變靈敏度因數，能夠重復應變到10%，并且具有4的應變靈敏度因數。同時，他們的螺旋狀膨脹紗線傳感器相對容易制造，包括氣相電極合成的多功能性，并且由于柔性紗線結構而能夠作為獨立的傳感器使用，以及可以相對容易地集成到紡織品之中。當然，團隊坦誠他們依然需要不斷優化和改善研究。
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