據麥姆斯咨詢報道，伊朗德黑蘭的謝里夫科技大學（Sharif University of Technology）、德黑蘭大學（University of Tehran）及意大利技術研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）的研究人員開發了一款微流控導向的新型3D結構電阻式軟體傳感器，該傳感器基于凝膠設計，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，充分體現了3D結構的優勢。與以前使用共晶鎵銦合金（EGaIn）作為導電材料不同的是，研究人員使用了低成本、安全（生物相容）且常見的導電凝膠。
電阻傳感器的基本特性使研究人員能夠準確預測其對不同變化的反應。理論上，如果導電物體的形狀發生變化，其電阻也會發生變化。而如果導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電材料，其次，導電材料需具有三個可變軸類元件的3D結構。
為此，研究人員開發出一種將3D微流控通道制作成高拉伸材料（如硅橡膠）的技術，以實現所有軸上的元件可變。假設研究人員用導電凝膠（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定但可變形的3D結構的軟體有源部件，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 傳感器設計（類型2）和模擬結果
圖2a展示了平面結構的1型傳感器。圖2b為雙層結構的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型傳感器的側視圖呈梯形，旨在添加第三軸元件。之后的研究表明，梯形設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設計，側視圖為梯形。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計：（a）平面結構的1型傳感器；（b）雙層結構的2型傳感器；（c）全3D結構的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。通過施加拉伸刺激，L傳感器的響應將增高，W傳感器的響應會小得多（約為原來的一半）。通過扭轉軟體傳感器，W傳感器的響應將比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傳感器因拉伸而產生的電阻變化不會像L傳感器那樣大。
此外，通過扭轉軟體傳感器，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傳感器的電阻將發生不同的變化。這是設計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、扭轉和（b）壓力的響應
最后，為了測試制造的軟體傳感器的實際應用，研究人員進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的另一種應用。最后，為了總結一組完整的動作，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和彎曲的動作，結果如圖5c所示。如圖5a~c，該傳感器可以充分測量膝蓋、肘部和手腕等關節的運動。它還可以檢測復雜的動作，如扭動手腕或頸部。
圖5 軟體傳感器在實際應用中的效果
綜上所述，該論文介紹了一種制作微流控導向、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行了模擬。
接著進行了一組實驗測試。結果表明，當使用正弦、斜坡、脈沖和PRBS等機械信號進行測試時，傳感器是線性且準確的。該傳感器顯示出對拉伸、扭曲和壓力的多功能響應。然而，為了區分和測量同時施加的所有拉伸、扭曲和壓力，需要更復雜的數據分析，如機器學習和深度學習算法，這將在未來進行深入研究。
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，并進行了測試。利用足部梯度圖顯示結果。這些結果證明，新型傳感器有足夠的潛力用于現實世界的應用，如醫療康復、可穿戴設備、軟體機器人、智能服裝、步態分析、運動捕捉、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）等。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41598-022-25048-x
審核編輯：劉清