_ Senzor flexibil de deformare activat de carbon nanofibrele pot „citi buzele”

Senzorii de tensiuni portabili, flexibili, monitorizează discret vibrațiile minuscule ale pielii umane în timp real și cu o mare acuratețe, datorită tehnicilor inovatoare de fabricație care utilizează materiale compozite. Sensibilitatea ridicată și o gamă largă de lucru sunt parametri cheie pentru un senzor de tensiune de înaltă calitate, dar este dificil să se obțină ambele caracteristici pe același senzor din cauza limitărilor de structură și conductivitate.

Într-un studiu recent, cercetătorii de la Universitatea Tsinghua a debutat cu un design flexibil de senzor de deformare, cu o membrană realizată din nanofibre de carbon (CNF) stivuite paralele și aliniate aleatoriu, care realizează atât o sensibilitate ridicată, cât și o gamă largă de detecție a deformarii.

Studiul a fost publicat în Nano Research.

Senzorii flexibili de tensiune au aplicații în monitorizarea sănătății și a activității, textile inteligente și interacțiunea om-mașină. Echipa de cercetare a Universității Tsinghua a proiectat un senzor de tensiune flexibil pentru un sistem de recunoaștere a limbajului buzelor care poate ajuta persoanele cu corzile vocale deteriorate să navigheze în comunicarea zilnică.

„Sistemul de recunoaștere a limbajului buzelor poate traduce direct și rapid propoziții pentru oameni cu corzile vocale deteriorate”, a spus primul autor Peng Bi de la Universitatea Tsinghua. „Acest lucru reduce foarte mult barierele în comunicarea de zi cu zi.”

Pentru a îndeplini acest scop, un senzor flexibil trebuie să poată colecta informații din mișcările mari ale mușchilor faciali, distingând totodată schimbările mai subtile. „Singura modalitate de a îndeplini această cerință este de a pregăti un senzor de deformare flexibil, atât cu sensibilitate ridicată, cât și cu o gamă largă de detecție a deformarii”, a spus Bi.

Spre deosebire de senzorii convenționali din metal rigid și voluminos, senzorii flexibili se pot mișca și se conformează pielii umane fără a provoca disconfort. Această clasă de senzori este de obicei fabricată din polimeri elastici combinați cu materiale conductoare, cum ar fi grafen, nanotuburi de carbon, nanoparticule de metal, nanofire metalice sau metale lichide, ceea ce le permite să fie integrate în îmbrăcăminte sau să adere direct la pielea umană.

Până acum, cei mai mulți senzori de tensiune portabili raportați au arătat fie un interval mare de deformare funcțional, fie o sensibilitate ridicată, dar nu ambele. În funcție de material, un senzor de deformare cu o rază mare de detectare a deformarii se poate îndoi sau poate fi întins cu peste 400%. Cu toate acestea, un senzor cu o gamă mare de detectare a tensiunii prezintă de obicei o valoare scăzută a factorului de măsurare, care este un indicator al sensibilității și se referă la o capacitate limitată de a detecta vibrații minime sub piele.

Cele două avantaje sunt caracteristicile păreau să se excludă reciproc: pentru a obține o sensibilitate ridicată, conductivitatea stratului de detectare a microstructurii trebuie să se schimbe semnificativ atunci când este detectată o vibrație. În schimb, pentru a obține o gamă largă de detectare, stratul de detectare ar trebui să fie continuu conductiv, chiar și în cazul unei tensiuni mari de tracțiune. Ca atare, sensibilitatea ridicată cu o gamă largă de detecție a tensiunii părea a fi la îndemână, în special pentru senzorii formați dintr-un singur mediu conductiv.

Bi și echipa Universității Tsinghua au conceput o strategie pentru a realiza ambele caracteristici dorite. simultan.

Atunci când nanofibrele de carbon ale unei membrane sunt aliniate în paralel (p-CNF), membrana prezintă o limită scăzută de detecție a deformarii și o sensibilitate ridicată, în timp ce o membrană CNF (r-CNF) aliniată aleatoriu prezintă un interval mai larg de detectare a deformarii. Prin stivuirea membranelor din nanofibră de carbon paralele și aliniate aleatoriu, cercetătorii au realizat un senzor flexibil de deformare cu sensibilitate ridicată și gamă largă de detecție a deformarii.

„În mod remarcabil, senzorul de deformare pe bază de p/r-CNF obținut a arătat o limită de detecție a deformarii de până la 0,005% și o valoare a factorului de măsurare ultra-înaltă de până la 1272 pentru tulpini sub 0,5%.” spuse Bi. „În același timp, limita maximă de detecție a tensiunii este de 100%, îndeplinind cerințele pentru detectarea majorității mișcărilor umane.”

Echipa a demonstrat că senzorul poate distinge cu precizie mișcările mari, cum ar fi îndoirea articulațiilor și, de asemenea, poate detecta. mișcări minore, cum ar fi expresia facială, rotația ochilor, pulsul și vorbirea.

Ca dovadă a conceptului, au dezvoltat un sistem inteligent de recunoaștere a limbajului buzelor prin integrarea senzorilor de tensiune p/r-CNF, Arduino și un difuzor. Sistemul poate „citi buzele”, urmărind corect simbolurile fonetice prin interpretarea mișcărilor buzelor și apoi poate executa instrucțiuni corespunzătoare, cum ar fi lumini de ieșire sau semnale audio.

„Sistemul de recunoaștere are potențialul de a ajuta oamenii cu limbaj dizabilități, demonstrând potențialul acestui senzor de tensiune în managementul sănătății și asistență medicală”, a spus Bi.

În prezent, sistemul de recunoaștere a limbajului buzelor poate face față doar unor scenarii și locații de comunicare limitate.

„Vom construi scenarii de aplicare a sistemului de recunoaștere a limbajului buzelor și vom îmbunătăți confortul și portabilitatea purtării”, a spus Bi. „Sperăm că un astfel de dispozitiv purtabil poate deveni o a doua gură pentru persoanele cu leziuni ale corzilor vocale și poate atenua efectul acestui tip de rănire asupra vieții de zi cu zi a cuiva.”

Designul structurii cu aliniere duală a modelului Senzorul de deformare p/r-CNF poate fi aplicat și în proiectarea altor senzori de înaltă performanță.

(Fluierul)