Flexibele spanningssensor mogelijk gemaakt door koolstofnanovezels kan ‘lippen lezen’

Wetenschappers van Tsinghua University debuteerden met een flexibel reksensorontwerp dat een hoge gevoeligheid en een breed rekdetectiebereik bereikt op basis van het ontwerp van een geïntegreerd membraan dat zowel parallel uitgelijnde als willekeurig uitgelijnde koolstofnanovezels (CNF) bevat. Het parallel uitgelijnde CNF-membraan vertoont een lage rekdetectielimiet en hoge gevoeligheid, terwijl het willekeurig uitgelijnde CNF-membraan een groot rekdetectiebereik vertoont. Credit: Nano-onderzoekTsinghua universiteit

Draagbare, flexibele spanningssensoren bewaken onopvallend kleine trillingen van de menselijke huid in realtime en met grote nauwkeurigheid, dankzij innovatieve fabricagetechnieken met composietmaterialen. Hoge gevoeligheid en een breed werkbereik zijn belangrijke parameters voor een hoogwaardige spanningssensor, maar het is moeilijk om beide kenmerken op dezelfde sensor te bereiken vanwege beperkingen in structuur en geleidbaarheid.

In een recente studie debuteerden onderzoekers van Tsinghua University met een flexibel reksensorontwerp met een membraan gemaakt van stapelende parallelle en willekeurig uitgelijnde koolstofnanovezels (CNF) die zowel een hoge gevoeligheid als een breed rekdetectiebereik bereiken.

De studie is gepubliceerd in Nano-onderzoek.

Flexibele spanningssensoren hebben toepassingen in gezondheids- en activiteitsmonitoring, slim textiel en interactie tussen mens en machine. Het onderzoeksteam van Tsinghua University ontwierp een flexibele spanningssensor voor een liptaalherkenningssysteem dat mensen met beschadigde stembanden kan helpen bij het navigeren door de dagelijkse communicatie.

“Het lip-taalherkenningssysteem kan zinnen direct en snel vertalen voor mensen met beschadigde stembanden”, zegt eerste auteur Peng Bi van Tsinghua University. “Hierdoor worden de barrières in de dagelijkse communicatie aanzienlijk verminderd.”

Om dit doel te dienen, moet een flexibele sensor in staat zijn om informatie te verzamelen over grote bewegingen van gezichtsspieren en tegelijkertijd subtielere veranderingen te onderscheiden. “De enige manier om aan deze eis te voldoen, is door een flexibele spanningssensor voor te bereiden met zowel een hoge gevoeligheid als een breed spanningsdetectiebereik”, zei Bi.

In tegenstelling tot conventionele sensoren die zijn gemaakt van stijf, volumineus metaal, kunnen flexibele sensoren bewegen en zich aanpassen aan de menselijke huid zonder ongemak te veroorzaken. Deze klasse van sensoren wordt meestal vervaardigd uit elastische polymeren in combinatie met geleidende materialen, zoals grafeen, koolstofnanobuisjes, metalen nanodeeltjes, metalen nanodraden of vloeibare metalen, waardoor ze in kleding kunnen worden geïntegreerd of rechtstreeks op de menselijke huid kunnen worden aangebracht.

Tot nu toe vertoonden de meeste gerapporteerde draagbare spanningssensoren een groot werkbaar spanningsbereik of een hoge gevoeligheid, maar niet beide. Afhankelijk van het materiaal kan een reksensor met een groot rekdetectiebereik meer dan 400% buigen of worden uitgerekt. Een sensor met een groot spanningsdetectiebereik vertoont echter meestal een lage meetfactorwaarde, wat een indicator is van de gevoeligheid, en verwijst naar een beperkt vermogen om minieme trillingen onder de huid te detecteren.

De twee voordelige eigenschappen leken elkaar uit te sluiten: om een ​​hoge gevoeligheid te bereiken, moet de geleidbaarheid van de microstructuurgevoelige laag aanzienlijk veranderen wanneer een trilling wordt gedetecteerd. Omgekeerd, om een ​​breed detectiebereik te bereiken, moet de detectielaag continu geleidend zijn, zelfs onder grote trekbelasting. Als zodanig leek een hoge gevoeligheid met een breed spanningsdetectiebereik buiten bereik, vooral voor sensoren die uit een enkel geleidend medium bestaan.

Bi en het Tsinghua University-team bedachten een strategie om beide gewenste functies tegelijkertijd te realiseren.

Wanneer de koolstofnanovezels van een membraan parallel zijn uitgelijnd (p-CNF), vertoont het membraan een lage spanningsdetectielimiet en hoge gevoeligheid, terwijl een willekeurig uitgelijnd CNF (r-CNF)-membraan een breder spanningsdetectiebereik vertoont. Door parallelle en willekeurig uitgelijnde membranen van koolstofnanovezels te stapelen, realiseerden de onderzoekers een flexibele spanningssensor met een hoge gevoeligheid en een breed spanningsdetectiebereik.

“Opmerkelijk genoeg vertoonde de verkregen p / r-CNF-gebaseerde spanningssensor een spanningsdetectielimiet van slechts 0,005% en een ultrahoge meetfactorwaarde van maximaal 1272 voor spanningen van minder dan 0,5%, ” zei Bi. “Tegelijkertijd is de maximale spanningsdetectielimiet 100%, waarmee wordt voldaan aan de vereisten voor het detecteren van de meeste menselijke bewegingen.”

Het team toonde aan dat de sensor grote bewegingen, zoals het buigen van gewrichten, nauwkeurig kon onderscheiden en ook kleine bewegingen zoals gezichtsuitdrukking, oogrotatie, hartslag en spreken kon detecteren.

Als proof of concept ontwikkelden ze een intelligent lip-taalherkenningssysteem door p/r-CNF-spanningssensoren, Arduino en een luidspreker te integreren. Het systeem kan “lippen lezen”, fonetische symbolen correct volgen door lipbewegingen te interpreteren en vervolgens overeenkomstige instructies uitvoeren, zoals uitgangslichten of audiosignalen.

“Het herkenningssysteem heeft het potentieel om mensen met een taalbeperking te helpen, wat het potentieel van deze spanningssensor in gezondheidsbeheer en medische hulp aantoont”, zei Bi.

Op dit moment kan het lip-taalherkenningssysteem slechts beperkte communicatiescenario’s en -locaties aan.

“We zullen toepassingsscenario’s van het lip-taalherkenningssysteem uitbouwen en het draagcomfort en de draagbaarheid verbeteren”, zei Bi. “We hopen dat zo’n draagbaar apparaat een tweede mond kan worden voor mensen met stembandschade en het effect van dit soort letsel op iemands dagelijks leven kan verminderen.”

Het ontwerp met dubbele uitlijningsstructuur van de p/r-CNF-reksensor kan ook worden toegepast in het ontwerp van andere hoogwaardige sensoren.