Flexibler Dehnungssensor, der durch Kohlenstoff-Nanofasern aktiviert wird, kann „Lippen lesen“

Tragbare, flexible Dehnungssensoren überwachen dank innovativer Herstellungstechniken unter Verwendung von Verbundmaterialien unauffällig winzige Vibrationen der menschlichen Haut in Echtzeit und mit großer Genauigkeit. Hohe Empfindlichkeit und ein großer Arbeitsbereich sind Schlüsselparameter für einen hochwertigen Dehnungssensor, aber aufgrund von Einschränkungen in Struktur und Leitfähigkeit ist es schwierig, beide Eigenschaften auf demselben Sensor zu erreichen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie stellten Forscher der Tsinghua-Universität ein flexibles Dehnungssensordesign mit einer Membran vor, die aus gestapelten parallelen und zufällig ausgerichteten Kohlenstoff-Nanofasern (CNF) besteht und sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch einen großen Dehnungserkennungsbereich erreicht.

Die Studie wurde veröffentlicht in Nanoforschung.

Flexible Dehnungssensoren finden Anwendung in der Gesundheits- und Aktivitätsüberwachung, in intelligenten Textilien und in der Mensch-Maschine-Interaktion. Das Forschungsteam der Tsinghua-Universität hat einen flexiblen Dehnungssensor für ein Lippenspracherkennungssystem entwickelt, das Menschen mit geschädigten Stimmbändern helfen kann, sich in der täglichen Kommunikation zurechtzufinden.

„Das Lippenspracherkennungssystem kann Sätze für Menschen mit geschädigten Stimmbändern direkt und schnell übersetzen“, sagte Erstautorin Peng Bi von der Tsinghua-Universität. „Hierdurch werden Barrieren in der alltäglichen Kommunikation deutlich abgebaut.“

Um diesen Zweck zu erfüllen, muss ein flexibler Sensor in der Lage sein, Informationen von großen Bewegungen der Gesichtsmuskeln zu sammeln und gleichzeitig subtilere Veränderungen zu erkennen. „Die einzige Möglichkeit, diese Anforderung zu erfüllen, besteht darin, einen flexiblen Dehnungssensor mit sowohl hoher Empfindlichkeit als auch breitem Dehnungserfassungsbereich herzustellen“, sagte Bi.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren aus starrem, sperrigem Metall können sich flexible Sensoren bewegen und sich an die menschliche Haut anpassen, ohne Beschwerden zu verursachen. Diese Klasse von Sensoren wird typischerweise aus elastischen Polymeren in Kombination mit leitfähigen Materialien wie Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Metall-Nanopartikeln, Metall-Nanodrähten oder flüssigen Metallen hergestellt, wodurch sie in Kleidung integriert oder direkt auf die menschliche Haut geklebt werden können.

Bisher zeigten die meisten gemeldeten tragbaren Dehnungssensoren entweder einen großen praktikablen Dehnungsbereich oder eine hohe Empfindlichkeit – aber nicht beides. Je nach Material kann sich ein Dehnungssensor mit großem Dehnungserfassungsbereich um über 400 % biegen oder dehnen. Ein Sensor mit großem Dehnungserfassungsbereich weist jedoch in der Regel einen niedrigen k-Faktor-Wert auf, der ein Indikator für die Empfindlichkeit ist und auf eine eingeschränkte Fähigkeit hinweist, kleinste Vibrationen unter der Haut zu erfassen.

Die beiden vorteilhaften Eigenschaften schienen sich gegenseitig auszuschließen: Um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, muss sich die Leitfähigkeit der Mikrostruktur-Sensorschicht erheblich ändern, wenn eine Vibration detektiert wird. Um umgekehrt einen großen Erfassungsbereich zu erreichen, sollte die Erfassungsschicht auch unter großer Zugbelastung durchgehend leitfähig sein. Daher schien eine hohe Empfindlichkeit mit einem breiten Dehnungserfassungsbereich unerreichbar zu sein, insbesondere für Sensoren, die aus einem einzigen leitfähigen Medium bestehen.

Bi und das Team der Tsinghua-Universität entwickelten eine Strategie, um beide gewünschten Funktionen gleichzeitig zu realisieren.

Wenn die Kohlenstoff-Nanofasern einer Membran parallel ausgerichtet sind (p-CNF), weist die Membran eine niedrige Dehnungsnachweisgrenze und eine hohe Empfindlichkeit auf, wohingegen eine zufällig ausgerichtete CNF (r-CNF)-Membran einen breiteren Dehnungsnachweisbereich aufweist. Durch das Stapeln paralleler und zufällig ausgerichteter Kohlenstoff-Nanofasermembranen realisierten die Forscher einen flexiblen Dehnungssensor mit hoher Empfindlichkeit und großem Dehnungserfassungsbereich.

„Bemerkenswerterweise zeigte der erhaltene p/r-CNF-basierte Dehnungssensor eine Dehnungserkennungsgrenze von nur 0,005 % und einen ultrahohen k-Faktor-Wert von bis zu 1272 für Dehnungen unter 0,5 %“, sagte Bi. „Gleichzeitig beträgt die maximale Dehnungserkennungsgrenze 100 % und erfüllt damit die Anforderungen zur Erkennung der meisten menschlichen Bewegungen.“

Das Team demonstrierte, dass der Sensor große Bewegungen wie das Beugen von Gelenken genau unterscheiden und auch kleinere Bewegungen wie Gesichtsausdruck, Augendrehung, Puls und Sprechen erkennen kann.

Als Machbarkeitsnachweis entwickelten sie ein intelligentes System zur Erkennung der Lippensprache durch die Integration von p/r-CNF-Dehnungssensoren, Arduino und einem Lautsprecher. Das System kann „Lippen lesen“, phonetische Symbole durch Interpretieren von Lippenbewegungen korrekt verfolgen und dann entsprechende Anweisungen ausführen, wie z. B. Ausgabelichter oder Audiosignale.

„Das Erkennungssystem hat das Potenzial, Menschen mit Sprachbehinderungen zu helfen, und beweist das Potenzial dieses Dehnungssensors im Gesundheitsmanagement und in der medizinischen Versorgung“, sagte Bi.

Derzeit kann das Lippenspracherkennungssystem nur begrenzte Kommunikationsszenarien und -orte bewältigen.

„Wir werden Anwendungsszenarien des Lippenspracherkennungssystems entwickeln und den Tragekomfort und die Tragbarkeit verbessern“, sagte Bi. „Wir hoffen, dass ein solches tragbares Gerät zu einem zweiten Mund für Menschen mit Stimmbandschäden werden und die Auswirkungen dieser Art von Verletzungen auf das tägliche Leben von jemandem mildern kann.“

Das Dual-Alignment-Strukturdesign des p/r-CNF-Dehnungssensors kann auch beim Design anderer Hochleistungssensoren angewendet werden.