Forscher der North Carolina State University haben einen dehnbaren Dehnungssensor entwickelt, der eine beispiellose Kombination aus Empfindlichkeit und Reichweite aufweist und es ihm ermöglicht, selbst geringfügige Dehnungsänderungen mit einem größeren Bewegungsbereich als frühere Technologien zu erkennen. Die Forscher demonstrierten den Nutzen des Sensors, indem sie neue Gesundheitsüberwachungs- und Mensch-Maschine-Schnittstellengeräte entwickelten.
Ihre Forschungsarbeit „Highly Sensitive, Stretchable, and Robust Strain Sensor Based on Crack Propagation and Opening“ wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen.
Dehnung ist ein Maß dafür, wie stark sich ein Material von seiner ursprünglichen Länge verformt. Wenn Sie beispielsweise ein Gummiband auf das Doppelte seiner ursprünglichen Länge dehnen, beträgt seine Dehnung 100 %.
„Und die Belastungsmessung ist in vielen Anwendungen nützlich, beispielsweise bei Geräten, die den Blutdruck messen, und Technologien, die körperliche Bewegungen verfolgen“, sagt Yong Zhu, korrespondierender Autor eines Artikels über die Arbeit und Andrew A. Adams Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering im NC-Staat.
„Aber bisher gab es einen Kompromiss. Empfindliche Dehnungssensoren, die kleine Verformungen erkennen können, können nicht sehr weit gedehnt werden. Auf der anderen Seite sind Sensoren, die auf größere Längen gedehnt werden können, typischerweise nicht sehr empfindlich. Die neuen Der von uns entwickelte Sensor ist sowohl empfindlich als auch in der Lage, erheblichen Verformungen standzuhalten“, sagt Zhu. „Ein weiteres Merkmal ist, dass der Sensor auch bei Überbeanspruchung sehr robust ist, was bedeutet, dass es unwahrscheinlich ist, dass er bricht, wenn die aufgebrachte Belastung versehentlich den Erfassungsbereich überschreitet.“
Der neue Sensor besteht aus einem Silber-Nanodraht-Netzwerk, das in ein elastisches Polymer eingebettet ist. Das Polymer weist ein Muster aus parallelen Schnitten mit einheitlicher Tiefe auf, die sich auf beiden Seiten des Materials abwechseln: ein Schnitt von links, gefolgt von einem von rechts, gefolgt von einem von links und so weiter.
„Dieses Merkmal – die gemusterten Schnitte – ermöglicht einen größeren Verformungsbereich, ohne die Empfindlichkeit zu beeinträchtigen“, sagt Shuang Wu, der Erstautor der Arbeit und kürzlich promoviert. Absolvent der NC State.
Der Sensor misst die Dehnung, indem er Änderungen des elektrischen Widerstands misst. Wenn sich das Material dehnt, erhöht sich der Widerstand. Die Schnitte in der Oberfläche des Sensors sind senkrecht zur Richtung, in der er gedehnt wird. Dies bewirkt zwei Dinge. Erstens ermöglichen die Schnitte, dass sich der Sensor erheblich verformt. Da sich die Schnitte in der Oberfläche aufziehen und ein Zickzackmuster erzeugen, kann das Material erheblichen Verformungen standhalten, ohne die Bruchstelle zu erreichen. Zweitens, wenn sich die Schnitte öffnen, zwingt dies das elektrische Signal, sich weiter zu bewegen und den Zickzack auf und ab zu bewegen.
„Um die Empfindlichkeit der neuen Sensoren zu demonstrieren, haben wir sie verwendet, um neue tragbare Blutdruckgeräte zu entwickeln“, sagt Zhu. „Und um zu demonstrieren, wie weit die Sensoren verformt werden können, haben wir ein tragbares Gerät zur Überwachung der Bewegung im Rücken einer Person entwickelt, das für die Physiotherapie nützlich ist.“
„Wir haben auch eine Mensch-Maschine-Schnittstelle demonstriert“, sagt Wu. „Konkret haben wir den Sensor verwendet, um einen dreidimensionalen Touch-Controller zu erstellen, mit dem ein Videospiel gesteuert werden kann.“
„Der Sensor kann einfach in vorhandene tragbare Materialien wie Stoffe und Sportbänder integriert werden, was für praktische Anwendungen praktisch ist“, sagt Zhu. „Und all dies kratzt nur an der Oberfläche. Wir glauben, dass es eine Reihe zusätzlicher Anwendungen geben wird, wenn wir weiter mit dieser Technologie arbeiten.“
Das Papier wurde von Katherine Moody, einer Ph.D. Student an der NC State; und von Abhiroop Kollipara, einem ehemaligen Studenten an der NC State.
Mehr Informationen:
Shuang Wu et al, Hochempfindlicher, dehnbarer und robuster Dehnungssensor basierend auf Rissausbreitung und -öffnung, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c16741