Des chercheurs de la North Carolina State University ont développé un capteur de contrainte extensible qui possède une combinaison sans précédent de sensibilité et de portée, lui permettant de détecter même des changements mineurs de contrainte avec une plus grande amplitude de mouvement que les technologies précédentes. Les chercheurs ont démontré l’utilité du capteur en créant de nouveaux dispositifs de surveillance de la santé et d’interface homme-machine.
Leur article de recherche, « Highly Sensitive, Stretchable, and Robust Strain Sensor Based on Crack Propagation and Opening », est publié dans la revue Matériaux appliqués et interfaces ACS.
La déformation est une mesure de la déformation d’un matériau par rapport à sa longueur d’origine. Par exemple, si vous étirez un élastique à deux fois sa longueur d’origine, sa déformation serait de 100 %.
« Et mesurer la tension est utile dans de nombreuses applications, telles que les appareils qui mesurent la pression artérielle et les technologies qui suivent les mouvements physiques », déclare Yong Zhu, auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur émérite Andrew A. Adams de génie mécanique et aérospatial. à NC State.
« Mais à ce jour, il y a eu un compromis. Les capteurs de contrainte qui sont sensibles – capables de détecter de petites déformations – ne peuvent pas être étirés très loin. D’un autre côté, les capteurs qui peuvent être étirés sur de plus grandes longueurs ne sont généralement pas très sensibles. Le nouveau capteur que nous avons développé est à la fois sensible et capable de résister à des déformations importantes », déclare Zhu. « Une caractéristique supplémentaire est que le capteur est très robuste même lorsqu’il est surchargé, ce qui signifie qu’il est peu probable qu’il se brise lorsque la contrainte appliquée dépasse accidentellement la plage de détection. »
Le nouveau capteur est constitué d’un réseau de nanofils d’argent intégré dans un polymère élastique. Le polymère présente un motif de coupes parallèles de profondeur uniforme, alternant de part et d’autre du matériau : une coupe à gauche, suivie d’une à droite, suivie d’une à gauche, etc.
« Cette caractéristique – les coupes à motifs – est ce qui permet une plus grande gamme de déformations sans sacrifier la sensibilité », explique Shuang Wu, qui est le premier auteur de l’article et un récent doctorat. diplômé de NC State.
Le capteur mesure la contrainte en mesurant les changements de résistance électrique. Au fur et à mesure que le matériau s’étire, la résistance augmente. Les découpes à la surface du capteur sont perpendiculaires à la direction dans laquelle il est étiré. Cela fait deux choses. Tout d’abord, les découpes permettent au capteur de se déformer considérablement. Parce que les découpes dans la surface s’ouvrent, créant un motif en zigzag, le matériau peut résister à une déformation substantielle sans atteindre le point de rupture. Deuxièmement, lorsque les coupures s’ouvrent, cela force le signal électrique à voyager plus loin, en montant et en descendant le zigzag.
« Pour démontrer la sensibilité des nouveaux capteurs, nous les avons utilisés pour créer de nouveaux tensiomètres portables », explique Zhu. « Et pour démontrer à quel point les capteurs peuvent être déformés, nous avons créé un appareil portable pour surveiller les mouvements dans le dos d’une personne, qui a une utilité pour la thérapie physique. »
« Nous avons également démontré une interface homme-machine », a déclaré Wu. « Plus précisément, nous avons utilisé le capteur pour créer un contrôleur tactile tridimensionnel qui peut être utilisé pour contrôler un jeu vidéo. »
« Le capteur peut être facilement intégré dans des matériaux portables existants tels que des tissus et des bandes athlétiques, pratiques pour les applications pratiques », a déclaré Zhu. « Et tout cela ne fait qu’effleurer la surface. Nous pensons qu’il y aura une gamme d’applications supplémentaires à mesure que nous continuerons à travailler avec cette technologie. »
L’article a été co-écrit par Katherine Moody, titulaire d’un doctorat. étudiant à NC State; et par Abhiroop Kollipara, ancien étudiant de premier cycle à NC State.
Plus d’information:
Shuang Wu et al, Capteur de déformation hautement sensible, extensible et robuste basé sur la propagation et l’ouverture des fissures, Matériaux appliqués et interfaces ACS (2022). DOI : 10.1021/acsami.2c16741