Des capteurs de contrainte portables et flexibles surveillent discrètement les minuscules vibrations de la peau humaine en temps réel et avec une grande précision, grâce à des techniques de fabrication innovantes utilisant des matériaux composites. Une sensibilité élevée et une large plage de travail sont des paramètres clés pour un capteur de contrainte de haute qualité, mais il est difficile d’atteindre les deux caractéristiques sur le même capteur en raison des limitations de structure et de conductivité.
Dans une étude récente, des chercheurs de l’Université de Tsinghua ont lancé une conception de capteur de contrainte flexible avec une membrane constituée d’empilement de nanofibres de carbone (CNF) parallèles et alignées de manière aléatoire qui atteint à la fois une sensibilité élevée et une large plage de détection de contrainte.
L’étude a été publiée dans Nano-recherche.
Les capteurs de contrainte flexibles ont des applications dans la surveillance de la santé et de l’activité, les textiles intelligents et l’interaction homme-machine. L’équipe de recherche de l’Université Tsinghua a conçu un capteur de contrainte flexible pour un système de reconnaissance du langage labial qui peut aider les personnes dont les cordes vocales sont endommagées à naviguer dans la communication quotidienne.
« Le système de reconnaissance du langage labial peut traduire directement et rapidement des phrases pour les personnes dont les cordes vocales sont endommagées », a déclaré le premier auteur Peng Bi de l’Université Tsinghua. « Cela réduit considérablement les barrières dans la communication quotidienne. »
Pour atteindre cet objectif, un capteur flexible doit être capable de collecter des informations à partir de grands mouvements des muscles faciaux tout en distinguant des changements plus subtils. « La seule façon de répondre à cette exigence est de préparer un capteur de contrainte flexible avec à la fois une sensibilité élevée et une large plage de détection de contrainte », a déclaré Bi.
Contrairement aux capteurs conventionnels en métal rigide et volumineux, les capteurs flexibles peuvent se déplacer et s’adapter à la peau humaine sans causer d’inconfort. Cette classe de capteurs est généralement fabriquée à partir de polymères élastiques combinés à des matériaux conducteurs, tels que le graphène, les nanotubes de carbone, les nanoparticules métalliques, les nanofils métalliques ou les métaux liquides, ce qui leur permet d’être intégrés dans les vêtements ou d’adhérer directement à la peau humaine.
Jusqu’à présent, la plupart des capteurs de contrainte portables rapportés présentaient soit une large plage de contrainte utilisable, soit une sensibilité élevée, mais pas les deux. Selon le matériau, un capteur de contrainte avec une large plage de détection de contrainte peut fléchir ou s’étirer de plus de 400 %. Cependant, un capteur avec une large plage de détection de contrainte présente généralement une faible valeur de facteur de jauge, qui est un indicateur de la sensibilité, et fait référence à une capacité limitée à détecter de minuscules vibrations sous la peau.
Les deux caractéristiques avantageuses semblaient s’exclure mutuellement : afin d’atteindre une sensibilité élevée, la conductivité de la couche de détection à microstructure doit changer de manière significative lorsqu’une vibration est détectée. Inversement, pour obtenir une large plage de détection, la couche de détection doit être conductrice en continu, même sous une contrainte de traction importante. En tant que tel, une sensibilité élevée avec une large plage de détection de contrainte semblait hors de portée, en particulier pour les capteurs constitués d’un seul milieu conducteur.
Bi et l’équipe de l’Université Tsinghua ont conçu une stratégie pour réaliser simultanément les deux fonctionnalités souhaitées.
Lorsque les nanofibres de carbone d’une membrane sont alignées en parallèle (p-CNF), la membrane présente une faible limite de détection de contrainte et une sensibilité élevée, tandis qu’une membrane CNF alignée de manière aléatoire (r-CNF) présente une plage de détection de contrainte plus large. En empilant des membranes de nanofibres de carbone parallèles et alignées de manière aléatoire, les chercheurs ont réalisé un capteur de contrainte flexible avec une sensibilité élevée et une large plage de détection de contrainte.
« Remarquablement, le capteur de contrainte à base de p/r-CNF obtenu a montré une limite de détection de contrainte aussi petite que 0,005 % et une valeur de facteur de jauge ultra-élevé allant jusqu’à 1272 pour des contraintes inférieures à 0,5 % », a déclaré Bi. « Dans le même temps, sa limite de détection de contrainte maximale est de 100 %, répondant aux exigences de détection de la plupart des mouvements humains. »
L’équipe a démontré que le capteur pouvait distinguer avec précision les grands mouvements tels que la flexion des articulations et également détecter les mouvements mineurs tels que l’expression faciale, la rotation des yeux, le pouls et la parole.
Comme preuve de concept, ils ont développé un système intelligent de reconnaissance du langage labial en intégrant des capteurs de contrainte p/r-CNF, Arduino et un haut-parleur. Le système peut « lire les lèvres », suivre correctement les symboles phonétiques en interprétant les mouvements des lèvres, puis exécuter les instructions correspondantes, telles que les lumières de sortie ou les signaux audio.
« Le système de reconnaissance a le potentiel d’aider les personnes ayant des troubles du langage, prouvant le potentiel de ce capteur de contrainte dans la gestion de la santé et l’assistance médicale », a déclaré Bi.
À l’heure actuelle, le système de reconnaissance du langage labial ne peut faire face qu’à des scénarios et des emplacements de communication limités.
« Nous allons créer des scénarios d’application du système de reconnaissance du langage des lèvres et améliorer le confort et la portabilité du port », a déclaré Bi. « Nous espérons qu’un tel appareil portable pourra devenir une seconde bouche pour les personnes atteintes de lésions des cordes vocales et atténuer l’effet de ce type de blessure sur la vie quotidienne de quelqu’un. »
La conception de la structure à double alignement du capteur de contrainte p/r-CNF peut également être appliquée dans la conception d’autres capteurs hautes performances.
Plus d’information:
Peng Bi et al, Capteur de contrainte ultra-sensible et à large application activé par des nanofibres de carbone avec double alignement pour les interfaces homme-machine, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-5162-0
Fourni par Tsinghua University Press