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可穿戴弹性光纤可精密跟踪身体运动

来源:康健新视野 2017-10-17 11:23

 

随着各种可穿戴设备的蓬勃发展,对于各种可穿戴传感器的需求日益提升。这些传感器可以贴合于身体也可以整合到衣物内,使得运动员可以更好地监测他们的运动,而理疗专家可以用于帮助患者的康复,也可以帮助电脑游戏和动画做出精细的动作捕获,帮助工程师建立可以做柔和触摸的机器人,或者形成一种新的实时健康监测设备。

其实,想要精确的捕获人体的运动是非常复杂的,我们的手、脚、身体的各个部分、面部表情等,很多时候存在着复杂的弯曲和形变。目前,也存在非常好的电子应变传感器,但是它们往往会受到外部电磁场的影响和限制。

光纤传感器可以很好的避免上述的影响。光纤传感器早已问世,在很多时候已经应用于测量建筑物和桥梁,当光纤弯曲时,光穿过它将受到影响。光纤传感器可以测量这样的变化,然后通过计算机将数据转换成影响桥梁和建筑物的力。但是,目前的光纤传感器材质通常是玻璃或者脆性的塑料,几度的形变就会造成它们的损伤,这使得原有的光纤传感器很难应用于可穿戴设备。

来自清华大学精密测量技术和仪器国家重点实验室的Changxi Yang团队在《Optica》杂志上发表了一项研究,首次演示了一种有弹性的光纤,能够对人体大范围的运动进行传感。

这种新型光纤既灵敏又有弹性,可以检测关节的运动,这与目前使用的光纤传感器有所不同。Yang说:“这项新技术为测量极其巨大的变形提供了一种光纤方法。它可穿戴,可安装,也具有光学纤维固有的优点,如固有的电气安全性和对电磁干扰的免疫力。”

拉伸的难题

传统的光学纤维并不是人体传感的最佳选择,因为它们通常是用坚硬的塑料或玻璃制成的,它们坚硬并且具有脆性,不容易弯曲,例如,硅玻璃纤维可以承受最大的不超过1%的应变,而弯曲的手指关节则会变形超过30%。显然,这样的光纤难以适用于柔韧且复杂的人体形变。

这一障碍意味着迄今为止大多数可穿戴传感器的开发都是基于电子传感器。这些传感器通过测量传感器弯曲时的电阻等电气性能的变化来检测运动。然而,这些系统很难小型化,会失去电荷,对汽车和手机等设备的电磁干扰很敏感。

而一种可弯曲的光纤则可以很好地避免这些问题,并可能创造出比电子产品更稳定、更可持续的可穿戴设备。

材料的筛选

研究人员开始寻找一种纤维,它要可以承受人体运动的弯曲和伸展。他们首先尝试用水凝胶制成的纤维,众所周知水凝胶是一种柔软的胶状物质,它可以承受高达700%的应变。但是水凝胶主要由水组成,因此只能在潮湿的环境中工作。当暴露在空气中时,纤维迅速干燥收缩,这个特点限制了水凝胶作为光纤的材料。

在第二次尝试中,Yang和他的学生Jingjing Guo 和Mengxuan Niu,共同开发了一种由硅制成的纤维,是一种叫做聚二甲基硅氧烷(PDMS)的软聚合物。他们通过将液体硅胶成管状模具加热到80℃40分钟,然后使用水压力推动纤维模具的一端制造了纤维。他们通过一系列精心设计的测试,如反复拉伸,使纤维长度加倍。即使在500个拉伸之后,PDMS纤维仍然恢复到原来的长度。

“我们所制造的PDMS纤维具有很好的机械柔韧性,很容易被捆绑和扭曲,”Yang说。更重要的是,当团队减少了纤维的直径,从2毫米到0.5毫米,纤维的机械强度实际上增加了。

为了使得硅胶纤维具有传感功能,研究人员将一种叫做罗丹明B的荧光染料混入硅胶中。当光线穿过纤维时,一些光被染料吸收——纤维拉伸的越多,染料吸收的光就越多。所以简单地用分光镜测量透射光,就能测量出纤维被拉伸或弯曲的程度,这样它就可以反映出任何它所贴附的身体部位的运动情况。

手套测试

研究人员为了测试这个硅胶光纤是否能够如预想的一般有效,他们通过环氧树脂将纤维粘在橡胶手套上,然后穿着者弯曲和伸展手指来监测它。在这一过程中,他们测量了作用于纤维的应变为36%,与其他使用电子传感器测量的结果一致。

这种传感器在面对更多细微压力的情况下也表现得很好,比如当一个人呼吸或说话时颈部肌肉的微小运动。“所有的结果表明,光学应变传感器可以用来监测各种人类运动,并可能为人机界面的探索提供一种新的方法,”Yang说。(生物谷Bioon.com)

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