想想你最喜歡的T恤，你已經(jīng)穿了上百次，洗了很多遍，多到你自己都記不得了，而且還經(jīng)歷過食物飲料弄臟過，被你不斷拉伸過，甚至還有可能靠在爐子上烤焦過。作為一件普普通通的衣服，它表示太難了！
換位思考，如果想要未來智能織物能走進(jìn)千萬家，那就需要制造智能織物的材料能扛得住我們對(duì)它們的上述的蹂躪。
目前，基于軟材料的傳感器技術(shù)在設(shè)備設(shè)計(jì)方面具有廣闊的前景，可提供高度的機(jī)械順應(yīng)性，并在各種領(lǐng)域提供功能，例如軟操縱、可植入或皮膚安裝的電子設(shè)備和可穿戴機(jī)器人。許多已報(bào)告的軟應(yīng)變傳感器機(jī)制都集中于實(shí)現(xiàn)較大的應(yīng)變（例如，> 100％），而相對(duì)較少的集中于小應(yīng)變（例如，<5％）的高靈敏度（即應(yīng)變計(jì)）。
但是，由于阻抗不匹配、低應(yīng)變敏感性以及將不可伸長的聚合物薄膜基設(shè)備集成到高度變形的機(jī)器中的挑戰(zhàn)，這些應(yīng)變儀很少用于柔性系統(tǒng)中。此外，為了促進(jìn)支持傳感器的軟技術(shù)的成熟和廣泛部署，還需要許多傳感器屬性，包括線性應(yīng)變響應(yīng)、應(yīng)變靈敏度、應(yīng)變循環(huán)能力等等。
那么，擺在面前的問題是：設(shè)備能否兼具高機(jī)械彈性和傳感器高靈敏性？
成果簡介
鑒于此，美國哈佛大學(xué) Robert J. Wood，Oluwaseun A. Araromi等人提出了一種基于各向異性電阻結(jié)構(gòu)（SCARS）中應(yīng)變介導(dǎo)的接觸的高靈敏應(yīng)變檢測(cè)的通用轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)械裝置，開發(fā)出一種超靈敏、高度彈性的應(yīng)變傳感器，可以嵌入紡織品和軟機(jī)器人系統(tǒng)中。成果發(fā)表在Nature雜志上。
整體設(shè)計(jì)思路
整體思路也很簡單，主要是利用了中學(xué)物理的基本公式：材料的電阻大小與材料的長度成正比，而與其截面積成反比。具體而言，它主要是依賴于由可拉伸薄膜包裹的堅(jiān)硬、微結(jié)構(gòu)、各向異性導(dǎo)電彎管之間歐姆接觸的變化。
詳細(xì)點(diǎn)來講就是，先將線路曲折，并使曲折相鄰的線路接觸，這就使得兩端電路長度變小，電阻相應(yīng)減小。然后兩端拉伸時(shí)候，曲折線路相鄰的接觸就被慢慢拉開，這導(dǎo)致兩端的電阻增加，直到飽和為止，而飽和時(shí)的曲折跡線之間的接觸面積達(dá)到零。所以，即使應(yīng)變很小，也會(huì)發(fā)生此過程，這是傳感器具有高靈敏度的關(guān)鍵。
圖|SCARS傳感器概述
無需特殊技術(shù)制造
與目前依靠硅或金納米線等奇異材料的高靈敏度可拉伸傳感器不同，該傳感器不需要特殊的制造技術(shù)，甚至不需要潔凈室。而且，SCARS機(jī)械裝置與任何大塊的柔性導(dǎo)電材料都兼容，并能夠使用微加工的高強(qiáng)度導(dǎo)體生產(chǎn)具有超高應(yīng)變敏感性的傳感器。
該機(jī)械裝置具有很高的靈敏度，應(yīng)變靈敏度因數(shù)大于85,000。此外，該傳感機(jī)制還表現(xiàn)出高度的線性度，以及對(duì)彎曲和扭曲變形的不敏感性，這些特征對(duì)于軟機(jī)器的應(yīng)用至關(guān)重要。
汽車碾壓都不是事兒
該傳感器有多強(qiáng)？研究人員展示了SCARS傳感器能夠承受1,000個(gè)應(yīng)變循環(huán)的能力，他們搬來了手術(shù)刀、錘子、洗衣機(jī)、以及汽車，一一對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，最后結(jié)果表示高傳感器還是很能扛打，所有這些對(duì)于可穿戴軟系統(tǒng)都很重要。
圖|展示傳感器的靈敏度和堅(jiān)固性
高靈敏識(shí)別手勢(shì)
為了證明其靈敏度，研究人員將傳感器嵌入到織物臂套中，并要求參與者用不同的手勢(shì)進(jìn)行動(dòng)作，包括拳頭、手掌張開和捏捏動(dòng)作。傳感器通過織物檢測(cè)到受試者前臂肌肉的細(xì)微變化，并且機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠成功地對(duì)這些手勢(shì)進(jìn)行分類，分類準(zhǔn)確率達(dá)88.29％。
圖|演示用于手部動(dòng)作檢測(cè)的基于紡織品的集成傳感器的袖套
小結(jié)：
該袖套系統(tǒng)是首個(gè)非手套、全紡織設(shè)備，可顯示離散和連續(xù)的手部運(yùn)動(dòng)跟蹤以及定性的力施加跟蹤。盡管只經(jīng)過初步探索，該袖套設(shè)備還是在一個(gè)逼真的服裝樣系統(tǒng)中彰顯了SCARS傳感器的功效，能夠檢測(cè)出高柔順性紡織品中的細(xì)微變形。因此，袖套演示傳達(dá)了SCARS傳感器技術(shù)的廣泛適用性，并勾勒了通往未來基于服裝的生物力學(xué)反饋系統(tǒng)、用戶界面和其他軟設(shè)備的有希望的途徑。
智能衣服，正向生活化進(jìn)發(fā)！
參考文獻(xiàn)：
Araromi, O.A., et al. Ultra-sensitive and resilient compliant strain gauges for soft machines. Nature 587, 219–224 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2892-6
