Elastīgi sensori: jaunas paaudzes uztveres tehnoloģija, lai padarītu tehnoloģiju mīkstu

Ievads: No cietās līdz mīksto tehnoloģiju revolūcijai

 

Tradicionālā iespaidā elektroniskās ierīces vienmēr ir cietas un aukstas, taču, attīstoties zinātnei un tehnoloģijām, jauna veida sensori, kas spēj saliekt, salocīt un pat izstiept - elastīgos sensorus, klusi maina šo uztveri. Elastīgie sensori ne tikai pārkāpj tradicionālo sensoru ierobežojumu fizisko formu, bet arī cilvēku-datoru mijiedarbība, veselības uzraudzība un citas jomas ir radījušas revolucionāras inovācijas iespējas.

Ⅰ. KAS IR AElastīgs SENSORS?

 

Elastīgs sensors ir elastīgs materiāls, kas izgatavots no elektroniskām sensora ierīcēm, kas var izturēt locīšanu, locīšanu, stiepšanu un citas deformācijas, neietekmējot tā darbību. Salīdzinot ar tradicionālajiem cietajiem sensoriem, tam ir šādas nozīmīgas īpašības:

 

Materiāla īpašības: polimēru, nanomateriālu, elastomēru un citu elastīgu substrātu izmantošana

 

Mehāniskās īpašības: lokāms (izliekuma rādiuss līdz milimetriem), staipāms (dažus veidus var izstiept vairākas reizes par sākotnējo garumu).

 

Strukturālā projektēšana: plāna-plēve, šķiedra vai trīsdimensiju elastīga struktūra

 

Funkciju uzturēšana: saglabājiet sensora precizitāti deformācijas gadījumā

 

Elastīgo sensoru darbības princips ir līdzīgs tradicionālajiem sensoriem, jo ​​tie pārveido fiziskus (piem., spiedienu, temperatūru, deformāciju) vai ķīmiskus lielumus izmērāmos elektriskos signālos, bet īpatnība ir tā, kā šī funkcija tiek realizēta vienlaikus. Īpaša iezīme ir realizēt šo funkciju, vienlaikus saglabājot materiāla elastību un deformējamību.

 

Ⅱ. GALVENIE VEIDIElastīgie sensori

 

Atkarībā no dažādiem noteikšanas objektiem elastīgos sensorus iedala šādās kategorijās:

1. Elastīgi spiediena sensori

Princips: spiediena noteikšana, mainot pretestību, kapacitāti vai pjezoelektrisko efektu

Raksturlielumi: Augsta jutība, nosaka plašu spiediena diapazonu no viegla pieskāriena līdz smagam spiedienam

Tipiski lietojumi: elektroniskā āda, viedie tekstilizstrādājumi, viedie tekstilizstrādājumi un citi. Tipiski pielietojumi: elektroniskā āda, viedie tekstilizstrādājumi, robotizēta haptika

2. Elastīgi deformācijas sensori

Princips: Elektriskās pretestības izmaiņu uzraudzība materiāla stiepšanās vai saspiešanas dēļ

Raksturlielumi: Plaša deformāciju diapazona mērīšana (līdz 800% stiepes pagarinājums)

Tipiski pielietojumi: kustību uzraudzība, struktūras veselības pārbaude, valkājamas ierīces

3. Elastīgi temperatūras sensori

Princips: izmanto termoelektriskos vai pretestības temperatūras efektus

Īpašības: Var pielāgot sarežģītām izliektām virsmām sadalītai temperatūras mērīšanai

Tipiski pielietojumi: medicīniskā siltuma terapija, viedais termostata apģērbs

4. Elastīgi bioķīmiskie sensori

Princips: Konkrētas ķīmiskās vielas vai biomarķiera noteikšana, izmantojot bioatpazīšanas elementu

Raksturlielumi: var būt tiešā saskarē ar ķermeņa šķidrumiem,{0}}reāllaika uzraudzība

Tipiski pielietojumi: sviedru sastāva analīze, brūču dzīšanas uzraudzība

 

Ⅲ. GALVENĀS MATERIĀLU TEHNOLOĢIJAS PARElastīgie sensori

 

Sensoru "elastības" realizācijas kodols slēpjas materiālu inovācijā:

Vadītspējīgi materiāli:

Metāla nanovadi (sudraba nanovadi, vara nanovadi)

Oglekļa{0}}materiāli (grafēns, oglekļa nanocaurules)

Vadītspējīgi polimēri (PEDOT: PSS, polianilīns)

Elastīgi substrāti:

PDMS (polidimetilsiloksāns)

Ecoflex sērijas silikona gumija

Termoplastiskie elastomēri, piemēram, poliuretāns

Strukturālais dizains:

Mikroplaisājusi struktūra, lai uzlabotu jutību

Plisēta struktūra, lai uzlabotu stiepes īpašības

Trīsdimensiju poraina struktūra, lai palielinātu gaisa caurlaidību

Šīs materiālu un konstrukciju kombinācijas ļauj elastīgiem sensoriem sasniegt pārsteidzošas mehāniskās īpašības, vienlaikus saglabājot lieliskas elektriskās īpašības.

 

IV. PIEMĒROŠANAS SCENĀRIJI OFElastīgie sensori

 

Elastīgo sensoru pielietojuma iespējas ir ārkārtīgi plašas, iekļūstot gandrīz visās mūsdienu dzīves jomās:

1. Medicīnas un veselības aprūpes jomas

Valkājams veselības monitorings: elastīgi sensori, kas pieguļ ādai, var nepārtraukti uzraudzīt dzīvībai svarīgas pazīmes, piemēram, sirdsdarbības ātrumu, skābekli asinīs, asinsspiedienu utt., kas ir precīzāk un ērtāk nekā tradicionālie viedpulksteņi.

E-āda: taustes atgriezeniskā saite par ekstremitāšu protēzēm, lai palīdzētu amputētajiem atjaunot taustes sajūtu

Vieda brūču pārsiešana: pārraugiet brūces temperatūru, pH un citus rādītājus, lai novērtētu dzīšanas stāvokli

Ķirurģiskais robots: sniedz precīzu spēka atgriezenisko saiti, lai uzlabotu ķirurģisko drošību

2. Sports un fitness

Viedais sporta apģērbs: apģērbs ar elastīgiem sensoriem, lai reāllaikā uzraudzītu muskuļu darbību, stāju un vingrinājumu intensitāti

Sporta traumu profilakse: kustību modeļu analīze, lai savlaicīgi brīdinātu par nepareizām kustībām, kas var izraisīt traumas

Profesionāla sportista apmācība: precīzi nosakiet treniņu efektus un optimizējiet treniņu programmas.

3. Cilvēka-mijiedarbība ar datoru

Elastīgs skārienekrāns: salokāmām un izliektām displeja ierīcēm ir nepieciešami elastīgi skārienjutīgie sensori.

Žestu atpazīšana: elastīgi sensori, kas tiek nēsāti uz rokas, var precīzi tvert sarežģītus žestus. Žestu atpazīšana: elastīgi sensori, kas tiek nēsāti uz rokām, var precīzi tvert sarežģītus žestus

Virtuālā realitāte: sniedziet dabiskāku taustes atgriezenisko saiti, lai uzlabotu iegremdēšanas sajūtu

4. Viedā māja un lietu internets

Viedās mēbeles: viedie matrači ar iebūvētiem{0}}spiediena sensoriem var uzraudzīt miega kvalitāti

Elastīgas elektroniskās etiķetes: Lokamas un deformējamas etiķetes priekšmetu stāvokļa uzraudzībai

Gudrais iepakojums: Pārtikas svaiguma uzraudzība, zāļu uzglabāšanas apstākļi

5. Rūpniecība un drošība

Strukturālās veselības uzraudzība: sensoru tīkli, kas piestiprināti pie konstrukciju, piemēram, tiltu un lidmašīnu, virsmas, lai agrīni atklātu bojājumus

Rūpnieciskā robotika: elastīgi taustes sensori ļauj robotiem droši sadarboties ar cilvēkiem

Inteliģentais aizsargaprīkojums: uzraugiet darbinieku pakļaušanu bīstamai videi

 

V. PRIEKŠROCĪBAS UN IZAICINĀJUMIElastīgie sensori

 

Nozīmīgas priekšrocības:

Izcila piemērotība: pielāgojas plašam sarežģītu virsmu klāstam, sākot no cilvēka ādas līdz rūpnieciskām iekārtām

Ērta pieredze: viegls, plāns un mīksts ilgstošai{0}}nodilšanai bez diskomforta

Daudzfunkcionāla integrācija: uz viena elastīga substrāta var integrēt vairākas sensora funkcijas

Izturīgs: izturīgs pret atkārtotu liekšanu, daži produkti spēj izturēt simtiem tūkstošu lieces ciklu

Izaicinājumi:

Ražošanas procesa sarežģītība. Augsts tehnoloģiskais slieksnis nanomateriālu sagatavošanai un precīzai modelēšanai

Signāla stabilitāte: veiktspējas pasliktināšanās materiāla noguruma dēļ ilgstošas{0}}lietošanas gadījumā

Nepietiekama standartizācija: vienotu darbības novērtēšanas standartu un pārbaudes metožu trūkums

Izmaksu problēmas: daži nanomateriāli ir dārgi, un masveida ražošanas process nav nobriedis

 

VI. NĀKOTNES ATTĪSTĪBAS TENDENCES

 

Elastīgo sensoru tehnoloģija strauji attīstās šādos virzienos:

Pašdarbināma-tehnoloģija: berzes nanoģeneratoru vai saules bateriju apvienošana, lai realizētu enerģijas autonomiju

Bioloģiski noārdāmi sensori: izmanto absorbējamus materiālus, lai samazinātu elektronisko atkritumu daudzumu

Daudzfunkcionāla integrācija: vienlaicīga fizikālo, ķīmisko un bioloģisko parametru noteikšana vienā paraugā

Bezvadu un inteliģents: bezvadu pārraides un malu skaitļošanas iespēju integrācija

Masveida ražošanas tehnoloģija: zemu-izmaksu masveida ražošanas procesi, piemēram, ruļļa-uz-drukāšana

Saskaņā ar tirgus izpētes organizācijas IDTechEx datiem tā prognozē, ka līdz 2030. gadam elastīgās elektronikas tirgus pārsniegs 80 miljardus ASV dolāru, no kuriem nozīmīgu daļu ieņems elastīgie sensori.

 

SECINĀJUMS: MAIGUMS MAINĪS PASAULI

 

Elastīgie sensori atspoguļo paradigmas maiņu sensoru tehnoloģijā no "cietā" uz "mīksto", izjaucot robežas starp elektroniskām ierīcēm un dzīviem organismiem un sniedzot vēl nepieredzētas iespējas veselības aprūpes, sporta un rūpniecības jomās. Sagaidāms, ka līdz ar materiālu zinātnes un ražošanas tehnoloģiju attīstību elastīgie sensori kļūs tikpat populāri kā viedtālruņi, klusi integrējoties mūsu dzīvē un būtiski mainot veidu, kā cilvēki mijiedarbojas ar tehnoloģijām "mīkstā" veidā.

Nākotnē mēs varam redzēt: pilnībā pieguļ elastīgā sensora sirds virsmai, lai agrīni brīdinātu par sirdslēkmi; gudrs apģērbs, izmantojot sviedru analīzi,{0}}veicot vingrojumu programmas reāllaika pielāgojumus; mājas roboti, izmantojot elastīgos taustes sensorus, lai droši parūpētos par veciem cilvēkiem un bērniem. Šo ainu realizācija nav atdalāma no nepārtrauktiem sasniegumiem elastīgo sensoru tehnoloģijā. Ir pienācis elastīgo sensoru laikmets, un tas maina veidu, kā mēs uztveram pasauli maigā, bet dziļā veidā.