Sensor regangan untuk perangkat elektronik yang dapat dikenakan menggabungkan sensitivitas tinggi dengan jangkauan pengindraan yang besar

Sensor regangan yang lembut dan dapat diregangkan sangat berharga untuk digunakan dalam perangkat elektronik yang dapat dikenakan seperti perangkat pelacak gerak dan sistem pemantauan fisiologis. Namun, saat ini, trade-off antara sensitivitas dan jangkauan penginderaan merupakan tantangan utama. Sensor regangan yang mampu mendeteksi deformasi kecil tidak dapat diregangkan terlalu jauh, sedangkan sensor yang dapat diregangkan lebih jauh biasanya tidak terlalu sensitif.

Saat memantau fisiologi dan gerak manusia, ketegangan kulit berkisar dari di bawah 1% hingga lebih dari 50%. Dengan demikian, sensor terpisah biasanya digunakan untuk mendeteksi regangan halus (seperti yang terkait dengan denyut darah dan pernapasan) dan regangan besar (seperti pembengkokan bagian tubuh). Namun untuk memantau penyakit tertentu, penggunaan satu alat akan lebih baik. Pada penyakit Parkinson, misalnya, sensor harus cukup peka untuk memantau getaran kecil sambil mempertahankan jangkauan yang cukup besar untuk mengukur pergerakan sendi.

Apa yang benar-benar dibutuhkan adalah sebuah sensor tunggal yang dapat dipasang ke bagian tubuh yang berbeda dan dapat secara akurat mengukur berbagai ketegangan pada kulit manusia. Dengan mengingat tujuan ini, sebuah tim di Universitas Negeri Carolina Utara telah mengembangkan sensor regangan resistif lunak yang dapat diregangkan yang menawarkan sensitivitas tinggi, jangkauan pengindraan besar, dan ketahanan tinggi.

“Sensor baru yang kami kembangkan sensitif dan mampu menahan deformasi yang signifikan,” jelas penulis terkait Yong Zhu dalam pernyataan pers. “Fitur tambahannya adalah bahwa sensor ini sangat kuat bahkan saat diregangkan secara berlebihan, yang berarti tidak mungkin pecah saat regangan yang diterapkan secara tidak sengaja melebihi rentang penginderaan.”

Sensor, dijelaskan dalam Bahan & Antarmuka Terapan ACS, mengukur regangan dengan mengukur perubahan hambatan listrik. Perangkat ini terbuat dari jaringan kawat nano perak yang tertanam dalam poli polimer elastis (dimethylsiloxane), dengan serangkaian potongan mekanis di permukaan atasnya, bergantian dari kedua sisi.

Saat sensor diregangkan, potongan akan terbuka. Ini memaksa sinyal listrik untuk bertransisi dari aliran arus seragam melintasi retakan tertutup ke perjalanan lebih jauh di sepanjang jalur konduksi zigzag yang ditentukan oleh retakan terbuka. Dengan demikian resistensi meningkat di bawah regangan yang diterapkan. Pembukaan potongan juga memungkinkan perangkat menahan deformasi substansial tanpa mencapai titik puncaknya. “Fitur ini – potongan berpola – memungkinkan rentang deformasi yang lebih luas tanpa mengorbankan sensitivitas,” kata penulis pertama shuang wu.

Tim melakukan eksperimen dan analisis elemen hingga untuk menilai efek kedalaman, panjang, dan pitch celah pada kinerja sensor. Perangkat yang dioptimalkan menunjukkan faktor pengukur besar (rasio perubahan relatif dalam hambatan listrik terhadap regangan mekanis) sebesar 290.1 dengan rentang penginderaan lebih dari 22%. Itu juga kuat untuk latihan berlebihan dan 1000 siklus pemuatan berulang.

Perangkat bangunan

Untuk mendemonstrasikan beberapa aplikasi potensial dari sensor regangan baru mereka, Zhu, Wu, dan rekannya mengintegrasikannya ke dalam sistem pemantauan kesehatan yang dapat dipakai yang mengukur tingkat gerakan yang sangat berbeda.

Pertama, mereka menggunakan sensor untuk memantau tekanan darah, yang membutuhkan kepekaan yang sangat tinggi. Dengan menggunakan karet gelang untuk mengamankan sensor, mereka meletakkannya di pergelangan tangan sukarelawan untuk mendeteksi gelombang nadi – salah satu sinyal regangan terkecil pada kulit manusia.

Saat darah dipompa melalui vena, ujung sensor tetap berada di tempatnya oleh pita sementara bagian tengahnya diregangkan, membuka retakan di permukaan atasnya.

Para peneliti menunjukkan bahwa pengaturan ini dapat menangkap gelombang nadi dari arteri radial di pergelangan tangan. Dengan menempatkan sensor regangan lain pada arteri brakialis lebih tinggi di lengan dan merekam gelombang denyut kedua secara bersamaan, mereka dapat mengukur kecepatan gelombang denyut rata-rata, memungkinkan penghitungan tekanan darah.

Dalam contoh berikutnya, sensor digunakan untuk memantau ketegangan besar di punggung bawah selama gerakan, yang berguna untuk terapi fisik. Di sini, para peneliti mengintegrasikan sensor dengan pita atletik yang dapat diregangkan dan memasang dua sensor secara paralel di sepanjang tulang belakang di punggung bawah sukarelawan. Mereka juga memasang papan Bluetooth di bagian belakang untuk mengumpulkan dan mengirimkan sinyal penginderaan.

Mulai dari posisi duduk tegak, subjek melakukan serangkaian gerakan sementara sensor memantau ketegangan punggung bagian bawah. Saat mencondongkan tubuh ke depan, kedua sensor merespons dengan peningkatan resistansi. Saat condong ke depan dan miring ke samping, resistansi sensor di sisi yang sesuai tetap mendekati konstan sementara sensor di sisi yang berlawanan menunjukkan resistansi yang meningkat secara substansial.

Fotodioda organik yang dapat diregangkan dapat meningkatkan kinerja perangkat yang dapat dikenakan

Terakhir, untuk mendemonstrasikan penggunaan sensor dalam antarmuka manusia-mesin, para peneliti menciptakan sensor sentuh 3D lembut yang melacak tekanan normal dan tegangan geser serta dapat digunakan untuk mengontrol video game. Mereka juga mengintegrasikan sensor regangan di ujung jari sarung tangan yang kemudian digunakan untuk memegang segelas air, menunjukkan potensinya untuk penginderaan taktil untuk aplikasi robotika.

Tim tersebut sekarang sedang menjajaki penerapan sensor regangan untuk aplikasi biomedis dan olahraga. “Aplikasi biomedis meliputi pemantauan pola gerakan selama rehabilitasi pasien stroke,” kata Zhu Dunia Fisika. “Kami juga sedang mengerjakan pembuatan sensor yang dapat diskalakan.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/