Figura 1. L'immagine di copertina di Materiali e interfacce applicati ACS , Volume 12, Problema 9. Credito: Materiali e interfacce applicati ACS
I ricercatori KAIST hanno sviluppato un nuovo sensore di deformazione indossabile basato sulla modulazione della trasmittanza ottica di un elastomero incorporato in un nanotubo di carbonio (CNT). Il sensore è in grado di rilevare, stabile, e misurazione continua di segnali fisici. Questa tecnologia, presenti nel numero del 4 marzo di Materiali e interfacce applicati ACS come articolo di copertina, mostra un grande potenziale per il rilevamento di sottili movimenti umani e il monitoraggio in tempo reale delle posture del corpo per applicazioni sanitarie.
Un sensore di deformazione indossabile deve avere un'elevata sensibilità, flessibilità, e elasticità, oltre che a basso costo. Quelli utilizzati soprattutto per il monitoraggio della salute dovrebbero anche essere legati a solide prestazioni a lungo termine, ed essere ecologicamente stabile. Sono stati sviluppati vari sensori di deformazione estensibili basati su principi piezoresistivi e capacitivi per soddisfare tutti questi requisiti.
Sensori di deformazione piezoresistivi convenzionali che utilizzano nanomateriali funzionali, compresi i CNT come l'esempio più comune, hanno mostrato un'elevata sensibilità e ottime prestazioni di rilevamento. Però, soffrono di scarsa stabilità e linearità a lungo termine, oltre a una notevole isteresi del segnale. In alternativa, sensori di deformazione piezo-capacitivi con migliore stabilità, isteresi inferiore, e una maggiore elasticità sono state suggerite. Ma a causa del fatto che i sensori di deformazione piezo-capacitivi mostrano una sensibilità limitata e una forte interferenza elettromagnetica causata dagli oggetti conduttivi nell'ambiente circostante, questi sensori di deformazione estensibili convenzionali devono ancora affrontare limitazioni che devono ancora essere risolte.
Figura 2. Schema schematico del sensore basato sulle variazioni di trasmittanza ottica del film sottile Ecoflex integrato con CNT. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Un gruppo di ricerca KAIST guidato dal professor Inkyu Park del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ha suggerito che un sensore di deformazione estensibile di tipo ottico può essere una buona alternativa per risolvere i limiti dei sensori di deformazione piezo-resistivi e piezo-capacitivi convenzionali, perché hanno un'elevata stabilità e risentono meno dei disturbi ambientali. Il team ha quindi introdotto un sensore di deformazione indossabile ottico basato sui cambiamenti di trasmissione della luce di un elastomero incorporato in CNT, che affronta ulteriormente il problema della bassa sensibilità dei sensori di deformazione ottici estensibili convenzionali.
Per ottenere un'ampia gamma dinamica per il sensore, Il professor Park e i suoi ricercatori hanno scelto Ecoflex come substrato elastomerico con una buona durabilità meccanica, flessibilità, e attaccabilità sulla pelle umana, e il nuovo sensore di deformazione ottico indossabile sviluppato dal gruppo di ricerca mostra effettivamente un ampio intervallo dinamico dallo 0 al 400%.
Inoltre, i ricercatori hanno propagato le microfessure sotto sforzo di trazione all'interno del film di CNT a parete multipla incorporati nel substrato Ecoflex, modificando la trasmittanza ottica del film. Facendo così, è stato possibile per loro sviluppare un sensore di deformazione indossabile con una sensibilità 10 volte superiore rispetto ai sensori di deformazione ottici estensibili convenzionali.
Figura 3. Alta sensibilità e prestazioni di rilevamento affidabili del sensore proposto e sua applicazione al monitoraggio del movimento di flessione delle dita. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Il sensore proposto ha superato anche il test di durata con ottimi risultati. La risposta del sensore dopo le 13, 000 serie di carichi ciclici erano stabili senza alcuna deriva evidente. Ciò suggerisce che la risposta del sensore può essere utilizzata senza degradazione, anche se il sensore viene utilizzato ripetutamente per lungo tempo e in diverse condizioni ambientali.
Figura 4. Monitoraggio della postura mediante array di sensori di deformazione a 3 assi, e monitoraggio del polso sull'arteria carotide. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Utilizzando il sensore sviluppato, il team di ricerca ha potuto misurare il movimento di flessione delle dita e utilizzarlo per il controllo del robot. Hanno anche sviluppato una serie di sensori a tre assi per il monitoraggio della postura del corpo. Il sensore è stato in grado di monitorare i movimenti umani con piccoli sforzi come un impulso vicino all'arteria carotide e il movimento muscolare intorno alla bocca durante la pronuncia.
Il professor Park ha detto, "In questo studio, il nostro gruppo ha sviluppato una nuova piattaforma di sensori di deformazione indossabile che supera molti limiti del resistivo sviluppato in precedenza, capacitivo, e sensori di deformazione estensibili di tipo ottico. Il nostro sensore potrebbe essere ampiamente utilizzato in una varietà di campi tra cui la robotica morbida, elettronica indossabile, pelle elettrica, assistenza sanitaria, e anche intrattenimento."
