Advanced Engineering Materials:一种满足宽量程力探测需求的模量可调的电容式弹性应变传感器

Stretchable strain sensors are important component of soft robotics, rehabilitation assistance, and human health monitoring systems. However, strain sensors capable of wide range force detection with adjustable modulus facilities are highly desirable to obtain mechanical feedback in various scenarios. Herein, we report a stretchable capacitive strain sensor capable of adjustable modulus and wide-range force detection. The sensor consist of two Liquid Metal filled thermoplastic elastomer tubes encapsulated in flexible silicone. The adjustable modulus capability of the sensor is attained by mounting the sensor with springs of different elastic coefficients. During electromechanical tests, the elastic coefficient dependent adjustable modulus is obtained in the range of 0.78 to 10.3 MPa. After optimizing the performance, a sensor capable of wide force-sensing range (0.07 N to 74 N), high cyclic stability (>3500 cycles ), with low hysteresis, good linearity and fast response time (< 50 ms) is achieved. Finally, a digital display system is developed to display the amount of detected force during the loading of the sensor, which confirms the great capability of the sensor to be applied in joint rehabilitation and soft robotic fields.

弹性应变传感器能够实现人体运动、生理参数的监控和机器人的力觉感知,在医疗康复、运动健身和机器人皮肤等领域有着重要的应用前景。通常,弹性应变传感器用于探测人体或者机器人运动过程所产生的形变,进而感知人或者机器人的运动状态。在实际应用中,除了探测形变,往往需要知道力的大小。比如:弹性应变传感器作为机器人的皮肤,通过探测力的大小进而感知机器人抓起负载的重量;弹性应变传感器通过力的探测,对关节受伤病人康复效果进行评价。现有的弹性应变传感器一般是通过高分子与导电材料复合而成,其模量一般在几百kPa到MPa量级,且模量是固定的,适合几N量级的力探测,很难满足宽量程可变载荷力探测的需求。如何设计和制备模量随载荷动态可变,满足宽量程力探测需求的弹性应变传感器仍是一个难题。

针对这一问题,中国科学院宁波材料技术与工程研究所李润伟课题组报道了一种电容式弹性应变传感器,其模量可以通过施加载荷的不同实现自动可调,进而满足宽量程力的探测需求。

模量可调的电容式弹性应变传感器的设计原理图。(b) 具有不同弹性模量的应变传感器的电容随加载力的变化曲线。(c)称重过程实时显示。(d)文章封面图。

我们知道,对于人体的肌肉,力越大,肌肉刚度越大,进而适应不同的力的驱动要求。通过模仿肌肉的工作原理,对弹性应变传感器并联弹性系数从小到大的不同弹簧,在施加不同负载时,不同弹簧依次发挥作用,进而实现弹性应变传感器复合模量的自动可调,满足宽范围力探测的需求。在该研究中,两个被液态金属充满的弹性橡胶管平行排列组成电容式弹性应变传感器。具有不同弹性系数的弹簧,从小到大进行串联,并与弹性应变传感器并联在一起,构成模量可调的弹性应变传感器。

当拉伸力作用在弹性应变传感器上时,弹性系数最小的弹簧先发生拉伸,然后弹性系数较大的弹簧发生拉伸,当力进一步增加时,弹性系数最大的弹簧也开始拉伸。通过这样的设计,实现了复合模量的三段式自动可调,既可以实现小的力的探测,也可以实现大的力的探测。测试结果表明,弹性应变传感器的模量在0.78 ~ 10.3 MPa范围内可调,并且在0.07至74 N的宽量程力探测范围内表现出优异的线性度、重复性和快速的响应时间(<50 ms)。此外,该弹性应变传感器具有良好的耐疲劳性,在加载和卸载超过3500个循环仍然具有稳定的传感性能。最后,该团队开发了与传感器相匹配的数字显示系统,通过该系统可以准确地显示负载的重量,验证了该弹性应变传感器在机器人称重领域的应用潜力。

相关论文以“A Stretchable Capacitive Strain Sensor Having Adjustable Elastic Modulus Capability for Wide‐Range Force Detection ”为题发表在Advanced Engineering Materials (DOI: 10.1002/adem.201901239) 上,并推荐为inside back cover (DOI: 10.1002/adem.202070011)。