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据麦姆斯咨询报道，近日，浙江大学杨赓研究员课题组设计了一种基于软质聚氨酯（PU）海绵和碳纳米管（CNT）的新型应变传感器，用于人体关节的运动捕捉。PU-CNT海绵独特的三维（3D）多孔微结构为传感器提供了高灵敏度。为了弥补这种应变传感器在高灵敏度和高伸缩性之间的互相制约，提出了一种优化几何参数的菱形网格结构，结合预压缩设计，用于应变传感器的原型设计，这使得传感器在拉伸过程中具有额外的伸长率。所提出的PU-CNT应变传感器具有良好的传感性能，可拉伸性高达300%，最大应变系数为3893，同时具有长期耐用性，低检测极限和快速响应能力。最后，研究人员通过将应变传感器部署在人体肘部来实现机械臂的遥操作，并通过机器人的数字孪生模型对其进行实时监控，从而对应变传感器进行了验证。
基于菱形网格结构的PU-CNT应变传感器的设计和应用实例
在本研究中，所提出的应变传感器主要由柔性多孔基底、导电填料、弹性体封装层和用于电气互连的导线组成。一种柔性PU海绵被用作多孔基底，因为它具有很大的弹性，且重量轻。为了提高应变传感器的可拉伸性，将PU基底的中间区域设计为45°内角的菱形网格结构。菱形几何形状的可变形性赋予了传感器预压缩的空间。选择导电性优异的CNT涂覆在PU海绵支架上，形成导电骨架。PU-CNT海绵经过预压缩，进一步提高应变传感器的可拉伸性。为了保持应变传感器的预压缩状态，传感器的每个表面都覆盖一层1 mm的硅橡胶层。值得注意的是，所采用的硅橡胶的拉伸性远远高于预压缩的PU-CNT海绵，从而避免对所提出的应变传感器拉伸性的影响。为了实现电气互连，在传感器的顶部和底部插入直径为0.2 mm的铜线，两者都垂直于传感器的拉伸方向。
PU-CNT应变传感器原型设计
PU-CNT应变传感器在预压缩状态（0-100%应变）和拉伸状态（100-300%）的较宽工作范围内均具有良好的重复性和动态稳定性。此外，对微小应变的感知能力也是应变传感器的重要指标。在1 Hz的动态负载下，该应变传感器在0.5%应变下的传感响应基本保持不变。相对电阻变化达到1.4%，这归因于应变传感器在预压缩状态下的高灵敏度。检测范围的下限赋予了应变传感器对人体关节微小运动检测的潜力，这对于遥操作场景中操作人员的动作捕捉至关重要。
PU-CNT应变传感器的综合传感性能
为了验证所提出的PU-CNT应变传感器作为关节可穿戴设备的应用前景，研究人员将该传感器附着在膝关节、肘部和腕部三个典型关节上，同时在关节运动过程中实时记录PU-CNT应力传感器的传感信号。实验结果表明，当三个关节的弯曲程度增大时，传感器输出的信号也相应增大。该应变传感器的响应稳定而灵敏。因此，可以基于PU-CNT应变传感器的可分辨电阻变化来测量关节的运动。为了进一步验证PU-CNT应变传感器在遥操作场景中的实际性能，研究人员将传感器固定在操作员的肘部，以远程控制机械臂Jaco2。当操作者依次弯曲肘关节30°、60°、90°、120°时，实现了对jaco2机械臂第三关节的遥操作。
在遥操作场景中的应用
总之，研究人员提出了一种用于人体关节运动捕捉的新型应变传感器原型。一方面，菱形网格结构与预压缩设计相结合，为应变传感器提供了额外的伸长率，从而实现了拉伸性能的提高。另一方面，PU海绵的多孔微结构赋予了传感器高灵敏度。所提出的PU-CNT应变传感器具有高达300%的拉伸性和3893的最大应变系数。值得注意的是，该应变传感器还具有10,000次循环的长期耐用性，以及82 ms的快速响应时间，从而确保了应变传感器稳定快速的传感性能。最后，将所开发的传感器部署在人体关节上进行运动检测，证明了其在遥操作场景中的应用前景。
