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这款高灵敏度传感器,可以让你VR绝地求生

这款高灵敏度传感器,可以让你VR绝地求生【研究背景】

   当前,使用交织纤维制备出的人造皮肤在性能上有了显著的提高,但其在检测范围、重复性、湿稳定性上仍旧实现商业化。近年来,具有分层弯曲皮芯结构的超弹性纤维电子器件,由于出色的可拉伸性和可控的扭转机制而备受关注。这些导电纤维对人体形态的适应性强,是开发可穿戴系统、智能服装、探测生物信号和人体动作等电子产品的理想材料。

    近日,韩国成均馆大学高级纳米技术研究所Changhyun Pang教授联合延世大学Taeyoon Lee教授,共同开发了一种基于导电纤维的传感器。该传感器可以编织成一个智能手套,可以用作演示压力和可识别手势的可穿戴虚拟现实(VR)界面控制器。

 【文章详情】

这款高灵敏度传感器,可以让你VR绝地求生 图1:a) 导电纤维的示意图,b) 光学显微镜(OM)下单一导电纤维与微阵列示意图,c)扭曲导电纤维编织的智能手套示意图,d)电阻波形随着外界刺激的变化,e)导电多模态光纤传感器的实际应用示意图。

    图1a显示了应变传感器器件的照片,图1b为光纤的光学显微镜(OM)图,表明分布在光纤三维表面的微绒毛具有结构均匀性。图1c测量了两种不同类型的电阻变化:单电阻(i)和多电阻(ii),可以在施加刺激后同时监测单电阻和多电阻代表性波形。对于垂直压力,多电阻信号(红线)随两种微结构光纤之间接触面积的增大而响应,而单阻信号(蓝线)响应相对可忽略。然而,在拉伸的情况下,由于交织导电纤维上渗滤网络的变形,对横向应变的响应是单电阻和多电阻的共同作用。如图1d所示,当施加弯曲变形时,单信号和多信号的响应呈反比关系。此外,基于光纤的导电传感器可以快速准确地响应人手的各种手势,编织到商业手套上可作为穿戴控制器(图1e)。

这款高灵敏度传感器,可以让你VR绝地求生图2:微毛导电纤维的制备工艺及整体性能:a)分步制作导电纤维的示意图,b)导电纤维表面的SEM图,c)电导率测试,d)微毛导电纤维抗侧应变的相对电阻变化,e) 横向试验的阻力变化循环测试(应变≈30%)。

   如图2a所示,通过对Ag前驱体进行还原处理,可以制备具有高延展性和导电性的聚氨酯-银纳米线(PU-AgNP)纤维。图2c的扫描电镜(SEM)图像显示,弹性导电纤维表面的微毛结构具有较高的结构保真度和完整性。通过测试不同导电混合物(CB和AgNW)含量,以及不同几何形状纤维的导电性,可以发现微毛纤维的电导率随导电材料含量的增加而增加。图2d中发现微毛光纤对侧应变的响应明显高于无毛光纤,图2e显示微毛纤维在加载和卸载应变(<30%)循环测试(<2200循环)下,具有良好的重复性。

这款高灵敏度传感器,可以让你VR绝地求生图3:微毛结构光纤传感器的多模态和传感性能:a)不同纤维传感器的SEM图像。b-d)对外界刺激与相应图像响应的信号强度差异以及电阻的变化。

    然后,作者制作了三种表面形貌不同的光纤传感器,并且比较了它们的灵敏度,如图3a所示。当对传感器施加压力后,双毛光纤传感器的多电阻相对于无毛光纤传感器增加了24倍,响应时间小于40 ms。从图3b可以看出,在较低的压力下,传感器的灵敏度相对较高。从拉伸(<200%)引起的阻力信号形状变化可以看到,带有两根毛状纤维的传感器,其相对电阻变化是没有毛状纤维的传感器的50倍。如图3d(i)所示,毛发型光纤传感器的相对电阻变化是无毛发型传感器的21倍。

这款高灵敏度传感器,可以让你VR绝地求生图4:多模态光纤传感器的防水处理和在可穿戴游戏界面控制器智能手套中的应用。

    通过将氟原子吸附在导电纤维表面,可以使微毛多模态传感器在电导率下降最小的情况下,表现出较好的抗湿性。作者对防水光纤传感器在湿润条件下拉伸100%前后LED灯的亮度变化,发现在100%拉伸的过程中,由于电阻的增加,LED灯会变暗,但传感器在有水的情况下性能没有很大变化。如图4c所示,作者还测量了戴智能手套的人手手势,对应的单电阻和多电阻与时间的关系。在拇指上施加压力,由于拇指的垂直应变的影响,多阻力相对于单一阻力会有显著的下降。图4d所示为VR射击游戏,可以通过向拇指第一关节施加压力(子弹装弹)和弯曲应力(向目标缩放),以及折叠食指拉伸应力(向目标射击)来控制,该程序对三种外部刺激的反应迅速、准确且独特。

【总结】

    在本文中,作者开发了一种基于多模态光纤的传感器。该传感器具有分层的微尺度毛状结构以提高灵敏度,并能够识别各种人体动作。该光纤传感器表现出良好的耐湿性和电响应性。当制备成智能手套后,还可以高效控制VR界面。作者认为,该多模态、分层结构的光纤传感器,将在可穿戴电子设备、诊断和/或治疗功能、人体健康监测和未来的VR平台方面带来非常有前景的进展。

Seunghoon Choi, Kukro Yoon, Sanggeun Lee, Heon Joon Lee, Jaehong Lee, Da Wan Kim, Min-Seok Kim, Taeyoon Lee, and Changhyun Pang, Conductive Hierarchical Hairy Fibers for Highly Sensitive, Stretchable, and Water-Resistant Multimodal GestureDistinguishable Sensor, VR Applications, Adv. Funct. Mater. 2019, DOI:10.1002/adfm.201905808

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参考文献:Adv. Funct. Mater.

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