CN114508996A - 一种感知复杂变形的柔性传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种感知复杂变形的柔性传感器，包括：柔性基体，其上开设有至少四个沿其轴线方向分布的微流道；任一个微流道设置在所述柔性基体的中心位置；柔性电极，设置在微流道内；导线，其与柔性电极连接，用于与所需测量电路连接。本申请设计在柔性基体中心位置开设1个微流道，其余微流道沿其轴线布置在四周，并在微流道内设置柔性电极，在柔性电极的端部连接导线，利用导线与所需测量电路连接；结合多个微流道的传感特性可检测拉伸弯曲耦合变形，并识别弯曲变形的方位角实现弯曲方向检测；实现复杂变形的感知。
Description
技术领域
本公开一般涉及柔性传感器技术领域，具体涉及一种感知复杂变形的柔性传感器。
背景技术
柔性传感器采用柔性材料制成，与传统的刚性传感器相比，柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性、适应性、生物相容性，柔性传感器在健康监测、运动监测、医疗康复和软机器人等方面的应用前景广阔。目前感知单一变形的柔性传感器种类很多，但是在实际工程问题中也存在很多复杂变形，例如拉伸和弯曲的耦合变形，针对复杂变形感知的问题还没有得到很好的解决。此外，现有的弯曲传感器主要以检测弯曲角度为主，忽视了弯曲方向这一种重要信息。
因此，研究一种感知复杂变形的柔性传感器是非常必要的。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种结构简单且易于实现的感知复杂变形的柔性传感器。
第一方面，本申请提供一种感知复杂变形的柔性传感器，包括：
柔性基体，其上开设有至少四个沿其轴线方向分布的微流道；任一个所述微流道设置在所述柔性基体的中心位置；
柔性电极，设置在所述微流道内；
导线，其与所述柔性电极连接，用于与所需测量电路连接。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述柔性基体的截面形状为圆形、椭圆、三角形、矩形或多边形。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述微流道的横截面形状为圆形、三角形或四边形。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述柔性基体由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、聚氨酯(PU)、水凝胶、天然橡胶、硫化橡胶或硅基橡胶制成。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述柔性电极由导电液体形成。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述导电液体为液态金属、离子凝胶或者离子液体。
综上所述，本申请具体公开了一种感知复杂变形的柔性传感器的具体结构。本申请柔性基体的截面形状可以为圆形、椭圆、三角形、矩形、多边形等形状，在柔性基体中心开设1个微流道，其余微流道沿其轴线方向均匀分布在四周，并在微流道内设置柔性电极，在柔性电极的端部连接导线，导线与所需测量电路连接；在传感器的柔性基体发生变形时，微流道中柔性电极电阻会发生相应变化，以此来检测变形量。中心微流道用来检测整体的拉伸变形；周边微流道与中心微流道变形量的差值用来检测弯曲角度；同时在发生弯曲变形时，各个方向上微流道变形量不同，用来检测弯曲方向；通过中心微流道与周边微流道的位置分布，可实现拉、弯耦合复杂变形的检测。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一种感知复杂变形的柔性传感器的结构示意图。
图2为柔性传感器在拉伸变形下微流道的变化示意图。
图3为柔性传感器检测拉、弯耦合变形的原理图。
图4为制备柔性传感器的成型模具装配示意图。
图5为制备柔性传感器的成型模具装配图的侧视图。
图6为成型模具的上模具结构示意图。
图7为微流道与弯曲方位角度示意图。
图中标号：1、柔性基体；2、柔性电极；3、上模具；4、下模具；5、金属线；6、固定微孔；7、注入孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
请参考图1所示的本申请提供的一种感知复杂变形的柔性传感器的结构示意图，包括：
柔性基体1，柔性基体的截面形状可以为圆形、椭圆、三角形、矩形、多边形等形状，柔性基体1上开设有至少四个微流道，且柔性基体1中心开设1个微流道，其余微流道沿其轴线方向均匀分布在四周；
此处，柔性基体1由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、聚氨酯(PU)、水凝胶、天然橡胶、硫化橡胶、硅基橡胶等制成；微流道的横截面形状为圆形、三角形、四边形等；
柔性电极2，设置在微流道内；
其中，柔性电极2由导电液体形成；此处，导电液体的类型，例如为液态金属、离子凝胶或者离子液体。
导线，其与柔性电极2连接，用于与所需测量电路连接。
本柔性传感器的制备方法如下：
如图6所示，利用3D打印技术打印出上模具3和下模具4，如图4所示，将上模具3与下模具4装配好，如图5所示，上模具3与下模具4之间形成有多个固定微孔6与一个注入孔7，并且固定微孔6环设在注入孔7周围；将金属线5插入固定微孔6，将PDMS、PVA、PI等材料通过注入孔7，浇注进模具内部，浇筑完成后将金属线5插入注入孔7，等待完全固化后，抽出金属线5，拆除上、下模具，得到具有微流道的柔性基体1，将液态金属注入微流道中，并引出导线，即可得到带有9个微流道(中心1个且周边均匀布置8个)的柔性传感器，如图1所示。
本柔性传感器可应用于人体关节处或者软体机器人领域，用来检测拉伸、弯曲、以及拉、弯耦合变形，实现复杂变形的感知。
具体地，
当本柔性传感器发生拉伸变形时，如图2所示，微流道的横截面积和长度会发生变化。注入微流道的柔性电极的体积V在变形前后不发生改变，柔性基体1发生拉伸变形时，微流道长度增加，横截面面积减小，柔性电极2的电阻会发生相应的变化。
V＝L0S0＝L′S′ (1)
其中，V为微流道中柔性电极的体积，L0和L′为微流道变形前后的长度，S0和S′为微流道变形前后的横截面面积。
其中，R为微流道中柔性电极2的电阻，ρ为柔性电极2电阻率，L为微流道长度，S为微流道横截面面积。
利用中心微流道横截面积和长度的变化，再由公式(2)可得出在任意拉伸长度下的电阻值，可以检测传感器整体的拉伸变形。
当本柔性传感器发生拉、弯耦合变形时，如图3所示，柔性传感器弯曲角度为θ，取弯曲方向的正向和反向两个微流道进行分析，定义反向弯曲方向上的弯曲半径和微流道长度分别为r1和l1,正向弯曲方向上的弯曲半径和微流道长度分别为r2和l2。因为r1>r2，由公式(3)和(4)可知，l1>l2。所以，在弯曲方向的反方向上变形量最大，电阻变化率最大；反之，在弯曲方向的正方向上变形量最小，电阻变化率最小。利用传感器发生弯曲变形时，均布在四周的微流道变形量不同，实现弯曲方向的检测。中心微流道为传感器的中性轴，传感器发生拉、弯耦合变形时，中心微流道只有拉伸变形，不发生弯曲变形，均布在四周的微流道发生拉、弯耦合变形，周边微流道变形量与中心微流道变形量的差值即为弯曲的变形量。通过测量不同弯曲角度下的电阻变化率作为参比值，选择最小的电阻变化率与参比值对照即可得到弯曲角度。因此，本传感器可以实现拉、弯耦合变形的感知，还可以检测弯曲方向。
l1＝θr1 (3)
l2＝θr2 (4)
其中，θ为柔性传感器弯曲角度，r1、r2为弯曲半径，l1、l2为微流道长度。
以9个微流道为例，如图7所示，设定各微流道分别为微流道0、微流道1、微流道2、微流道3、微流道4、微流道5、微流道6、微流道7、微流道8；规定微流道1的方向为弯曲方位角0°的方向，微流道0在传感器的中心位置，均匀布置的8个微流道分别对应图7中8个方位角度(0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°)，即微流道1布置在0°方位上，微流道2布置在45°方位上，微流道3布置在90°方位上，微流道4布置在135°方位上，微流道5布置在180°方位上，微流道6布置在225°方位上，微流道7布置在270°方位上，微流道8布置在315°方位上；
定义微流道0～8的变形量分别为：△ε0、△ε1、△ε2、△ε3、△ε4、△ε5、△ε6、△ε7、△ε8。
传感器发生弯曲变形时，以弯曲角度θ，弯曲方位角度0°为例：根据对称性，微流道3与7、微流道4与6、微流道2与8的变形量相同(△ε3＝△ε7、△ε4＝△ε6、△ε2＝△ε8),且微流道1的变形量最小，微流道5的变形量最大；
若弯曲角度为θ，弯曲方位角度为22.5°：根据对称性，微流道1与2、微流道3与8，微流道4与7、微流道5与6变形量相同(△ε1＝△ε2、△ε3＝△ε8、△ε4＝△ε7、△ε5＝△ε6)，且微流道1与2的变形量最小，微流道5与6的变形量最大；
若弯曲角度为θ，弯曲方位角度为15°：微流道1的变形量最小，微流道5的变形量最大，再根据微流道1两边的微流道2和8，微流道5两边的微流道4和6的变形量判断偏向哪一位置。弯曲方位角为15°，大小关系应为△ε2<△ε8、△ε4<△ε6，如果弯曲方位角不是15°的倍数，同样可以通过几何关系计算得到方位角。
当传感器发生拉、弯耦合变形时，通过微流道0检测传感器整体的拉伸变形，微流道1～8与微流道0变形量的差值检测弯曲角度和弯曲方向，以此来实现拉、弯耦合变形的复杂感知。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (6)
1.一种感知复杂变形的柔性传感器，其特征在于，包括：
柔性基体(1)，所述柔性基体(1)上开设有至少四个沿其轴线方向分布的微流道；任一个所述微流道设置在所述柔性基体(1)的中心位置；
柔性电极(2)，设置在所述微流道内；
导线，其与所述柔性电极(2)连接，用于与所需测量电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种感知复杂变形的柔性传感器，其特征在于，所述柔性基体(1)的截面形状为圆形、椭圆、三角形、矩形或多边形。
3.根据权利要求1所述的一种感知复杂变形的柔性传感器，其特征在于，所述微流道的横截面形状为圆形、三角形或四边形。
4.根据权利要求1所述的一种感知复杂变形的柔性传感器，其特征在于，所述柔性基体(1)由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、聚氨酯(PU)、水凝胶、天然橡胶、硫化橡胶或硅基橡胶制成。
5.根据权利要求1所述的一种感知复杂变形的柔性传感器，其特征在于，所述柔性电极(2)由导电液体形成。
6.根据权利要求5所述的一种感知复杂变形的柔性传感器，其特征在于，所述导电液体为液态金属、离子凝胶或者离子液体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |