JP2016519291A - 歪みゲージとして使用される複合材料 - Google Patents

Abstract

一般的な一態様において、装置は、複数の空隙を有するエラストマー性ポリマーと、当該エラストマー性ポリマー内に配置された複数の導電性充填材との非層状混合物を含む材料を備える。当該装置は変形に対して電気的応答を生成することができ、よって、歪みゲージとして機能する。当該導電性充填材は、導電性ナノ粒子および／または導電性安定材を含んでもよい。別の一般的な一態様は、第一軸に沿って、エラストマー性ポリマー全体に配置された導電性充填材および空隙を有する均一複合材料に対する衝撃に応じて生成された電気的応答を検出し、そして、当該電気的応答に基づいて当該衝撃での変形を決定する、圧縮歪みを測定する方法である。当該衝撃は、第一軸とは異なる第二軸に沿っていてもよい。【選択図】図１Ａ

Description

本願は、いずれも参照することにより完全に本明細書に組み込まれる、２０１３年３月１５日出願の米国仮出願第６１／７８９７３０号、２０１３年６月８日出願の米国仮出願第６１／９５６３９４号、２０１３年９月９日出願の米国仮出願第６１／９６０４８９号、および２０１３年１０月２８日出願の米国仮出願第６１／９６１９７０号に対する優先権および利益を主張する。

本願は、国立科学財団から与えられた認可番号ＣＭＭＩ−１２３５３６５の下、アメリカ合衆国政府補助金による支援によってなされた。当該政府は、本願についての所定の権利を有することがある。

本明細書は、動的および準静的の両荷重条件下での変形と緩和に応じて圧電および/または圧抵抗特性を示す均一複合材料に関するものである。

歪み、衝撃エネルギーおよび力センサーは、機械学や動力学の多数の応用に対して極めて重大な情報を提供することができる。いくつかの歪みゲージは、ゲージの電気伝導率が圧力下で変わるという意味で、圧抵抗性である。このようなゲージは、作動するために、例えば電池などの電流源を必要とする。他の歪みゲージは、ゲージが、歪みの下で、測定可能なボルトの形で電位を生じるという意味で、圧電性である。既存の歪みゲージは、ゲージが測定することのできる歪み度という観点で限られており、主に１〜２％歪みの歪み領域に限られている。加えて、多くのこの種のゲージは高価で、校正が困難であり、このようなゲージを実験室環境で使用することを制限している。さらなる考慮点は、使用時間および、または使用量に関する校正関数の計算の変化として定義される、ドリフト現象である。

米国特許第７９３５４１５号明細書 米国特許第８３６１６０８号明細書

圧電応答を通じて、衝撃や変形の激しさを測定する歪みゲージに使用することができるエラストマー性複合材料が提供される。

複合材料は、空隙および導電性充填材が全体に分散されたエラストマー性ポリマーを含む。当該複合材料は、変形に対する圧電応答、および歪みの増大に伴う電気抵抗の減少という予測できない現象をもたらす。これら両特性は、センシング用途に有益である。今回の材料の主な差別化因子は、８０％以下、またはそれ以上の機械的歪み下で、予測可能かつ繰り返し可能な電気機械的応答（圧電および／または圧抵抗）を示すことである。いくつかの複合材料の組成はドリフトに悩まされない。前記複合材料が多くの市販の発泡体と類似する機械的特性を有するため、前記複合材料が、製品のフットプリント（footprint）または製品の機械的応答特性を顕著に変えることなく、既存の市販製品と置き換えられるか、または組み込まれることができる。このような置き換えまたは組み込みは、既存製品にセンシング性能を付加する。

一般的な一態様では、装置は、複数の空隙を有するエラストマー性ポリマーと、エラストマー性ポリマー中に配置された複数の導電性充填材との均一複合混合物を含む。前記導電性充填材は、導電性ナノ粒子および／または導電性安定材を含んでいてもよい。別の一般的な態様では、歪みセンサーの製造方法は、複数の導電性ナノ粒子をエラストマー性ポリマーと混合し、空隙を有する均一複合材料を形成し、当該均一複合材料が変形に応じて電圧を生じることを含む。別の態様では、歪みの測定方法は、エラストマー性ポリマー全体に配置された導電性充填材および空隙を含有する均一複合材料に対する衝撃に応じて生じた電気的応答を、第一軸に沿って検出することを含む。前記衝撃は、前記第一軸とは異なる第二軸に沿ってもよい。前記方法は、前記電気的応答に基づいて前記衝撃での変形を決定することも含む。

一つ以上の実施形態の詳細は、付属の図面、および以下の説明に述べられている。その他の特徴は、本明細書、図面および特許請求の範囲から明らかである。

実施形態に従った、歪みゲージとして機能する均一複合材料の高水準概略図である。 実施形態に従った、歪みゲージとして機能する均一複合材料の高水準概略図である。 実施形態に従った、歪みゲージとして機能する均一複合材料の高水準概略図である。 実施形態に従った、歪みゲージとして機能する均一複合材料の顕微鏡画像である。 実施形態に従った、歪みゲージとして機能する均一複合材料の顕微鏡画像である。 様々な量の導電性充填材と混合したポリウレタン発泡体の、エネルギー吸収値および体積換算空気率を説明したグラフである。 実施形態に従った、圧電歪みゲージの概略図である。 実施形態に従った、圧電歪みゲージの概略図である。 実施形態に従った、圧電歪みゲージの概略図である。 実施形態に従った、圧電歪みゲージを用いるシステムの例を説明した高水準ブロック図である。 複合材料の一組成における圧電応答と、歪み量との直線関係を説明したグラフである。 繰り返し歪み行為を通じた、複合材料の一組成における圧電応答電位特性の不変性を説明したグラフである。 複合材料の一実施形態に対して衝撃荷重を与えた際の、圧電誘導による電圧、測定された力、および加速の相関を説明したグラフである。 実施形態に従った、圧電歪みゲージの製造方法例を説明したフローチャートである。 実施形態に従った、歪みゲージとして機能する均一複合材料の製造方法例を説明したフローチャートである。 実施形態に従った、歪みゲージとして機能する均一複合材料を用いた、変形の測定方法例を説明したフローチャートである。 実施形態に従った、歪みゲージとして機能する均一複合材料を用いた、繰り返し衝撃に対する電圧データの収集方法例を説明したフローチャートである。

一般的な一態様では、装置は、エラストマー性ポリマー発泡体中に配置された複数の導電性ナノ粒子を含有する均一複合材料を含む。前記均一複合材料は、変形されることに応じて電圧を生成し得る。前記装置は、また、前記均一複合材料中に配置された少なくとも一本のプローブ、および前記プローブと連結された電圧検出器を有することがある。前記装置は歪みゲージとして機能し得る。前記装置は、一つ以上の以下の特徴を含むことができる。例えば、複数の導電性ナノ粒子が第一の導電性充填材であり、前記均一複合材料が第二の導電性充填材を更に含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、前記エラストマー性ポリマー発泡体はポリウレタン発泡体ベースである。いくつかの実施形態では、前記均一複合材料は、ニッケルでコートされた炭素繊維のような、導電性物質でコートされた繊維を更に含む。いくつかの実施形態では、複数の導電性ナノ粒子は、ニッケルナノ線維、ニッケルパウダー、銀ナノワイヤ、および金ナノワイヤの内少なくとも一つを含む。別の例としては、前記装置はまた、電圧検出器と動作可能に連結されたワイヤレスコントローラー、および、前記ワイヤレスコントローラーと動作可能に連結され、前記電圧検出器により収集されたデータを分析するよう構成された計算器を含んでもよい。いくつかの実施形態では、電圧は、歪み速度および変形に対応する。

別の一般的な態様では、装置は、エラストマー性ポリマー、当該エラストマー性ポリマー内部に均一に配置された複数の導電性ナノ粒子、および当該エラストマー性ポリマー内部に均一に配置された複数の空隙を含む。前記装置は、変形された場合に、第一軸に沿って、および第一軸と直交する第二軸に沿って、検出可能な電気的応答を生成する。前記装置はまた、一つ以上の以下の特徴を含むことができる。例えば、前記エラストマー性ポリマー内への前記複数の導電性充填材の配置が、量子トンネル効果に基づいて、電気的応答を生じるナノ接合を規定することがある。別の例としては、前記装置はまた、前記エラストマー性ポリマー内に配置されたプローブ、および当該プローブに連結された電圧検出器を含んでもよい。いくつかの実施形態では、複数の導電性ナノ粒子は、前記装置の約１〜２５重量パーセントである。いくつかの実施形態では、複数の空隙は、前記装置の約７５体積パーセント以下でもよく、および／または複数の空隙は、１０００μｍ以下の範囲でもよい。いくつかの実施形態では、前記導電性ナノ粒子は第一の導電性充填材であり、前記装置は、前記エラストマー性ポリマー内部に均一に配置された第二の導電性充填材も含んでいる。

別の一般的態様では、前記装置は、複数の空隙、複数の導電性ナノ粒子、および複数の導電性安定材を有するエラストマー性ポリマーの非層状混合物を含む材料を含む。当該装置は、一つ以上の以下の特徴を含んでもよく、例えば、前記材料は、前記導電性ナノ粒子および前記導電性安定材が配置された中間領域を含んでもよく、前記中間領域は、第一軸に沿って、および第一軸と直交する第二軸に沿って均一であってもよい。別の例としては、前記材料は、圧縮されると、第一軸に沿って電気抵抗の低下を生じ、第一軸と直交する第二軸に沿って電気抵抗の低下を生じ得る。いくつかの実施形態では、前記導電性ナノ粒子は、前記材料の約１〜２５重量パーセントであり、前記導電性安定材は、前記材料の約１〜２０重量パーセントである。いくつかの実施形態では、複数の導電性安定材の量を最大７重量パーセントに増加させることは、前記材料のエネルギー吸収を高める。

別の一般的態様では、装置は、エラストマー性ポリマー内に配置された複数の空隙および複数の導電性充填材を有するエラストマー性ポリマーの非層状混合物を含有する均一複合材料を含む。前記装置は、一つ以上の以下の特徴を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、前記複数の導電性充填材は、複数の導電性ナノ粒子を含む。いくつかの実施形態では、前記複数の導電性充填材は導電性物質でコートされたチューブ、および／または導電性物質でコートされた繊維を含む。前記複数の導電性充填材は、複数の導電性コート付繊維と複数の導電性ナノ粒子との組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記エラストマー性ポリマー内に前記複数の導電性充填材を配置することが、前記装置全体にわたって継続した導電パスを形成し得る。いくつかの実施形態では、前記エラストマー性ポリマー内に前記複数の導電性充填材を配置することが、量子トンネル効果に基づいて圧縮歪みに対する電気的応答を生じるナノ接合を規定する。別の例としては、前記装置は、前記材料中に配置された少なくとも２本のプローブ、電流発生器、および前記少なくとも２本のプローブに連結された抵抗検出器も含み得る。別の例としては、前記装置は、前記材料中に配置された少なくとも２本のプローブ、前記少なくとも２本のプローブに連結された電圧検出器、および前記電圧検出器と動作可能に連結されたメモリーも含むことがある。

別の一般的態様では、歪みセンサーの製造方法は、複数の導電性ナノ粒子をエラストマー性ポリマーと混合して空隙を有する均一複合材料の形成し、当該均一複合材料が変形への応答として電圧を生成することを含む。前記方法は、一つ以上の以下の特徴を含むことができる。例えば、前記方法はまた、前記均一複合材料を硬化し、硬化した材料を電圧検出器と動作可能に結合し、当該電圧検出器を計算器と動作可能に結合すること含んでもよい。別の例としては、前記の方法は、モールド中の導電メッシュと結合された少なくとも一本のプローブを含有させ、当該モールドの中で前記均一複合材料を硬化させることにより、当該均一複合材料が、少なくとも前記1本のプローブ上で、少なくとも部分的に前記メッシュを取り囲んでもよい。いくつかの実施形態では、前記複数の導電性ナノ粒子は、前記均一複合材料の１〜２５重量パーセントに相当する。いくつかの実施形態では、前記方法は、前記複数の導電性ナノ粒子を前記エラストマー性ポリマーと混合する前に、前記導電性安定材を前記エラストマー性ポリマーと混合することを含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記方法は、前記複数の導電性安定材を前記エラストマー性ポリマーと混合することを含み、当該複数の導電性安定材が１〜２５重量パーセントを示してもよい。いくつかの実施形態では、前記方法はまた、導電性物質でコートされた複数の繊維を前記エラストマー性ポリマーと混合することを含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記方法は、導電性物質でコートされた複数の繊維を前記エラストマー性ポリマーと混合することを含み、当該繊維が約０．１〜１ミリメーターの範囲の長さを有していてもよい。いくつかの実施形態では、前記方法は、導電性物質でコートされた複数の繊維を前記エラストマー性ポリマーと混合することを含み、当該導電性物質がコートされた繊維の３５重量パーセント以下であってもよい。

別の例としては、前記エラストマー性ポリマーは第一部および第二部を含んでもよく、並びに、前記方法もまた、前記導電性ナノ粒子の第一部分と前記エラストマー性ポリマーの第一部とを混合すること、前記導電性ナノ粒子の第二部分と前記エラストマー性ポリマーの第二部とを混合すること、および、前記エラストマー性ポリマーの第一部と前記エラストマー性ポリマーの第二部との組み合わせの結果として空隙を形成することを含んでもよい。いくつかのこのような実施形態では、前記第一部分は前記第二部分よりも少量であってもよく、および／または、前記第一部分は、前記第一部の前記第二部に対する部分に比例していてもよい。別の例としては、前記方法はまた、民生装置によって決まる形状に前記均一複合材料を彫刻することを含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記複数の導電性ナノ粒子は、前記均一複合材料の鋳造や鋳型成形を含めた前記均一複合材料の混合および／または硬化前にふるいにかけられる。いくつかの実施形態では、前記均一複合材料の形状は民生装置によって決められ、および／または、前記均一複合材料は民生装置において、ヘルメット、靴中インソール、またはマットレスなどのパディングとして機能する。

別の例としては、前記方法はまた、前記均一複合材料に既知の変形を伴う衝撃を付与し、当該衝撃により生成される電圧を決定し、そして、異なる既知の変形を有する衝撃を用いて当該付与および決定を繰り返すことを含んでもよい。別の例としては、前記方法は、前記均一複合材料を、第一の方向、および当該第一の方向と直交する第二の方向に切断することを含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記均一複合材料は、基材上に噴霧または塗布されてもよく、および／または少なくとも義肢を部分的に覆ってもよい。

別の態様では、変形を測定する方法は、エラストマー性ポリマー全体に配置された導電性充填材および空隙を含有する均一複合材料に対する衝撃に応じて生成した電気的応答を第一軸に沿って検出することを含む。当該衝撃は、第一軸とは異なる第二軸に沿う。当該方法はまた、前記電気的応答に基づいて衝撃での変形を決定することを含む。

前記方法は、一つ以上の以下の特徴を含んでもよい。例えば、当該方法はまた、前記電気的応答に基づいて、衝撃に対する歪み速度および変形を決定することを含んでもよい。別の例としては、前記方法は、電圧を示すデータを外部計算器に伝送することと、前記外部計算器において衝撃での変形を決定することとを含んでもよい。別の例としては、当該電圧は第一の電気的応答であってもよく、前記方法はまた、第一軸および第二軸とは異なる第三軸に沿って第二の電気的応答を検出すること、並びに第一の電気的応答および第二の電気的応答に基づいて、前記衝撃の位置を決定することを含んでもよい。

別の例としては、前記均一複合材料は、民生装置においてパディングとして機能してもよく、および／または、前記材料の永久変形なしに８０％歪み以下を測定し得る。いくつかの実施形態では、前記電気的応答は、繰り返しの検出および決定後も実質的に同じであり、および／または前記衝撃での変形と直線関係を有する。いくつかの実施形態では、前記導電性材料は、前記均一複合材料のエネルギー吸収能を増加させる導電性コート付繊維を含む。いくつかの実施形態では、前記材料は義肢の一部に用いられてもよく、前記方法はまた、前記衝撃での変形に関するフィードバックを使用者に提供することを含んでもよい。

別の態様では、非一過性コンピュータ読み取り可能媒体は、実行された際に、エラストマー性ポリマー発泡体、導電性ナノ粒子、および導電性安定材を含有する非層状材料に対する衝撃への応答により生成した電圧を計算器に検出させ、当該電圧を示す電圧データをメモリーに保存させ、そして当該電圧データを伝送させるための命令を保存する。前記非一過性コンピュータ読み取り可能媒体は、一つ以上の以下の特徴を含んでもよい。例えば、前記非一過性コンピュータ読み取り可能媒体は、実行された際に、複数の電圧データの検出、保存、および生成を前記計算器に繰り返させ、また、外部計算器における命令実行の応答として、前記外部計算器に当該複数の電圧データを伝送させるための命令を更に保存してもよい。別の例としては、前記コンピュータ読み取り可能媒体は、外部計算器における命令実行の応答として、前記計算機に前記外部計算器へと当該電圧データを伝送させるための命令を含んでもよい。別の例としては、前記コンピュータ読み取り可能媒体は、実行された際に、前記電圧データをメモリーに保存したことへの応答として、前記計算器に前記電圧データを伝送させるための命令を更に保存してもよい。

別の態様では、歪みセンサーを製造する方法は、複数の導電性充填材を硬化されていないエラストマー性ポリマーと混合し、前記導電性充填材と前記硬化されていないエラストマー性ポリマーとの混合物中に空隙を形成し、そして前記空隙を有する前記混合物を硬化して歪みセンサーを形成することを含み、当該歪みセンサーは、圧縮に対する応答として電気的応答を生成する。いくつかの実施形態では、前記方法はまた、前記導電性充填材と前記硬化されていないエラストマー性ポリマーとの前記混合物を鋳型に導入すること、および、既存製品中の既存エラストマー性発泡体の係数に適合するように当該混合物の鋳型への導入量を制御することにより歪みセンサーの係数を調節することを含む。いくつかの実施形態では、前記歪みセンサーは、既存製品中の既存エラストマー性発泡体の代わりとして使用される。いくつかの実施形態では、当該歪みセンサーは独自の歪みセンサーであり、前記方法はまた、当該独自の歪みセンサーから複数の歪みセンサーを切断することを含む。

図１Ａは、一実施形態に従った、圧縮および緩和に対して圧電応答および／または負の圧抵抗効果を示す複合材料１００の高水準概略図である。複合材料１００はまた、引張り歪みに対する応答として圧電応答および／または圧抵抗性を示す。複合材料１００はいくつかの成分：一つ以上の導電性充填材（例、導電性ナノ粒子１１０、導電性安定材１１５）を含有するマトリックス１０５、および空隙１２０を含んでもよい。空隙１２０および導電性充填材はマトリックス全体に均一に分散されていてもよい。マトリックス１０５は、シリコーン系材料、ポリウレタン材料、他の発泡体状材料等、変形後に形状を保持し、かつ材料全体に空隙１２０を有する任意のエラストマー性ポリマーとすることができる。換言すれば、マトリックス１０５は、弾力性、多孔性、および通常５０％〜１０００％歪みの高い破断歪みを有する。

いくつかの実施形態では、エラストマー性ポリマーのマトリックス１０５は、例えば化学反応を通じて、発泡剤の添加により、ガス注入を通じて等により、空隙１２０を形成する発泡体ベースの製品であってもよい。空隙１２０は、複合材料１００に対して比較的低い重量、比較的低い密度、および比較的高いエネルギー吸収性を与えることがある。換言すれば、固体材料とは異なり、複合材料１００においては、空隙１２０がマトリックス１０５全体に分散される。例えば、マトリックス１０５に用いられるエラストマー性ポリマーの密度は、空隙が無い場合は、空隙がある場合よりも約２〜３．５倍大きいことがある。例えば、いくつかの実施形態では、複合材料１００は３５０ｋｇ／ｍ³から８００ｋｇ／ｍ³の密度を有することがある。

複合材料１００はまた、空隙１２０に起因した多孔性を有することがある。複合材料１００の多孔性は、空気の体積分率および空隙１２０のサイズの観点から定義してもよい。これらの各構成要素は、マトリックス１０５として用いられるエラストマー性ポリマー、空隙１２０を形成するために用いられる工程、空隙の形成および／または硬化の間の複合材料１００の制限（例、鋳型のサイズや形状、および鋳型に導入する複合材料の量）、並びに、エラストマー性ポリマーと混合される導電性充填材の量および種類などを含むいくつかの因子によって影響を受けることがある。例えば、導電性ナノ粒子を含ませることは、空隙のサイズを低下させる傾向にある。空隙は、オープンセル（例、空隙が互いに混ざるか、または繋がることがある）またはクローズセル（例、空隙が互いに分離している）であり得、因子数に依存して様々なサイズであり得る。いくつかの実施形態では、空隙１２０は、１０００μｍ以下の範囲のサイズであり得る。

いくつかの実施形態では、マトリックス１０５として用いられるエラストマー性ポリマーは、硬化される前に、導電性充填材と混合可能であり得る。例えば、いくつかのエラストマー性ポリマーは熱硬化性であるか、または、熱、化学反応、もしくは照射により不可逆的に硬化し得る。硬化に先立ち、導電性充填材は、硬化されていないエラストマー性ポリマーと結合（combined）させてもよい。例えば、発泡体などの、化学反応を通じて硬化されるエラストマー性ポリマーは、二つの部分を含むことがあり、二つの部分が混合または結合された時にエラストマー性ポリマーが形成される。一度結合されると、当該二つの部分は化学的に反応し、発泡体の、空気ポケットまたは空隙特性を生成し、硬くなる。導電性充填材は、結合に先立ち、一部分または両部分とともに混合してもよい。いくつかのエラストマー性ポリマーは、硬化に先立ち、発泡剤とともに混合してもよい。このようなエラストマー性ポリマーは、発泡剤との混合に先立ち、導電性充填材と結合させてもよい。ガス注入や泡立て撹拌等により、空隙がエラストマー性ポリマー中に生成され得る。いくつかのエラストマー性ポリマーは熱によって硬化され得る。熱硬化性エラストマー性ポリマーは、混合後かつ硬化前に、鋳造され、鋳型成形され、噴霧され、または押出成型されてもよい。

いくつかの実施形態では、前記導電性充填材は導電性ナノ粒子１１０を含んでもよい。導電性ナノ粒子１１０は、少なくとも一つの寸法が１０００ナノメーター以下であり、かつ電気を通す材料からなる粒子である。このような導電性材料の例は、ニッケル、白金、金、銀、銅等を含む。導電性ナノ粒子の例は、ナノワイヤ、パウダー、およびナノ線維を含む。含めることのできるナノ線維の一種類は、ニッケルナノ線維（ＮｉＮ）である。ＮｉＮは、Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ社（米国ユタ州、Ｈｅｂｅｒ Ｃｉｔｙ）から入手可能であり、参照により本明細書に組み込まれている特許文献１（発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ」）および特許文献２（発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ」）で説明されている。

導電性充填材はまた、複数の導電性安定材１１５を含んでもよい。当該導電性安定材１１５はまた、空隙の形成に先立って、硬化されていないエラストマー性ポリマーに添加してもよい。当該導電性安定材１１５は、安定材として作用する任意の導電性材料とすることができる。一実施形態では、当該導電性安定材１１５は、電気を通す材料でコートされた繊維であってもよい。例えば、前記導電性安定材１１５は、純ニッケルでコートされた炭素繊維であってもよい。いくつかの実施形態では、当該繊維は、約２０〜４０重量％が導電性材料でコートされてもよい。当該繊維は、例えば０．１〜１ｍｍの長さに短く切断してもよい。当該繊維は、１０μｍ以下（例、０．２μｍ、１μｍ、５μｍ、８μｍ）の直径を有していてもよい。いくつかの実施形態では、当該繊維は中空（例、チューブ）であってもよい。いくつかの実施形態では、当該繊維はニッケルでコートされたカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）またはニッケルでコートされたカーボンファイバー（ＮＣＣＦｓ）であってもよく、これらもＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ社から入手可能である。前記導電性安定材１１５は、複合材料１００の強度およびエネルギー吸収能を増加させることがある。前記導電性ナノ粒子１１０もまた、複合材料１００の強度およびエネルギー吸収能を増加させることがあるが、通常は、導電性安定材１１５よりも低い程度である。いくつかの実施形態では、前記導電性ナノ粒子１１０が第一の導電性充填材、前記導電性安定材が第二の導電性充填材であってもよい。

例えば、導電性ナノ粒子１１０および／または導電性安定材１１５といった前記導電性充填材は、前記エラストマー性ポリマーのマトリックス１０５と混合され、その結果当該エラストマー性ポリマーのマトリックス全体に配置されるので、前記複合材料１００は均一である。換言すれば、当該複合材料１００、そして前記歪みゲージは、層を有さず、その組成は一般的に、巨視的（例、肉眼）レベルで、外側表面（外壁）から外側表面まで均質である。前記複合材料１００はまた、優先的方向性を示さないという点において、巨視的レベルで等方性を有することがある。例えば、導電性材料１００は、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿って圧電応答または圧抵抗性を示すことがあり、これは図１Ａで説明されている。換言すれば、前記複合材料１００は、どちらの外側表面が用いられるかにかかわらず、前記材料の一方の外側表面から他方の外側表面にかけて検出可能な圧電応答または圧抵抗性を示すことがある。図１Ａで説明されるように、前記導電性ナノ粒子１１０および前記導電性安定材１１５は、拡大領域１５０および１６０のように拡大しなければ、容易に観察できないかも知れない。例えば拡大領域１５０および１６０で説明される顕微鏡レベルにて、前記複合材料１００の構成要素は識別可能かも知れないが、一般的に、いずれの軸に沿っても均質または一様に分散されることがある。こうして、完全に同一ではないものの、領域１５０や１６０の一般的な組成は、顕微鏡レベルにおいてもなお類似している。

導電性ナノ粒子１１０および／または導電性安定材１１５などの導電性充填材の含有に起因して、前記複合材料１００は、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸といった任意の軸に沿って付加された衝撃または他の変形に対し、負の圧抵抗性および圧電応答を示す。換言すれば、測定された当該電気的応答は、同距離のいずれの方向にも一貫性がある。例えば、仮に電気的応答が第一軸に沿って検出されたら、同距離は、当該第一軸を直径とする球における任意の距離である。このように、歪みゲージとして使用される際、複合材料１００は、当該複合材料１００に対して既定方向から到達する衝撃を測定することに制限されない。圧抵抗効果を示す材料は、圧縮されたときに電気的抵抗を変える。負の圧抵抗効果を有するゲージは歪みの増大と共に抵抗性が低下する、つまり静止状態の材料中よりも圧縮された材料中を電流がより容易に流れることを意味する。他方で、正の圧抵抗効果を有するゲージは歪みの増大と共に抵抗性が上昇する、つまり電流が同程度に容易には流れないことを意味する。従来の歪みゲージは、正の圧抵抗性；すなわち歪みの増大と共に電気抵抗が上昇すること、を用いて歪みを測定する。従来の歪みゲージにおける抵抗の上昇は、当該歪みゲージ材料のポアソン低粘稠化に起因して生じる。電池などの電流発生器が前記材料と動作可能に連結すると、当該材料が変形を受けたときに電流の変化が測定され得る。負の圧抵抗効果を有するセンサーは、前記材料が歪まないときに電流をほとんど、または全く流さず、電池電源を用いる応用例でのサービス時間を延ばせる潜在性があるため、多くの応用にとって望ましいかも知れない。電気抵抗の変化は、衝撃に対する電気的応答の一種である。

他方で、圧電応答を生成する材料は、測定可能な電圧の形で電位を生じる。このように、圧電応答を生成する材料は、外部電流発生器を必要とすることなく測定可能な電圧を生じ得る。生じた電圧は、衝撃に対する電気的応答の別種である。圧抵抗効果を示す材料は自動的には圧電応答を生じず、逆もまた同様である。

前記複合材料１００は、外壁間において均一なので、前記複合材料の前記圧電応答または前記圧抵抗効果に影響を与えることなく、いかなる方向にも彫刻することができる。換言すれば、前記複合材料１００は層を有しないため、圧電または圧抵抗センサーとして作用する能力に影響を与えることなく、鋳造し、その後いかなる方向にも切断または彫刻することができる。このように、例えば、前記材料の大型シートまたはブロックを製造し、同じ当該シートから多くのセンサーを切断することができる。その上、前記複合材料１００は、一度硬化されると充電される必要がない；前記圧電応答は前記複合材料１００それ自体における固有の特性である。

前記マトリックス１０５の弾力性に起因して、前記複合材料１００は、永久変形することなく８０％の歪みを測定することができる。対照的に、最もよく使用される歪みセンサーである金属箔引張り歪みゲージは、当該ゲージに使用される金属材料の降伏点により制限され、約５％歪み以下の小さな歪みを測定することができるのみである。例えば、ニッケル合金箔ゲージは、７％超の歪みを受けると永久変形し、ゲージを破壊する。従来の金属箔引張り歪みゲージとは異なり、前記複合材料１００は、習慣的に５％〜４０％の程度の歪みを受ける生物学的環境において容易に使用され得る。前記複合材料は、引張り歪みに対する圧抵抗応答を測定することにより４０％歪み以下の正確な読取り値を提供することができる近年開発された高偏差歪みゲージ（ＨＤＳＧｓ）とは、自身を区別する。当該ＨＤＳＧｓは、多様な生体力学の状況下でうまく採用されてきたが、圧縮歪みのためではなく、特に引張り歪みの定量化のために構成されている。多くの生物学的環境では、圧縮または衝撃の歪みを定量化することが重要であるため、このことはＨＤＳＧｓの有用性を制限する。

図１Ｄおよび１Ｅは、電子顕微鏡を用いて撮影した、複合材料１００の例の画像である。図１Ｄは、様々なサイズの空隙１２０を有する複合材料１００を説明する図である。図１Ｄでまた説明されているのは、導電性安定材１１５および導電性ナノ粒子１１０の例である。図１Ｄの例では、前記エラストマー性ポリマーは、かなり大きく、かつオープンセルである空隙１２０を有するシリコーン発泡体である。シリコーン発泡体中の空隙１２０は、平均１０μｍ〜５００μｍであり得る。図１Ｅは、より高倍率で撮影した、複合材料１００の例の像である。図１Ｅは、前記導電性ナノ粒子１１０が、マトリックス１０５中全体にどのように一様に分散され、配置されるのかを説明する。図１Ｅはまた、前記導電性安定材１１５のサイズが、前記導電性ナノ粒子よりもはるかに大きい（例、桁違いに大きい）ことを説明する。図１Ｅの例にある前記エラストマー性ポリマーは、図１Ｄの例で使用されたのと同様の導電性充填材を含有するウレタン発泡体であるが、より少ない空隙１２０を含有する。ウレタン発泡体中の空隙は平均８０μｍ〜３００μｍであり得る。このように、図１Ｄおよび図１Ｅで示されるように、前記複合材料１００は、前記材料の組成や、材料がどのように混合され、形成され、および／または硬化されるかに依存して、様々な量およびサイズの空隙を有することがある。

実施形態は、導電性ナノ粒子１１０および導電性安定材１１５の双方を含有する複合材料１００に制限されない。図１Ｂは、エラストマー性ポリマーのマトリックス１０５、空隙１２０、および導電性充填材としての導電性ナノ粒子１１０を含有し、導電性安定材を含有しない、複合材料１００の実施形態を説明する。図１Ｃは、エラストマー性ポリマーのマトリックス１０５、空隙１２０、および導電性充填材としての導電性安定材１１５を含有し、導電性ナノ粒子を含有しない、複合材料１００の別の実施形態を説明する。図１Ａから１Ｃに説明されている複合材料１００の変形例は、全てが圧電応答を示し、かつ負の圧抵抗性を有する。使用される導電性充填材の量と種類は、前記複合材料１００のエネルギー吸収量、当該複合材料１００の費用、圧抵抗効果の強度、圧電応答の強度などに影響を与える。当該量や比率は、前記複合材料のパディングや保護材としての機能、望ましい費用、予測される衝撃の大きさなどの多くの因子に依存することが認識されている。

図２は、導電性充填材の量の変化が、どのように複合材料におけるエネルギー吸収の変化の結果をもたらし得るかを説明したグラフ２００である。図２の例では、前記マトリックス１０５は、当該マトリックス中に配置された様々な濃度の導電性充填材を含有するポリウレタン発泡体である。図２のポリウレタン発泡体中に配置された当該導電性充填材は、ニッケルナノ線維（ＮｉＮｓ）およびニッケルでコートされたカーボンファイバー（ＮＣＣＦｓ）である。以下の表１は、グラフ２００の作成に使用したサンプルの組成を説明する。

グラフ２００で説明されるように、硬化に先立ち、より高濃度の導電性ナノ粒子１１０（例、前記ＮｉＮｓ）をポリウレタン発泡体と混合することは、多孔性の一構成要素である、複合材料１００の空気の体積分率がより高い結果となることがある。より高濃度の導電性安定材１１５（例、ＮＣＣＦｓ）は、より高いエネルギー吸収をもたらし得る。グラフ２００は、導電性ナノ粒子１１０および導電性安定材１１５の量の変化が、どのように複合材料１００の特性に影響し得るかを説明する。当然、表１およびグラフ２００で使用した組成は例示としてのみ提供され、実施形態は、グラフ２００を作成するのに用いられた量、組成、または構成材料に限られない。

導電性充填材の量および種類を変えることも、複合材料の圧電応答や圧抵抗性に影響を与え得る。例えば、当該導電性充填材が、導電性粒子、および当該導電性粒子間のナノサイズ接合の連続した導電パス（例、パーコレーションネットワーク）を形成すると、前記複合材料１００は、歪みの増加に伴う電気抵抗の低下という形で、より良い（例、より明白な）圧抵抗性を示すことがある。前記導電性充填材が連続したパスを形成しないと（例、電荷の消失のため）、前記複合材料１００は、より良い、またはより明白な圧電応答を示し得る。

図３Ａは、実施形態に従った圧電歪みゲージの概略図である。図３Ａの歪みゲージは、複合材料１００中に配置された２本のプローブ３０５および３１０を有する複合材料１００を含む。前記プローブはワイヤ、メッシュふるい付ワイヤ、または別の形態の導電性材料であってもよい。プローブ３０５および３１０は、硬化に先立って複合材料１００中に投入されてもよいし、または硬化後に複合材料１００中に挿入もしくは配置されてもよい。プローブ３０５および３１０の少なくとも一部は複合材料１００の外壁を越えて拡張してもよい。外壁を越えて拡張する部分は、電圧検出器（示されていない）と動作可能に連結されてもよい。プローブ３０５および３１０は、一つ以上の電圧検出器と動作可能に連結されると、図３Ａにおいて「Ｆ」とラベルされている衝撃に対する圧電応答に起因する電圧の上昇を検出するために使用され得る。図３Ａに説明されているように、衝撃Ｆは第一軸Ａに沿ってもよい。衝撃Ｆは、複合材料１００に、プローブ３０５および３１０の１本以上を用いて、軸Ｂに沿って検出し得る電圧上昇の形での圧電応答を生じさせ得る。図３Ａに説明されているように、複合材料１００は、衝撃Ｆと関連する軸Ａとは異なる軸Ｂに沿って検出可能な電圧を生成する。従って、図３Ａは、複合材料１００中の圧電応答を検出することは前記衝撃の方向（または軸）とは独立していることを説明している。図３Ｂは、プローブ３０５および３１０は水平または垂直な軸に沿う必要のないことを更に説明する。代わりに、前記プローブは複合材料１００の外壁に沿った任意の場所に位置し得、衝撃Ｆへの応答として生成された電圧を検出するのになお使用され得る。当然、プローブはまた、複合材料１００の内部に配置または挿入され得る。

図３Ｃは、衝撃Ｆでの変形に加えて、衝撃Ｆの位置を決定するのに使用されるデータを生成することができる圧電歪みゲージの概略図である。図３Ｃでは、歪みゲージは複合材料１００、および格子状またはグリッド状に配列された複数のプローブ３０５〜３４０を含む。前記格子またはグリッドは不規則（例、直交しなくてもよく、また、均等な間隔を持たなくてもよい）であり得、ランダムで、しかし公知の配列であり得る。前記格子またはグリッド内の各プローブ（例、プローブ３０５〜３４０）は、衝撃Ｆへの応答として生成された電圧を検出するのに使用され得る。衝撃サイトにより近いプローブ、例えばプローブ３０５および３４０は、衝撃サイトからより遠いプローブよりも、より高い電圧を測定し得る。差異は小さいものの、これらの差異は、複合材料１００の外壁のどこで前記衝撃が起こったかを概算するのに用いることができる。

図３Ａ〜３Ｃの例が圧電応答の検出について論じる一方で、前記複合材料の圧抵抗効果の検出にも同様にこの例が適用できると理解されている。換言すれば、前記プローブは、生成された電圧というよりも、複合材料１００の電気抵抗の変化を検出できるかもしれない。同様に、実施形態は図解されているプローブの位置に制限されない。

図４は、実施形態に従って圧電歪みゲージを用いたシステム４００の例を説明した高水準ブロック図である。前記システムは、装置４１０を含むことができる。装置４１０は、エラストマー性ポリマーのマトリックス、空隙、および導電性充填材を含有する複合材料１００を含むことができる。複合材料１００は、図１Ａ〜１Ｅに関して描写した複合材料１００であり得る。装置４１０は、複合材料１００に動作可能に連結された電圧検出器４３２を含むことができる。いくつかの実施形態では、電圧検出器４３２は、複合材料１００中に配置された１本以上のプローブを通じて複合材料１００に連結されていてもよい。いくつかの実施形態では、装置４１０は、それぞれが、例えば複数本のプローブを通じて複合材料１００に動作可能に連結されている複数の電圧検出器４３２を含んでもよい。電圧検出器４３２は、複合材料１００が例えば衝撃に起因した歪みを経験する際に、複合材料１００によって生成される電圧を検出し得る。電圧検出器４３２はまた、複合材料１００が例えば衝撃に起因した歪みを経験する際に、電気抵抗の減少を検出し得る。電圧検出器４３２は、例えば、電圧が検出されたときに、点灯したり、または保存可能な値を生成したりすることを含む、電圧を検出または使用する任意の装置であり得る。いくつかの実施形態では、電圧検出器４３２はまた、メモリーおよび／またはプロセッサー（例、基板内に形成されたプロセッサー）などの他の構成（図示されていない）を含んでもよい。

電圧検出器４３２はメモリー４３４および／またはトランスミッター４３６と動作可能に連結することができる。メモリー４３４は、データを保存することができる任意の種類の揮発性または不揮発性メモリーであり得る。いくつかの実施形態では、電圧検出器４３２は、検出された電圧をメモリー４３４に保存される値に変換し得る。いくつかの実施形態では、メモリー４３４は電圧検出器４３２の構成要素であり得る。いくつかの実施形態では、メモリー４３４は、値を検出した日付および／または時間といった追加の情報を電圧値とともに保存することができる。複数の電圧検出器４３２を用いたいくつかの実施形態では、追加の情報が、当該値を検出した電圧検出器の識別因子を含むことがある。メモリー４３４はまた、電圧値とともに他の情報を保存し得る。電圧値および追加の情報は、もしあれば、電圧データとされる。このように、メモリー４３４は、複合材料１００によって受けられた衝撃などの歪み行為後に検出された電圧データを保存し得る。いくつかの実施形態では、メモリー４３４は、複数の歪み行為を示す複数の電圧データを保存し得る。メモリー４３４は、複数の電圧データがワイヤレスまたは有線接続で計算器に伝送されるまで、当該データを保存し得る。

いくつかの実施形態では、メモリー４３４はトランスミッター４３６と動作可能に連結され得る。トランスミッター４３６は、ワイヤレスにデータを伝送、またはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ケーブルのような有線接続を通じてデータを伝送し得る。いくつかの実施形態では、メモリー４３４およびトランスミッター４３６はワイヤレスコントローラー４３０に含められ得る。ワイヤレスコントローラー４３０は、例えば、シナプスＳＮＡＰなどのワイヤレスマイクロコントローラであってもよい。当該ワイヤレスマイクロコントローラは、電圧データをデータ分析が可能な計算器になお伝送することができるようにしつつ、装置４１０が小さいフォームファクタを有することができるようにさせ得る。電圧検出器４３２、メモリー４３４、およびトランスミッター４３６の小さいフォームファクタは、既存製品が、大々的な再設計をすることなく、装置４１０を備えることを可能にする。小さいフォームファクタはまた、装置４１０が、高ポータブル性であり、多くの生物学的環境において有用となる結果をもたらす。このことは、扱いづらく、校正が難しく、また高価なことが多いために、生物学的環境において歪みを測定するには不十分である多くの現在入手可能な高歪みゲージに勝る利点である。いくつかの実施形態では、トランスミッター４３６は、計算器４５０などの計算器からの命令に対する応答として、電圧データを、メモリーから伝送し得る。いくつかの実施形態では、トランスミッター４３６は、データがメモリーに保存されることに対する応答として、電圧データを伝送するよう構成され得る。いくつかの実施形態では、電圧検出器４３２は、トランスミッター４３６および任意にメモリー４３４と動作可能に連結され得る。この様な実施形態では、トランスミッター４３６は、トランスミッター４３６が電圧データを受信するや否や電圧データを伝送し得る。

トランスミッター４３６は電圧データを計算器４５０に伝送し得る。計算器４５０は、装置４１０とは離れた外部計算措置であってもよい。このような実施形態では、計算器４５０は受信器４５６を含んでもよい。いくつかの実施形態では、計算器４５０は、装置４１０に組み込まれてもよい。計算器４５０は、コントローラ（例、プロセッサー、マイクロコントローラ）、タブレット、ラップトップ、スマートフォン、サーバ、プロセッサー付テレビジョンなどの任意の種類の計算器であり得る。計算器４５０は圧縮衝撃分析モジュール４５５を含んでもよい。圧縮衝撃分析モジュール４５５は、装置４１０から受け取った電圧データを解析するように構成され得る。電圧データの解析は、歪み行為に対する変形を決定すること、連続する歪み行為に対する連続する変形を決定すること、歪み速度を決定すること、および／または変形や歪み速度の分析を提供することを含んでもよい。例えば、圧縮衝撃分析モジュール４５５は、圧縮衝撃分析モジュール４５５に、電圧データを衝撃の結果として材料１００により受けた変形を示す値に変換させるための、校正データ４５２へのアクセスを有していてもよい。変形は、圧縮歪み（例、圧縮パーセント）、引張り歪み（例、伸縮パーセント）、または、ストレス、力、振幅、インパルス（例、加える力および力を加える時間量）、および／または衝撃行為の結果として吸収された衝撃エネルギーと関連した他の歪み（例、幾何学的歪み）を示し得る。いくつかの実施形態では、圧縮衝撃分析モジュール４５５はまた、衝撃行為の歪み速度を決定し得る。例えば、仮に複合材料１００が、同じ変形を有する衝撃を繰り返し受けるならば、検出された電圧のいかなる変化も歪み速度の差に起因するものかも知れない。例えば、既知の変形を有する衝撃は、当該衝撃がより速い速度で生じた時に、より多くの電圧を生成する。いくつかの実施形態では、圧縮衝撃分析モジュール４５５は、使用者に、例えばユーザーインターフェース（例、報告書、ディスプレイなど）を通じて分析を提供し得る。

計算器４５０はまた、校正データ４５２を含むことができる。校正データ４５２は、圧縮衝撃分析モジュール４５５によって電圧データを分析および解析するために使用され得る。いくつかの実施形態では、計算器４５０に校正データ４５２を提供し得る。いくつかの実施形態では、計算器４５０は校正データ４５２を集め保存するモジュール（図示されていない）を含むことができる。校正データ４５２は既知の変形の衝撃および歪み速度に関連する電圧値を示す。例えば導電性ナノ粒子の量や導電性安定材の量といった複合材料１００の組成は、複合材料１００の圧抵抗性および圧電特性に影響を与え得るので、管理された環境の外（例、確立された製造プロセスの外で）で製造された複合材料１００は、製造後ごとに校正される必要があるかもしれない。しかし、管理された環境内で製造された複合材料１００は、毎製造後に校正する必要をなくし得る。

いくつかの実施形態では、装置４１０はヘルメットに埋め込まれ、挿入され、組み込まれ、そうでなければ配置されることができる。このような実施形態では、複合材料１００はパディングとしてヘルメット内に配置され、圧縮歪みゲージとして機能するとともに、保護パディングとして機能する。ヘルメットに配置された装置４１０は、複合材料１００によって受けた衝撃がリアルタイムで分析されるように、電圧データを外部計算装置４５０に伝送し得る。このことにより、コーチや医療関係者は、例えば、衝撃が発生したとほぼ同時に震とうのリスクを評価することができる。ヘルメット内の装置４１０はまた、外部計算器４５０が電圧データを要求するまでの間、電圧データ（または複数の電圧データ）を保存し得る。この手法にて、例えば、医療関係者は、例えば自転車事故などの事故後に、受けた衝撃全ての深刻度を評価するためにデータを取得することができる。いくつかの実施形態では、装置４１０は、ボクシンググローブ、フェンシングジャケット、またはサンドバックといった他の装備などの別の種類の保護ギアに配置されることができる。装置４１０は、この装置において、当該保護ギアまたは他の装備により受けた衝撃に関する情報を提供しつつ、保護パディングとしても機能し得る。

いくつかの実施形態では、装置４１０は靴の中に配置され得る。例えば、装置４１０は、管理された研究室の外の自然環境における個人の歩き方を分析することができるスマートインソールとすることができる。複合材料１００はこのようにして、圧縮歪みゲージとして機能するとともに、パディングされた挿入物として機能し得る。装置４１０は矯正器具、トレーニング、およびカロリー表示などにフィードバックを提供し得る。このような実施形態では、装置４１０は、各衝撃行為に対応する複数の電圧データを保存することができ、使用者や外部コンピュータなどの要求を受けて当該データは伝送される。

いくつかの実施形態では、装置４１０は義肢などの構造物上に配置され得る。複合材料１００は、例えば使用者に感覚を与える人工器具用肌として使用され得る。例えば、衝撃行為は、硬い表面に対して義指を押すこと（感触）になるかもしれず、装置４１０は使用者の神経レセプターに衝撃または感触に関するフィードバックを提供するかもしれない。当該構造物はまたロボット型付属物であってもよく、複合材料１００は当該ロボットに同様の方法で感触に関するデータを提供するかもしれない。いくつかの実施形態では、複合材料１００は、テニスラケット、ゴルフクラブ、または野球バット等のハンドル上に配置されてもよく、装置４１０は使用者のグリップを分析するのに使用され得る。

いくつかの実施形態では、装置４１０はマットレスに含まれていてもよい。複合材料１００は、歪みゲージとしてだけでなく、マットレスまたはマットレスパッドとして機能し得る。当該装置は圧力の位置を検出することができ、当該位置における圧力を低下するメカニズムを作動させ得る。圧力ポイントでの低下は、介護者が患者と相互干渉することなく、床ずれ頻度を低下させ得る。装置４１０はこのようにして、使用者の就寝中に、システムに運動の動きを分析させることができるかもしれない。本明細書に提供される例は、網羅的ではなく、且つ制限される意図ではない。

図４では圧縮歪みについて論じたが、複合材料１００はまた、引張り歪みや他の変形に対して圧抵抗性および圧電応答を示すと理解される。このように、装置４１０は、例えば、サイクルの一部としてプレートが引き離されるブッシング構成における、変形を検出し測定するために容易に採用され得る。従って、装置４１０は圧縮歪みの検出や測定に制限されない。

図５は、複合材料１００の一例の圧電応答と、変形または歪み量との直線関係を説明したグラフである。複合材料が歪むにつれ圧電応答を生成し、その結果、検出器において異なる電圧になる。当該応答は当該材料が受けた変形量に直接相関しており、図５の最上ラインに図示されているとおり、変形に対して直線関係である。歪みが解放されると、当該材料は電圧応答の相関した低下を生じる。当該材料のこれらの特性により、後の歪みが正確に測定されるよう校正することができる。複合材料１００を用いた、必ずしも全ての実施形態が直線応答を示し得るわけではないと理解されている。いくつかの実施形態では非直線応答を示し得るが、適切な校正をすれば、当該材料が受ける変形量に相関した応答となり得る。換言すれば、圧電応答は、後の衝撃での変形を決定するために校正され得るよりも、変形によっていくぶんか変化する。

図６は、繰り返し歪み行為を経た複合材料のいくつかの実施形態における、圧電応答の不変性（例、ドリフトの不存在）を説明したグラフである。図６は、複合材料１００のいくつかの実施形態における圧電応答は、高い繰り返し可能性を有し、繰り返しサイクルにおいてドリフトしないことを実証する。ＨＤＳＧｓを含む多くの圧電センサーは、拡張した時間にわたって歪みを正確に測定する能力に影響をもたらすドリフトを被っている。ドリフトは、ゲージの圧電応答または圧抵抗性が繰り返し歪み行為により経時的に劣化したときに起こる。例えば、ドリフトを被るセンサーは、１ニュートンの力による一度目の一衝撃に対する応答として１アンペア（amp）を生成し得、１ニュートンの力による二度目の衝撃に対する応答として０．９アンペア（.9 amps）を生成し得、１ニュートンの力による三度目の衝撃に対する応答として０．８アンペア（.8 amps）などを生成し得る。このように、センサーは、再校正なしでは、繰り返しサイクルにわたって衝撃での変形を正確に測定することができない。ＨＤＳＧｓを含む多くの圧電および圧抵抗性センサーとは異なり、図６は、複合材料１００が、繰り返し歪み行為への応答として不変の電圧を生成し、このことは多くの生物学的環境にとって理想的であることを説明する。

図７は、複合材料の一実施形態に対して行われたドロップテスト出力からの結果を説明したグラフである。図７の例では、マトリックスが、約３％の導電性安定材および１０％の導電性ナノ粒子を有するポリウレタン発泡体であった。荷重セルの天面に搭載された複合材料の一部に衝撃を与え得るスライディングハンマーが、加速度計とともに設置された。図７は、この複合材料の試料が、同時に測定される力および加速度により特徴づけられる各衝撃に対して不変の電圧応答をもたらすことを示す。複合材料の例は、ハンマーが発砲体から取り除かれたときに、第二の応答を表すということも示す。

図８は、実施形態に従った、圧電歪みゲージの製造方法例８００を説明したフローチャートである。方法８００は、少なくとも８０％歪み以下の圧縮歪みを測定するための、圧電または圧抵抗センサーとして使用し得る複合材料および構成部材を製造する。８０５では、少なくとも一つの導電性充填材が硬化されていないエラストマー性ポリマーと混合される。上述で表わされるとおり、導電性充填材は導電性ナノ粒子および／または導電性安定材を含んでもよい。硬化されていないエラストマー性ポリマーと混合される導電性充填材の比および量はゲージの所望の特性に依存する。例えば、仮に更なるエネルギー吸収またはより固い発泡体が望ましければ、より多くの導電性安定材を硬化されていないエラストマー性ポリマーと混合することができる。仮に、例えばより多くの空隙を含有する材料など、より小さい径であってもより高い多孔性が望ましければ、より多くの導電性ナノ粒子を硬化されていないエラストマー性ポリマーと混合することができる。これは、より多くのナノ粒子は、空隙数を増加させるが当該空隙の径は低下させてしまう核ポイントを増加させるからである。本明細書で論じられた通り、導電性ナノ粒子の量は前記材料の空隙率、ナノ接合の形成、導電性パスの形成などに影響し、これは圧電および圧抵抗効果に影響をもたらす。

８１０では、前記材料中に空隙が形成される。空隙は、エラストマー性ポリマーの２つの構成要素が混合されたときの化学反応の結果として形成され得る。空隙はまた、ガスの分散または発泡剤の導入の結果として形成され得る。空隙は、エラストマー性ポリマーの硬化プロセスの一部として形成され得る。空隙の量（空気の体積分率）およびサイズは、材料の多孔性を決定する。材料の多孔性は、複合材料内で観測される圧電および圧抵抗応答に影響を与え得る。例えば、約４０％〜８０％の体積分率の空気を有するポリウレタン発泡体マトリックスを含有する複合材料は、許容可能な圧電応答を生成するが、約８０％超の体積分率の空気では圧電応答が劣化することが判明している。同様に、１０μｍ〜３００μｍの範囲の空隙を有する複合材料内で適切な圧電応答が観測されている。圧電ゲージに使用される複合材料の最適多孔性もまた、使用されるマトリックスの種類および歪みゲージの目的に依存し得る。加えて、材料の量を増加させつつ（例、導電性充填材と混合されたより多くのエラストマー性ポリマーを鋳型に注入することにより）、体積を一定に保つことにより（例、鋳型を用いて）、結果物としての複合材料中の空隙のサイズは低下し、対応してヤング係数が増加する。前記複合材料の当該係数は、それゆえに、複合材料が一般的な物に埋め込まれ、歪みゲージとして機能し、且つ通常の生理学的環境においてデータを収集するよう、既存の発泡体と合致する。

８１５では、混合物が、例えば鋳造により、塗布により、噴霧により、押出しにより、または鋳型成型により形成され、そして硬化される。一度形成され硬化されると、混合物は、更なる処理を経ることなく圧電センサーとして作用することができる複合材料である。換言すれば、硬化された複合材料は、充電される、またはセンサーとして作用するために加えられる別の材料もしくは層を有する必要が無い。このように、複合材料は無添加物である。プローブや電圧検出器といった更なる構成部材は、圧電応答を検出するために必要となることがある一方で、当該複合材料は、添加材なしで当該応答を生成する。いくつかの実施形態では、工程８１５および８１０は組み合わせることができると理解されている。換言すれば、混合物が形成および／または硬化されるとき、または硬化工程の結果として、空隙が形成し得る。

８２０では、硬化された複合材料、または圧電歪みセンサーが、電圧検出器と動作可能に連結され得る。例えば、電圧検出器は、前記材料中に配置された１本以上のプローブを通じて連結され得る。当該プローブは複合材料と共に鋳造されてもよく、または複合材料が硬化された後に挿入されてもよい。仮に電圧検出器がメモリーを備えていない場合は、当該電圧検出器はまた、８２５においてメモリーと動作可能に連結されてもよい。メモリーは、衝撃または他の歪み誘発行為への応答として検出された電圧を示す電圧データを保存し得る。当該電圧データは、電圧検出器によって検出された電圧を示す電圧値、および、日付／時間、電圧識別子などの追加の情報を含んでもよい。当該電圧データは、分析のために計算器に伝送され得る。

図９は、一実施形態に従った、歪みセンサーとして機能する複合材料の製造方法例９００を説明したフローチャートである。工程９００は、図８００の工程８０５の一部として、導電性充填材を硬化されていないエラストマー性ポリマーと混合することの一例となり得る。工程９００の例では、前記導電性充填材は、導電性安定材および導電性ナノ粒子の双方を含み、前記硬化されていないエラストマー性ポリマーは、形成および硬化するまでは分離されているＡ部分およびＢ部分を含む。このようなエラストマー性ポリマーの例は、制限されることなく、シリコーン発泡体、ポリウレタン発泡体、ラテックス発泡体、ビニル・ニトリルなどを含む。９０５では、前記硬化されていないエラストマー性ポリマーの、所望量の部分Ａおよび部分Ｂが測定される。９１０では、所望量の導電性安定材、例えばニッケルでコートされた炭素繊維、が測定される。一実施形態では、導電性安定材の量は、前記エラストマー性ポリマーの重量の約１〜７％である。９１５では、測定された導電性安定材の一部が前記エラストマー性ポリマーの部分Ａに添加される。部分Ａと混合される部分は、前記エラストマー性ポリマーの部分Ｂと混合される部分よりも小さくし得る。いくつかの実施形態では、導電性安定材の測定量の約４０％が部分Ａに添加され、６０％が部分Ｂに添加される。いくつかの実施形態では、部分Ａと混合する部分は部分Ａと部分Ｂとの重量比に関連することがある。いくつかの実施形態では、混合は、例えば撹拌によって、および/または、遠心ミキサーなどの専用ミキサーを通じて達成され得る。例えば、前記導電性安定材は、ガラス棒を用いて部分Ａと混合され、その後遠心ミキサーに投入され、当該導電性安定材が部分Ａ中に完全かつ一様に分散されるのが確実になるまで混合され得る。混合時間は使用されるエラストマー性ポリマーによることがある。例えば、ウレタン発泡体は２０００ｒｐｍで２０秒間混合することができる一方で、シリコーン発泡体は、当該発泡体を鋳型に注入することができる時間として２０００ｒｐｍで１０秒間混合することができる。前記導電性安定材の残りの部分は、工程９２０において、硬化されていないエラストマー性ポリマーの部分Ｂと混合され得る。当該残りの部分は、工程９１５について記載されているのと同様の方法で混合され得る。

ステップ９２５では、所望量の導電性ナノ粒子が測定される。いくつかの実施形態では、測定された導電性ナノ粒子の重量は、エラストマー性ポリマーの重量の約５〜２０％であり得る。いくつかの実施形態では、前記導電性ナノ粒子は測定に先立ってふるいにかけられてもよい。例えば、前記導電性ナノ粒子は、測定された導電性ナノ粒子が大きな塊を有しないように、メッシュ中を押通しまたはメッシュ上で掻き取られてもよい。９３０では、測定された導電性ナノ粒子の一部が、硬化されていないエラストマー性ポリマーの部分Ａと混合され、９３５では、前記導電性ナノ粒子の残りの部分が、硬化されていないエラストマー性ポリマーの部分Ｂと混合される。いくつかの実施形態では、部分Ａと混合される導電性ナノ粒子の部分は、部分Ｂと混合される部分よりも少なく、例えば４０％である。前記導電性安定材と同様に、当該導電性ナノ粒子は、遠心ミキサーを用いて、当該ナノ粒子が、硬化されていないエラストマー性ポリマー全体に完全かつ一様に分散されるよう混合される。

９４０では、硬化されていないエラストマー性ポリマーの部分Ａと部分Ｂを一緒に混合し得る。当該部分は撹拌により、振とうにより、または遠心ミキサーなどの専用ミキサーにより混合してもよい。いくつかの実施形態では、当該部分は、遠心ミキサー内で、使用されるエラストマー性ポリマーに応じて、２０００ｒｐｍで１０〜２０秒間混合してもよい。一度混合されると、前記複合材料は形成され得る。例えば、当該複合材料は、鋳造、鋳型成形、噴霧、塗布などされ、且つ硬化される。例えば、前記エラストマー性ポリマーは、空隙の形成および硬化のために、加熱された鋳型内に注入されてもよい。例えば、当該２部分が一緒に混合され、鋳型に注入された後の２部分系ポリマー中で、前記エラストマー性ポリマーは空隙の形成に起因して増大し、そして加熱された鋳型の中で固まる、または硬化され得る。加熱された鋳型は、発泡体が増大するのを補助し得、硬化時間を減少させ得るが、当該鋳型は必ずしも加熱されなくてもよい。方法９００は一例の方法であり、その工程は変更され得ると理解される。例えば、実施形態は、前記導電性安定材を前記エラストマー性ポリマーの一部分と混合し、前記導電性ナノ粒子を当該エラストマー性ポリマーの別部分と混合することを含むことができる。実施形態はまた、他の変更を含むことができる。

図１０は、実施形態に従って、歪みゲージとして機能する複合材料を用いた、変形の測定方法例１０００を説明したフローチャートである。方法１０００は、上述された前記複合材料を歪みセンサーとして使用するシステムによって実行されてもよい。１００５では、電圧検出器が、複数の空隙および導電性充填材を含有するエラストマー性ポリマーを含む非層状材料に対する衝撃への応答として生成された電圧を検出し得る。当該導電性充填材は、上述の通り、導電性ナノ粒子、導電性安定材、またはこれら２つの組み合わせを含んでもよい。非層状材料は、硬化に際して、充電、層状化、または他の構成要素を添加されることなく、圧電応答を生成する能力がある複合材料である。１０１０では、装置が、電圧を示すデータを計算器に伝送し得る。当該計算器は外部計算器であり得、当該電圧データはワイヤレスで伝送され得る。いくつかの実施形態では、当該計算器はマイクロコントローラであってもよい。いくつかの実施形態では、前記伝送は、例えば、前記歪みセンサー含む装置と計算器との間のユニバーサルシリアルバス接続を通じた有線であってもよい。いくつかの実施形態では、前記データは、電圧の検出への応答として伝送され得る。換言すれば、当該データはリアルタイムで伝送され得る。１０１５では、当該計算器が、電圧に対して変形を決定し得る。いくつかの実施形態では、変形はエネルギー吸収量を示し得る。いくつかの実施形態では、当該変形は大きさ、力積、衝撃エネルギー、歪みなどを示し得る。当該計算器は、変形についての情報を使用者に提供し得る。

図１１は、実施形態に従った、圧電応答を示す複合材料を用いての繰り返し衝撃に対する電圧データの収集方法例１１００を説明したフローチャートである。方法１１００は、歪みセンサーとしての前記複合材料を含むシステムによって実行されてもよい。１１０５では、電圧検出器が、複数の空隙および導電性充填材を含有するエラストマー性ポリマーを含む非層状材料への衝撃に対する応答として生成した電圧を検出し得る。当該導電性充填材は、上述した通り、導電性ナノ粒子、導電性安定材、またはこれら２つの組み合わせを含んでもよい。前記非層状材料は、硬化に際して、充電、層状化、または他の構成要素を添加されることなく、圧電応答を生成する能力がある複合材料である。当該システムは、１１１０において、電圧を示す電圧データをメモリーに保存し得る。当該データは、電圧、当該電圧が検出された日付および／または時間、当該電圧を検出するのに使用された電圧検出器またはプローブの識別子などを示す値を含んでもよい。

前記システムは、それから、１１１５においてデータを送信するか否かを決定し得る。いくつかの実施形態では、当該システムは、データが保存されるとすぐに当該データを送信し得る。いくつかの実施形態では、当該システムは、例えば使用者または外部計算器によって開始された要求など、データへの要求を待ち得る。仮に当該システムが、データは送信されないべきであると決定するならば（１１１５における「いいえ」）、当該システムは、衝撃行為を監視し続け、当該行為を検出する電圧データを保存し得る。仮に当該システムが、データは送信されるべきであると決定するならば（１１１５における「はい」）、当該システムは、１１２０において、複数の電圧データを外部計算器へ伝送し得る。いくつかの実施形態では、一度データが伝送されると、当該データはメモリーから削除され得る。計算器では、当該システムは、データによって示される衝撃行為に対する変形、および任意で歪み速度を決定するために前記複数の電圧データを分析し得る。当該分析は、例えばディスプレイまたはプリンターを通じて使用者に提供されるグラフ、チャート、または、報告書を生成することを含むことができる。当該データは、歪みゲージが使用される製品の種類によって、種々の手段で使用され得ると理解される。例えば、当該データは、歩行分析、矯正器具のカスマイズ、損傷評価、グリップ分析、感触フィードバック、運動の動き分析、早期警告用衝突検出（例、車のバンパー）、重量感知スイッチ（例、自動エアバッグを有効、無効にする重量感知材料）に使用され得る。当該センサーはまた、事故の第一応答者評価のための衝撃の検出ができるように、車のダッシュボードやドアのパッド中に埋め込まれることができる。

図４に戻って参照すると、いくつかの実施形態では、当該システム４００および計算器４５０は、例えば有線装置および／またはワイヤレス装置（例、Ｗｉ−Ｆｉ、ジグビー、またはブルートゥースが有効な装置）であってもよく、例えば、計算体（例、パーソナルコンピューティング機器）、サーバ装置（例、ウェブサーバ）、携帯電話、タッチスクリーン装置、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ラップトップ、一つ以上のプロセッサーを含む、または関連するテレビジョン、タブレット機器、電子リーダー、および／またはそれらに続く物であってもよい。計算器４５０は、一つ以上の種類のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、オペレーティングシステム、ランタイムライブラリ、および／またはそれらに続くものを含む、一つ以上のプラットフォーム（例、一つ以上の類似の、または異なるプラットフォーム）に基づいて動作するよう構成されてもよい。

計算器４５０のコンポーネント（例、モジュール、プロセッサー）は、一つ以上の種類のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、オペレーティングシステム、ランタイムライブラリ、および／またはそれらに続くものを含む、一つ以上のプラットフォーム（例、一つ以上の類似の、または異なるプラットフォーム）に基づいて動作するよう構成されてもよい。いくつかの実施形態では、当該計算器４５０のコンポーネントは、装置のクラスター（例、サーバファーム）内で動作するよう構成されてもよい。このような実施形態では、当該計算器４５０のコンポーネントの機能性および処理は、当該装置のクラスター中の複数の装置に分散されてもよい。

当該計算器４５０のコンポーネント（例、当該計算器４５０の圧縮衝撃分析モジュール４５５）は、電圧データを分析するように構成された任意の種類のハードウェアおよび／またはソフトウェアであってもよく、それらを含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、図４中の圧縮衝撃分析モジュール４５５の一以上の部分が、ハードウェア系モジュール（例、デジタル・シグナル・プロセッサー（ＤＳＰ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、メモリー）、ファームウェア・モジュール、および／またはソフトウェア系モジュール（例、コンピュータ・コードのモジュール、コンピュータ上で実行可能な一組のコンピュータ読み取り可能命令）であってもよく、それらを含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、当該計算器４５０の一つ以上の部分は、少なくとも一つのプロセッサー（図示されていない）による実行のために構成されたソフトウェア・モジュールであってもよく、それらを含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記コンポーネントの機能性は、図４に示されているものとは異なるモジュール、および／または異なるコンポーネントに含まれてもよい。

いくつかの実施形態では、当該計算器４５０の一つ以上のコンポーネントは、メモリーに保存された命令を処理するために構成されたプロセッサーであってもよく、それらを含んでもよい。例えば、圧縮衝撃分析モジュール４５５（および／またはその部分）は、一つ以上の機能を実現する処理に関連した命令を実行するために構成されたプロセッサーとメモリーとの組み合わせであってもよく、それらを含んでもよい。

図示されていないものの、いくつかの実施形態では、計算器４５０の圧縮衝撃分析モジュール４５５などの前記計算器４５０のコンポーネントは、例えば、データセンター、クラウド・コンピューティング環境、コンピュータ・システム、一つ以上のサーバ／ホスト装置、および／または、それらに続くものの内部において動作するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、前記計算器４５０のコンポーネントは、ネットワーク内部において動作するように構成されてもよい。このように、前記計算器４５０または装置４１０のコンポーネントは、一つ以上の装置および／または一つ以上のサーバ装置を含む、様々な種類のネットワーク環境内部で機能するように構成されてもよい。例えば、当該ネットワークは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、および／またはそれらに続くものであってもよく、それらを含んでもよい。当該ネットワークは、ワイヤレスネットワークおよび／または、例えば、ゲートウェイデバイス、ブリッジ、スイッチおよび／またはそれらに続くものを用いることで実装されたワイヤレスネットワークであってもよく、それらを含んでもよい。当該ネットワークは、一つ以上のセグメントを含むことができ、並びに／或いは、インターネットプロトコル（ＩＰ）および／または独自のプロトコルなどの種々のプロトコルに基づく部分を有することができる。当該ネットワークは、当該インターネットの少なくとも一部分を含むことができる。

いくつかの実施形態では、メモリー４３４および／またはメモリー４５８は、ランダム‐アクセスメモリー、ディスクドライブメモリー、フラッシュメモリー、および／またはそれらの続くものなど任意の種類のメモリーとすることができる。いくつかの実施形態では、メモリー４３４および／またはメモリー４５８は、装置４１０または計算器４５０のコンポーネントと関連付けされた一つ以上のメモリーコンポーネント（例、一つ以上のＲＡＭコンポーネントまたはディスクドライブメモリー）として実施されてもよい。いくつかの実施形態（embodiments）では、校正データ４５２またはメモリー４５８（またはこれらの一部分）はリモートデータベース、ローカルデータベース、分散データベース、リレーショナルデータベース、階層型データベース、および／またはそれらに続くものであってもよい。図４に示される通り、少なくとも校正データ４５２および／または伝送された電圧データのいくつかの部分が、計算器４５０のメモリー４５８（例、ローカルメモリー、リモートメモリー）に保存され得る。いくつかの実施形態では、メモリー４５８は、計算器４５０などの複数デバイスで共有されたメモリーであってもよく、それらを含んでもよい。いくつかの実施形態では、メモリー４５８は、ネットワーク内のサーバ装置（図示されていない）と関連付けされ、計算器４５０のコンポーネントに供するように構成されてもよい。

本明細書に記載された種々の技術の実施形態は、デジタル電子回路部品中で、またはコンピュータのハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせ中で実施されてもよい。実施形態は、コンピュータプログラム製品、すなわち、例えば機械読み取り可能ストレージデバイス（コンピュータ読み取り可能媒体）といった情報キャリア内に、または、伝搬信号内に、プログラマブルプロセッサー、コンピュータ、もしくは複数のコンピュータといったデータ処理装置によって処理され、もしくはデータ処理装置のオペレーションを管理するために、明白に具体化されたコンピュータプログラムとして実施されてもよい。上述のコンピュータプログラムのようなコンピュータプログラムは、コンパイルされた、または解釈された言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書かれてもよく、スタンド−アロンプログラムとして、またはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、もしくはコンピューティング環境での使用に適した他のユニットを含む任意の形式で配備されてもよい。コンピュータプログラムは、一台のコンピュータ上で、または複数のコンピュータ上で一つのサイトで処理されるために配備されてもよく、または、複数サイトにわたって分散され、且つ通信ネットワークにより相互接続されてもよい。

前記方法の工程の多くは、入力データ上で動作して出力データを生成することにより機能を発揮するようにコンピュータプログラムを実行する、一つ以上のプログラマブルプロセッサーによって実行されることができる。方法の工程はまた、例えばＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）といった特殊目的論理回路によって実行され得、装置は、上記特殊目的論理回路として実施され得る。

コンピュータプログラムを処理するのに適切なプロセッサーは、例として、一般および特殊目的マイクロプロセッサの双方、および任意の種類のデジタルコンピュータの基板中に形成された任意の一つ以上のプロセッサーを含む。一般的に、プロセッサーは、リードオンリーメモリーまたはランダムアクセスメモリーまたは双方から、命令およびデータを受け取る。コンピュータの要素は、命令を実行するために少なくとも一つのプロセッサーを含んでもよく、命令およびデータを保存するために一つ以上のメモリーデバイスを含んでもよい。一般的に、コンピュータはまた、例えば、磁気、光磁気ディスク、または光ディスクといったデータを保存するための一つ以上のマスストレージ装置を含んでもよく、または、データを受け取り、もしくはデータを伝送し、もしくは両方を行うために、一つ以上のマスストレージ装置と動作可能に連結されてもよい。コンピュータプログラム命令およびデータを具体化するのに適した情報キャリアは、例えばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ，およびフラッシュメモリー装置といった半導体メモリーデバイス；例えばインターナルハードディスクまたはリムーバルディスクといった磁気ディスク；光磁気ディスク；および、ＣＤ−ＲＯＭおよびＤＶＤ−ＲＯＭディスク、を例として含む全ての形態の不揮発性メモリーを含む。前記プロセッサーおよびメモリーは、特殊目的論理回路によって補完されてもよく、または特殊目的論理回路に組み込まれてもよい。

使用者との対話を提供するため、実施形態は、例えばカソードレイチューブ（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）モニター、またはタッチスクリーンといった、使用者に情報を展示するためのディスプレイ装置、およびキーボード、および、例えばマウスまたはトラックボールといった、これをもって使用者がコンピュータに入力を提供することができるポインティングデバイスを有するコンピュータ上で実施されてもよい。他の種類のデバイスも、使用者との対話を提供するために使用され得る；例えば、使用者に提供されるフィードバックは、例えば視覚フィードバック、聴覚フィードバック、または触覚フィードバックといった感覚フィードバックの任意の形式であってよく；そして使用者からの入力は、音響、音声、または触覚入力を含めた任意の形式で受け取られてよい。

実施形態は、例えば、データサーバとしてのバックエンドコンポーネントを含む、または、例えば、アプリケーションサーバといったミドルウェアコンポーネントを含む、または、例えば、グラフィカルユーザーインターフェースもしくはウェブブラウザーを有するクライアントコンピュータといった、これらを通して使用者が実装（implementation）と対話できるフロントエンドコンポーネント、或いは、そのようなバックエンド、ミドルウェア、もしくはフロントエンドコンポーネントの組み合わせを含むコンピューティングシステム中で実施されてもよい。コンポーネントは、例えば、通信ネットワークといったデジタルデータ通信の任意の形または媒体によって相互接続されてもよい。通信ネットワークの例は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含み、例えばインターネットである。

記載された実施形態の特定の構成要件は本明細書中に記載された通り説明されている一方で、多くの修正、置換、変更、および同等のものが、これより当業者に生じる。従って、添付された請求項は、全てのそのような修正および変更を網羅し、実施形態の範囲に属する意図であると理解される。これらの実施形態は、制限ではなく例示としてのみ開示され、形態および詳細について種々の変更を行い得るものと理解されるべきである。本明細書に記載された装置および／または方法のいかなる部分も相互に排他的な組み合わせを除き、任意の組み合わせに併用され得る。本願明細書に記載された実施形態は、記載された異なる実施形態の機能、構成、および／または特徴の種々の組み合わせ、並びに／あるいは部分的組み合わせを含み得る。

Claims (16)

1. 非層状混合物を含む材料を備え、
   前記非層状混合物が、複数の空隙を有するエラストマー性ポリマーと、前記エラストマー性ポリマー内に配置された複数の導電性充填材とを含有する、装置。
2. 前記複数の導電性充填材が複数の導電性ナノ粒子を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の導電性充填材が導電性物質でコートされた繊維を含む、請求項１〜２のいずれか1項に記載の装置。
4. 前記複数の導電性充填材が、複数の導電性コート付繊維と複数の導電性ナノ粒子との組み合わせを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記材料中に配置された少なくとも２本のプローブと、
   電流発生器と、
   前記少なくとも２本のプローブに連結された抵抗検出器と、
   を更に含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記材料中に配置された少なくとも２本のプローブと、
   前記少なくとも２本のプローブに連結された電圧検出器と、
   前記電圧検出器に動作可能に連結されたメモリーと、
   を更に含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記エラストマー性ポリマー内への前記複数の導電性充填材の配置が、量子トンネル効果に基づいて、圧縮歪みに対する電気的応答を生成するナノ接合を規定することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. エラストマー性ポリマー全体に配置された導電性充填材および空隙を有する均一複合材料に対する衝撃に応じて生成した電気的応答を第一軸に沿って検出することと、
   前記電気的応答に基づいて前記衝撃での変形を決定することとを含み、
   前記衝撃は前記第一軸とは異なる第二軸に沿っている、圧縮歪みを測定する方法。
9. 導電性材料が導電性コート付繊維を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記均一複合材料が、民生装置においてパディングとして機能することを特徴とする、請求項８〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記材料が義肢の一部に用いられ、かつ、前記方法が前記衝撃の前記変形に関するフィードバックを使用者に提供することを更に含むことを特徴とする、請求項８〜９のいずれか１項に記載の方法。
12. 外部計算器に、電圧を示すデータを伝送することと、
    前記外部計算器において、前記衝撃の前記変形を決定することと、
    を更に含む、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記材料の永久変形なしに、前記均一複合材料が６０％歪み以下を測定することを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記電気的応答に基づいて、前記衝撃に対する歪み速度および変形を決定することを更に含む、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. エラストマー性ポリマーと、
    前記エラストマー性ポリマー内に均一に配置された複数の導電性ナノ粒子と、
    前記エラストマー性ポリマー内に均一に配置された複数の空隙と、
    を含み、変形された場合は、第一軸に沿って、および第一軸と直交する第二軸に沿って検出可能な電気的応答を生成する、装置。
16. 前記導電性ナノ粒子が第一の導電性充填材であり、前記エラストマー性ポリマー内部に均一に配置された第二の導電性充填材を更に含むことを特徴とする、請求項１５に記載の装置。