Figura 1. Imagen de la portada de Materiales e interfaces aplicados ACS , Volumen 12, Número 9. Crédito: Interfaces y materiales aplicados ACS
Los investigadores de KAIST han desarrollado un novedoso sensor de deformación portátil basado en la modulación de la transmitancia óptica de un elastómero incorporado en nanotubos de carbono (CNT). El sensor es capaz de sensibles, estable, y medición continua de señales físicas. Esta tecnología, presentado en la edición del 4 de marzo de Interfaces y materiales aplicados ACS como artículo de portada, muestra un gran potencial para la detección de movimientos humanos sutiles y la monitorización en tiempo real de las posturas corporales para aplicaciones sanitarias.
Un sensor de tensión portátil debe tener una alta sensibilidad, flexibilidad, y capacidad de estiramiento, así como de bajo costo. Los que se utilizan especialmente para el control de la salud también deben estar vinculados a un rendimiento sólido a largo plazo, y ser ambientalmente estable. Se han desarrollado varios sensores de deformación extensibles basados en principios piezorresistivos y capacitivos para cumplir con todos estos requisitos.
Sensores de deformación piezorresistivos convencionales que utilizan nanomateriales funcionales, incluyendo los CNT como el ejemplo más común, han demostrado una alta sensibilidad y un gran rendimiento de detección. Sin embargo, sufren de una mala estabilidad y linealidad a largo plazo, así como una histéresis de señal considerable. Como alternativa, sensores de deformación piezo-capacitivos con mejor estabilidad, histéresis más baja, y se ha sugerido una mayor capacidad de estiramiento. Pero debido al hecho de que los sensores de deformación piezo-capacitivos exhiben una sensibilidad limitada y una fuerte interferencia electromagnética causada por los objetos conductores en el entorno circundante, Estos sensores de deformación extensibles convencionales todavía se enfrentan a limitaciones que aún no se han resuelto.
Figura 2. Diagrama esquemático del sensor basado en los cambios de transmitancia óptica de la película delgada Ecoflex incrustada en CNT. Crédito:Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)
Un equipo de investigación de KAIST dirigido por el profesor Inkyu Park del Departamento de Ingeniería Mecánica sugirió que un sensor de deformación extensible de tipo óptico puede ser una buena alternativa para resolver las limitaciones de los sensores de deformación piezo-resistivos y piezo-capacitivos convencionales. porque tienen una alta estabilidad y se ven menos afectados por las perturbaciones ambientales. Luego, el equipo introdujo un sensor óptico de deformación portátil basado en los cambios de transmitancia de luz de un elastómero incrustado en CNT. que además aborda el problema de baja sensibilidad de los sensores de deformación extensibles ópticos convencionales.
Para lograr un gran rango dinámico para el sensor, El profesor Park y sus investigadores eligieron Ecoflex como un sustrato elastomérico con buena durabilidad mecánica, flexibilidad, y accesibilidad a la piel humana, y el nuevo sensor óptico de deformación portátil desarrollado por el grupo de investigación muestra un amplio rango dinámico de 0 a 400%.
Además, los investigadores propagaron las microfisuras bajo tensión de tracción dentro de la película de CNT de paredes múltiples incrustadas en el sustrato Ecoflex, cambiando la transmitancia óptica de la película. Al hacerlo, les fue posible desarrollar un sensor de deformación portátil con una sensibilidad 10 veces mayor que los sensores de deformación elásticos ópticos convencionales.
Figura 3. Alta sensibilidad y rendimiento de detección confiable del sensor propuesto y su aplicación al monitoreo del movimiento de flexión de los dedos. Crédito:Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)
El sensor propuesto también ha pasado la prueba de durabilidad con excelentes resultados. La respuesta del sensor después de las 13, 000 conjuntos de carga cíclica se mantuvo estable sin ninguna deriva notable. Esto sugiere que la respuesta del sensor se puede utilizar sin degradación, incluso si el sensor se utiliza repetidamente durante mucho tiempo y en diversas condiciones ambientales.
Figura 4. Monitoreo de la postura usando una matriz de sensores de deformación de 3 ejes, y monitorización del pulso en la arteria carótida. Crédito:Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)
Usando el sensor desarrollado, el equipo de investigación pudo medir el movimiento de flexión de los dedos y lo utilizó para el control del robot. También desarrollaron una matriz de sensores de tres ejes para el monitoreo de la postura corporal. El sensor pudo monitorear los movimientos humanos con pequeñas tensiones como el pulso cerca de la arteria carótida y el movimiento de los músculos alrededor de la boca durante la pronunciación.
El profesor Park dijo:"En este estudio, Nuestro grupo desarrolló una nueva plataforma de sensor de tensión portátil que supera muchas limitaciones de resistivo desarrollado previamente, capacitivo y sensores de deformación extensibles de tipo óptico. Nuestro sensor podría usarse ampliamente en una variedad de campos, incluida la robótica suave, electrónica portátil, piel eléctrica, cuidado de la salud, e incluso entretenimiento ".
