Figure 1. L'image de la couverture avant de Matériaux et interfaces appliqués ACS , Tome 12, Numéro 9. Crédit : Matériaux et interfaces appliqués ACS
Les chercheurs de KAIST ont développé un nouveau capteur de contrainte portable basé sur la modulation de la transmittance optique d'un élastomère intégré dans des nanotubes de carbone (CNT). Le capteur est capable de sensibilité, stable, et la mesure continue des signaux physiques. Cette technologie, présenté dans le numéro du 4 mars de Matériaux et interfaces appliqués ACS comme article de couverture, montre un grand potentiel pour la détection de mouvements humains subtils et la surveillance en temps réel des postures corporelles pour les applications de soins de santé.
Un capteur de contrainte portable doit avoir une sensibilité élevée, la flexibilité, et l'extensibilité, ainsi qu'à faible coût. Ceux utilisés notamment pour la surveillance de la santé doivent également être liés à des performances solides à long terme, et être écologiquement stable. Divers capteurs de contrainte extensibles basés sur des principes piézorésistifs et capacitifs ont été développés pour répondre à toutes ces exigences.
Capteurs de contrainte piézorésistifs classiques utilisant des nanomatériaux fonctionnels, y compris les NTC comme exemple le plus courant, ont montré une sensibilité élevée et d'excellentes performances de détection. Cependant, ils souffrent d'une mauvaise stabilité et linéarité à long terme, ainsi qu'une hystérésis considérable du signal. Comme alternative, capteurs de contrainte piézo-capacitifs avec une meilleure stabilité, hystérésis inférieure, et une plus grande extensibilité ont été suggérées. Mais en raison du fait que les capteurs de contrainte piézo-capacitifs présentent une sensibilité limitée et de fortes interférences électromagnétiques causées par les objets conducteurs dans l'environnement environnant, ces capteurs de contrainte extensibles classiques sont toujours confrontés à des limitations qui restent à résoudre.
Figure 2. Diagramme schématique du capteur basé sur les changements de transmittance optique du film mince Ecoflex intégré au CNT. Crédit : Institut coréen avancé des sciences et de la technologie (KAIST)
Une équipe de recherche KAIST dirigée par le professeur Inkyu Park du département de génie mécanique a suggéré qu'un capteur de contrainte extensible de type optique peut être une bonne alternative pour résoudre les limites des capteurs de contrainte piézo-résistifs et piézo-capacitifs conventionnels, car ils ont une grande stabilité et sont moins affectés par les perturbations environnementales. L'équipe a ensuite introduit un capteur de contrainte optique portable basé sur les changements de transmittance de la lumière d'un élastomère intégré au CNT, qui résout en outre le problème de faible sensibilité des capteurs de contrainte optiques étirables conventionnels.
Afin d'obtenir une large plage dynamique pour le capteur, Le professeur Park et ses chercheurs ont choisi Ecoflex comme substrat élastomère avec une bonne durabilité mécanique, la flexibilité, et attachabilité sur la peau humaine, et le nouveau capteur de contrainte optique portable développé par le groupe de recherche montre en fait une large plage dynamique de 0 à 400%.
En outre, les chercheurs ont propagé les microfissures sous contrainte de traction au sein du film de NTC multi-parois noyés dans le substrat Ecoflex, changer la transmittance optique du film. En faisant cela, il leur a été possible de développer un capteur de contrainte portable ayant une sensibilité 10 fois supérieure aux capteurs de contrainte optiques étirables classiques.
Figure 3. Haute sensibilité et performances de détection fiables du capteur proposé et son application à la surveillance du mouvement de flexion des doigts. Crédit : Institut coréen avancé des sciences et de la technologie (KAIST)
Le capteur proposé a également passé le test de durabilité avec d'excellents résultats. La réponse du capteur après 13, 000 ensembles de chargement cyclique était stable sans aucune dérive notable. Cela suggère que la réponse du capteur peut être utilisée sans dégradation, même si le capteur est utilisé à plusieurs reprises pendant une longue période et dans diverses conditions environnementales.
Figure 4. Surveillance de la posture à l'aide d'un réseau de capteurs de contrainte à 3 axes, et la surveillance du pouls sur l'artère carotide. Crédit : Institut coréen avancé des sciences et de la technologie (KAIST)
En utilisant le capteur développé, l'équipe de recherche a pu mesurer le mouvement de flexion des doigts et l'a utilisé pour le contrôle du robot. Ils ont également développé un réseau de capteurs à trois axes pour la surveillance de la posture corporelle. Le capteur était capable de surveiller les mouvements humains avec de petites contraintes telles qu'un pouls près de l'artère carotide et le mouvement musculaire autour de la bouche pendant la prononciation.
Le professeur Park a dit :"Dans cette étude, notre groupe a développé une nouvelle plate-forme de capteur de contrainte portable qui surmonte de nombreuses limitations des résistances précédemment développées, capacitif, et des capteurs de contrainte extensibles de type optique. Notre capteur pourrait être largement utilisé dans une variété de domaines, y compris la robotique douce, électronique portable, peau électrique, soins de santé, et même du divertissement."
