[發明專利]人工皮膚及彈性應變傳感器

有效

• 申請號: 201280058090.9
• 申請日: 2012-09-24
• 公開（公告）號: CN103959029B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 羅伯特·J·伍德;樸勇來;卡梅爾·S·馬吉迪;陳博榮;萊·斯特林;康納·詹姆斯·沃爾什;拉迪卡·納格佩爾;戴安娜·楊;伊特·門居奇
• 申請（專利權）人: 哈佛大學校長及研究員協會
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01L9/00;B81B3/00;B25J19/02;A61L27/50
• 代理公司: 北京信慧永光知識產權代理有限責任公司11290
• 代理人: 楊國強,張淑珍

相關申請的交叉引用

本申請依法要求2011年9月24日提交的美國臨時申請號61/538,841的任何和全部的優先權(包括根據35U.S.C.§119(e)的優先權)，以引用的方式將其內容整體并入本文。

本申請涉及2010年9月29日提交的美國申請號61/387,740(代理公司卷號002806-010099)，以引用的方式將其內容整體并入本文。

關于政府贊助研究的說明

本發明是在美國國家科學基金會授予的基金號為CNS0932015的政府支持下完成的。美國政府對本發明享有一定的權利。

對微縮膠片附錄的引用

不適用。

技術領域

本發明針對的是用于測量運動和接觸的彈性應變和壓強的傳感器及相關的設備和系統。具體而言，本發明針對的是可用于產生人工皮膚的超彈性應變傳感器，所述傳感器對運動和接觸進行測量。

背景技術

諸如可穿戴計算設備[1]和軟性主動矯形設備(soft active orthotics)[2]這些新興技術依賴于記錄形變和表面壓強的可伸縮性傳感器。這些比皮膚更軟的傳感器必須在被拉伸至其靜止長度的數倍時仍保持具有功能，避免滯后性和永久性形變，并保留穿戴者或主系統的自然力學性質(natural mechanics)。用于應變和壓強傳感的超彈性換能器(transducer)僅代表了彈性可伸縮性電子設備和計算設備這一遠為更廣泛并具有潛在革命性的領域的一個方面。

目前，對于可伸縮性電子設備的實現方式包括用于可伸縮性電路和二極管的半導體卡扣(波浪形)膜[3-5]以及嵌有導電液體微通道的彈性體[6-8]。后者使用了多種用于制造軟性微流器件的模塑、圖形化和光刻技術[9-11]。彈性體的一個優勢在于它們是超彈性的，從而允許其具有機械耐久性，且能夠被拉伸高達1000％。此類性質在可穿戴設備(如必須承受很大形變和壓強的適應性矯形設備和鞋墊)中特別有利。

在軟性壓強和應變傳感和所謂的人工皮膚方面的已有工作包括：由夾層于導電織物間的彈性絕緣體[12-14]或嵌有金膜的硅酮橡膠片[15]構成的電容式傳感器。其它工作包括：由嵌有導電性微粒填料[16-18]或離子液體[19-21]的彈性體以及嵌入有半導體納米線的柔性人工皮膚[22]構成的電阻式傳感器。

壓強傳感的現有設計改編自Whitney應變計，所述Whitney應變計于1949年引入，用于測量肌肉和肢體圓周周長的變化[23,24]。最初的Whitney應變計由填充有水銀的橡膠管構成，借助惠斯登電橋測量對應于拉伸的水銀通道的電阻變化。近來，這一原理已被擴展至由嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)橡膠的填充有eGaIn的微通道構成的可伸縮性微電子設備[6]。嵌入的eGaIn通道也可作為可伸縮的力學可調天線[7]或作為應變傳感器[8]，用于測量高達200％的拉伸。

發明內容

本發明針對可伸縮性或彈性應變和/或壓強換能器，所述換能器由嵌有導電液體的柔性材料構成，所述導電液體處于微通道陣列中。按壓表面或拉伸柔性彈性體材料使得所述通道的截面產生形變，并改變所述微通道中導電液體的電阻。

本發明還針對對單方向上的應變產生響應的彈性傳感器。可通過形成一組細長的微通道，每一微通道實質上平行于應變軸而延伸來實現所述傳感器。可通過彎曲部分(loop portion)將所述微通道在其末端互聯形成連續通道，在所述連續通道上測量電阻。根據本發明的一些實施方式，彎曲部分在垂直于應變軸的方向上可具有足夠大的截面區域，以使得垂直于應變軸方向的應變不會導致傳感器電阻的明顯變化，從而能夠進行單向傳感。在這些實施方式中，可放置彈性傳感器以使得對單方向上的應變進行測量，并可在不同方向上組合多個本發明所述的彈性傳感器，以測量兩個以上維度的應變。

本發明還針對包括嵌入的eGaIn通道的彈性傳感器，所述彈性傳感器還用作分辨率為1kPa、工作范圍為0-100kPa的壓強傳感器。與應變傳感相反，壓強傳感的機制復雜，涉及使用彈性力學和接觸力學推導出預測性的數學模型，用于描述外部壓強和電導率關系。此外，可通過使用將激光書寫[25,26]與軟光刻[9,27]結合的無掩膜加工方法制備微米級特征尺度，從而制成嵌入的微通道。

本發明針對可于緊密包裝中成形的彈性傳感器。可將本發明所述的微通道一起緊密間隔排列在水平面上，并垂直地堆疊。這為高靈敏傳感器提供了一個小的、靈活的形狀系數。可在皮膚內制造這些傳感器配置，所述皮膚可適用于需要對關節位置和運動進行傳感的機器人或矯形應用中。