Figura 1. A imagem da capa do Materiais e interfaces aplicados ACS , Volume 12, Edição 9. Crédito: Materiais e interfaces aplicados ACS
Os pesquisadores do KAIST desenvolveram um novo sensor de tensão vestível com base na modulação da transmitância óptica de um elastômero incorporado ao nanotubo de carbono (CNT). O sensor é capaz de ser sensível, estábulo, e medição contínua de sinais físicos. Esta tecnologia, apresentado na edição de 4 de março da Materiais e interfaces aplicados ACS como artigo de capa, mostra grande potencial para a detecção de movimentos humanos sutis e o monitoramento em tempo real de posturas corporais para aplicações de saúde.
Um sensor de tensão vestível deve ter alta sensibilidade, flexibilidade, e extensibilidade, bem como baixo custo. Aqueles usados especialmente para monitoramento de saúde também devem estar vinculados a um desempenho sólido de longo prazo, e ser ambientalmente estável. Vários sensores de deformação extensíveis baseados em princípios piezo-resistivos e capacitivos foram desenvolvidos para atender a todos esses requisitos.
Sensores de deformação piezo-resistivos convencionais usando nanomateriais funcionais, incluindo CNTs como o exemplo mais comum, mostraram alta sensibilidade e ótimo desempenho de detecção. Contudo, eles sofrem de baixa estabilidade e linearidade de longo prazo, bem como considerável histerese de sinal. Como uma alternativa, sensores de deformação piezo-capacitivos com melhor estabilidade, histerese inferior, e maior elasticidade foram sugeridos. Mas, devido ao fato de que os sensores de deformação piezo-capacitivos exibem sensibilidade limitada e forte interferência eletromagnética causada pelos objetos condutores no ambiente circundante, esses sensores de deformação extensíveis convencionais ainda enfrentam limitações que ainda não foram resolvidas.
Figura 2. Diagrama esquemático do sensor baseado nas mudanças de transmitância óptica do filme fino Ecoflex incorporado em CNT. Crédito:Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST)
Uma equipe de pesquisa KAIST liderada pelo professor Inkyu Park do Departamento de Engenharia Mecânica sugeriu que um sensor de deformação extensível do tipo óptico pode ser uma boa alternativa para resolver as limitações dos sensores de deformação convencionais piezo-resistivos e piezo-capacitivos, porque possuem alta estabilidade e são menos afetados por perturbações ambientais. A equipe, então, apresentou um sensor óptico de deformação vestível com base nas mudanças de transmitância de luz de um elastômero incorporado em CNT, que ainda aborda o problema de baixa sensibilidade de sensores de deformação ópticos extensíveis convencionais.
A fim de alcançar uma grande faixa dinâmica para o sensor, O professor Park e seus pesquisadores escolheram o Ecoflex como um substrato elastomérico com boa durabilidade mecânica, flexibilidade, e capacidade de fixação na pele humana, e o novo sensor óptico de deformação vestível desenvolvido pelo grupo de pesquisa mostra, na verdade, uma ampla faixa dinâmica de 0 a 400%.
Além disso, os pesquisadores propagaram as microfissuras sob tensão de tração dentro do filme de CNTs de paredes múltiplas incorporados ao substrato Ecoflex, mudando a transmitância óptica do filme. Ao fazê-lo, foi possível para eles desenvolverem um sensor de deformação usável com uma sensibilidade 10 vezes maior do que os sensores de deformação ópticos convencionais.
Figura 3. Alta sensibilidade e desempenho de detecção confiável do sensor proposto e sua aplicação para monitoramento de movimento de flexão de dedo. Crédito:Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST)
O sensor proposto também passou no teste de durabilidade com excelentes resultados. A resposta do sensor após 13, 000 conjuntos de carregamento cíclico permaneceram estáveis sem qualquer desvio perceptível. Isso sugere que a resposta do sensor pode ser usada sem degradação, mesmo se o sensor for usado repetidamente por um longo tempo e em várias condições ambientais.
Figura 4. Monitoramento de postura usando matriz de sensor de tensão de 3 eixos, e monitoramento de pulso na artéria carótida. Crédito:Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST)
Usando o sensor desenvolvido, a equipe de pesquisa pode medir o movimento de flexão do dedo e usá-lo para o controle do robô. Eles também desenvolveram um conjunto de sensores de três eixos para monitoramento da postura corporal. O sensor foi capaz de monitorar os movimentos humanos com pequenas tensões, como um pulso próximo à artéria carótida e o movimento muscular ao redor da boca durante a pronúncia.
Professor Park disse, "Neste estudo, nosso grupo desenvolveu uma nova plataforma de sensor de deformação vestível que supera muitas limitações do resistivo desenvolvido anteriormente, capacidade, e sensores de deformação extensíveis do tipo óptico. Nosso sensor pode ser amplamente utilizado em uma variedade de campos, incluindo robótica suave, eletrônicos vestíveis, pele elétrica, cuidados de saúde, e até entretenimento. "
