新型传感器利用运动能量实现人机界面

2022年4月25日，中国诺森布里亚大学（NPU）的研究人员宣布了一种新开发的摩擦电触觉传感器，该传感器从人体典型的日常运动中获取能量，并将其转化为可用能量。

 

触觉水凝胶传感器被放置在单个手指上，可以为机械手的运动提供动力，为HMI系统提供足够的动力进行低功率动作。图片由Advanced Science提供

 

研究人员希望这种设备能产生新一代可穿戴健身追踪器和智能手表，它们由弯曲、拉伸和扭转动作提供动力。

 

获取能量的运动

能量收集装置在没有外部组件或电源的情况下连续、周期性地或按需地接收电力。行业标准的能量收集设备通常依赖热能、风能或太阳能，但不依赖物理运动。然而，现在，世界各地的研究人员正在探索运动作为一种不会给系统增加额外重量或尺寸的能量形式。

摩擦电纳米发电机（TENG）从应用于可穿戴设备的摩擦中获取能量。TENG面临的主要挑战落在生产方面，因为用于可穿戴设备的基于TENG的传感器不容易变形到腕带或踝带。制造一个足够薄的传感器以使其成形，同时又能承受环境因素和汗水也是困难的。

 

影响摩擦电能产生的TENG组件。图片由NPG Asia Materials提供

 

Richard Fu教授领导的NPU研究涉及一种触觉水凝胶传感器（THS），该传感器通过在没有任何外部电源的情况下测量摩擦电输出信号的变化来检测细微的压力变化。

这种新方法依赖于金字塔图案材料和一种名为聚二甲基硅氧烷（PDMS）的有机硅聚合物之间的摩擦。这两个表面之间的摩擦产生摩擦电，为可穿戴设备提供更多可用能量。

 

NPU研究收获运动

NPU的传感器原型包括基于TENG的传感器所缺乏的一个功能：水凝胶。水凝胶具有防脱水和防冻性能，有助于传感器通过外部元件供电。研究人员将这种新型传感器作为人机界面（HMI）的一部分，人机界面是将人与机器系统或设备连接起来的用户界面或仪表板。

 

产生能量的不同活动的例子。图片（已修改）由Advanced Science提供

 

HMI设置分为三部分：触觉传感器、信号处理系统（阈值模块）和机械手。当应用于机器人手时，水凝胶传感器可以通过伸展、压缩和旋转手的运动产生可用的功率。小动作和小模拟为HMI提供了5 V至26.9 V峰值电压的输出范围。这些小动作包括单独的手指动作。

该传感器还可以承受-20°C至60°C的温度和高湿度。研究人员表示，这些传感器的主要应用是检测健康状况和测量积极运动的表现。