[发明专利]人工皮肤及弹性应变传感器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请依法要求2011年9月24日提交的美国临时申请号61/538,841的任何和全部的优先权(包括根据35U.S.C.§119(e)的优先权)，以引用的方式将其内容整体并入本文。

本申请涉及2010年9月29日提交的美国申请号61/387,740(代理公司卷号002806-010099)，以引用的方式将其内容整体并入本文。

关于政府赞助研究的说明

本发明是在美国国家科学基金会授予的基金号为CNS0932015的政府支持下完成的。美国政府对本发明享有一定的权利。

对微缩胶片附录的引用

不适用。

技术领域

本发明针对的是用于测量运动和接触的弹性应变和压强的传感器及相关的设备和系统。具体而言，本发明针对的是可用于产生人工皮肤的超弹性应变传感器，所述传感器对运动和接触进行测量。

背景技术

诸如可穿戴计算设备[1]和软性主动矫形设备(soft active orthotics)[2]这些新兴技术依赖于记录形变和表面压强的可伸缩性传感器。这些比皮肤更软的传感器必须在被拉伸至其静止长度的数倍时仍保持具有功能，避免滞后性和永久性形变，并保留穿戴者或主系统的自然力学性质(natural mechanics)。用于应变和压强传感的超弹性换能器(transducer)仅代表了弹性可伸缩性电子设备和计算设备这一远为更广泛并具有潜在革命性的领域的一个方面。

目前，对于可伸缩性电子设备的实现方式包括用于可伸缩性电路和二极管的半导体卡扣(波浪形)膜[3-5]以及嵌有导电液体微通道的弹性体[6-8]。后者使用了多种用于制造软性微流器件的模塑、图形化和光刻技术[9-11]。弹性体的一个优势在于它们是超弹性的，从而允许其具有机械耐久性，且能够被拉伸高达1000％。此类性质在可穿戴设备(如必须承受很大形变和压强的适应性矫形设备和鞋垫)中特别有利。

在软性压强和应变传感和所谓的人工皮肤方面的已有工作包括：由夹层于导电织物间的弹性绝缘体[12-14]或嵌有金膜的硅酮橡胶片[15]构成的电容式传感器。其它工作包括：由嵌有导电性微粒填料[16-18]或离子液体[19-21]的弹性体以及嵌入有半导体纳米线的柔性人工皮肤[22]构成的电阻式传感器。

压强传感的现有设计改编自Whitney应变计，所述Whitney应变计于1949年引入，用于测量肌肉和肢体圆周周长的变化[23,24]。最初的Whitney应变计由填充有水银的橡胶管构成，借助惠斯登电桥测量对应于拉伸的水银通道的电阻变化。近来，这一原理已被扩展至由嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)橡胶的填充有eGaIn的微通道构成的可伸缩性微电子设备[6]。嵌入的eGaIn通道也可作为可伸缩的力学可调天线[7]或作为应变传感器[8]，用于测量高达200％的拉伸。

发明内容

本发明针对可伸缩性或弹性应变和/或压强换能器，所述换能器由嵌有导电液体的柔性材料构成，所述导电液体处于微通道阵列中。按压表面或拉伸柔性弹性体材料使得所述通道的截面产生形变，并改变所述微通道中导电液体的电阻。

本发明还针对对单方向上的应变产生响应的弹性传感器。可通过形成一组细长的微通道，每一微通道实质上平行于应变轴而延伸来实现所述传感器。可通过弯曲部分(loop portion)将所述微通道在其末端互联形成连续通道，在所述连续通道上测量电阻。根据本发明的一些实施方式，弯曲部分在垂直于应变轴的方向上可具有足够大的截面区域，以使得垂直于应变轴方向的应变不会导致传感器电阻的明显变化，从而能够进行单向传感。在这些实施方式中，可放置弹性传感器以使得对单方向上的应变进行测量，并可在不同方向上组合多个本发明所述的弹性传感器，以测量两个以上维度的应变。

本发明还针对包括嵌入的eGaIn通道的弹性传感器，所述弹性传感器还用作分辨率为1kPa、工作范围为0-100kPa的压强传感器。与应变传感相反，压强传感的机制复杂，涉及使用弹性力学和接触力学推导出预测性的数学模型，用于描述外部压强和电导率关系。此外，可通过使用将激光书写[25,26]与软光刻[9,27]结合的无掩膜加工方法制备微米级特征尺度，从而制成嵌入的微通道。

本发明针对可于紧密包装中成形的弹性传感器。可将本发明所述的微通道一起紧密间隔排列在水平面上，并垂直地堆叠。这为高灵敏传感器提供了一个小的、灵活的形状系数。可在皮肤内制造这些传感器配置，所述皮肤可适用于需要对关节位置和运动进行传感的机器人或矫形应用中。