10/01/2023
Door Ad Spijkers
Onderzoekers in North Carolina ontwikkelden spanningssensoren met een ongekende combinatie van gevoeligheid en bereik.
Onderzoekers van North Carolina State University in Raleigh hebben een rekbare spanningssensor ontwikkeld die een ongekende combinatie van gevoeligheid en bereik heeft. Hierdoor kan de sensor zelfs kleine veranderingen in spanning detecteren met een groter bewegingsbereik dan eerdere technologieën. De onderzoekers demonstreerden het nut van de sensor door nieuwe apparaten voor gezondheidsmonitoring en mens-machine-interface te maken.
Spanningsmeting
Meting van spanning geeft informatie hoeveel een materiaal vervormt ten opzichte van zijn oorspronkelijke lengte. Als je bijvoorbeeld een elastiekje uitrekt tot twee keer zijn oorspronkelijke lengte, is de spanning 100%. Het meten van spanning is nuttig in veel toepassingen, zoals apparaten die de bloeddruk meten en technologieën die fysieke beweging volgen.
Tot op heden is er steeds een afweging geweest. Reksensoren die gevoelig zijn – in staat om kleine vervormingen te detecteren – kunnen niet erg ver worden uitgerekt. Aan de andere kant zijn sensoren die tot grotere lengtes kunnen worden uitgerekt doorgaans niet erg gevoelig. De nieuwe sensor die de onderzoekers hebben ontwikkeld, is zowel gevoelig als bestand tegen aanzienlijke vervorming. Bijkomend kenmerk is dat de sensor robuust is, zelfs bij overbelasting. Dat betekent dat het onwaarschijnlijk is dat hij breekt wanneer de uitgeoefende spanning per ongeluk het detectiebereik overschrijdt.
Samenstelling
De nieuwe sensor bestaat uit een netwerk van zilveren nanodraden ingebed in een elastisch polymeer. Het polymeer heeft een patroon van evenwijdige sneden van een uniforme diepte, afwisselend aan weerszijden van het materiaal: een snede van links, gevolgd door een van rechts, gevolgd door een van links, enzovoort. De patroonsneden maken een groter bereik van vervorming mogelijk zonder in te boeten aan gevoeligheid.
De sensor meet spanning door veranderingen in elektrische weerstand te meten. Naarmate het materiaal uitrekt, neemt de weerstand toe. De sneden in het oppervlak van de sensor staan loodrecht op de richting waarin deze wordt uitgerekt. Dit doet twee dingen. Ten eerste zorgen de sneden ervoor dat de sensor aanzienlijk kan vervormen. Omdat de insnijdingen in het oppervlak opentrekken, ontstaat een zigzagpatroon. Hierdoor kan het materiaal aanzienlijke vervormingen doorstaan zonder het breekpunt te bereiken. Ten tweede dwingt dit het elektrische signaal om verder te reizen, op en neer gaand in de zigzag, wanneer de sneden opentrekken.
Toepassing
Om de gevoeligheid van de nieuwe sensoren te demonstreren, hebben de onderzoekers ze gebruikt om nieuwe draagbare bloeddrukmeters te maken. Om te demonstreren hoe ver de sensoren kunnen worden vervormd, hebben ze een draagbaar apparaat gemaakt om beweging in de rug van een persoon te volgen, wat bruikbaar is voor fysiotherapie. Ook hebben de onderzoekers een mens-machine-interface gedemonstreerd. Ze hebben de sensor gebruikt om een driedimensionale aanraakcontroller te maken die kan worden gebruikt om een videogame te besturen.
De sensor kan eenvoudig worden ingebouwd in bestaande draagbare materialen zoals stoffen en atletische tapes, wat handig is voor praktische toepassingen. En dit is nog maar het begin. De onderzoekers in North Carolina denken dat er een reeks extra toepassingen zal zijn naarmate ze met deze technologie blijven werken.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Shuang Wu, NC State University