[发明专利]人工皮肤及弹性应变传感器

说明书

可将弹性应变传感器引入人工皮肤，所述人工皮肤能够通过所述皮肤下衬的支持结构对弯折进行传感，从而检测并跟踪所述支持结构的运动。可通过在弹性基体材料的两个以上通道中填充入导电液体而形成单向的弹性应变传感器。在通道的末端，弯曲部分将通道相连，形成蛇形的通道。通道在应变方向上延伸，弯曲部分在与应变方向垂直的方向上具有足够大的截面区域，以使得传感器是单向的。在蛇形通道的末端测量电阻，所述电阻可用于确定传感器的应变。可增加额外的通道以提高传感器的灵敏度。可将传感器叠放在彼此的顶部以增加传感器的灵敏度。在其它实施方式中，可将两个朝向不同方向的传感器叠放在彼此的顶部，结合在一起形成双向传感器。可在顶部叠加以螺旋或同心圆形状形成的第三传感器，用于对接触或压强进行传感，从而形成三维传感器。可将这一三维传感器纳入人工皮肤中，从而提供高级的传感。

相关申请的交叉引用

本申请是中国专利申请201280058090.9的分案申请。

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CNS 0932015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