[发明专利]一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法

说明书

本发明属于人体运动测量相关技术领域，其公开了一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法，柔性传感器包括第一弹性体层、第二弹性体层、第三弹性体层、第一多壁碳纳米管薄膜及第二多壁碳纳米管薄膜；第一多壁碳纳米管薄膜设置在第三弹性体层上，第二弹性体层设置在第三弹性体层上，且其覆盖第一多壁碳纳米管薄膜；第二多壁碳纳米管薄膜设置在第二弹性体层上，第一弹性体层设置在第二弹性体层上，且其覆盖第二多壁碳纳米管薄膜；第一多壁碳纳米管薄膜与第二多壁碳纳米管薄膜相互垂直设置，且第一多壁碳纳米管薄膜与第二多壁碳纳米管薄膜之间有重叠区域。本发明实现了主被动测量，操作简单，适用性较强。

技术领域

本发明属于人体运动测量相关技术领域，更具体地，涉及一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法。

背景技术

如果把人体看作是一台精密的机器，那分布在人体的骨骼肌便是这台机器的驱动器，正常人体大概有650条骨骼肌，这些肌肉是人体骨骼系统的主要固定者和活动者，人体稳定的姿态来源于相互对抗的力之间的平衡，由骨骼肌产生的力是控制姿态与运动之间复杂平衡的主要方式。

肌肉作为人体的“电机”，既要适应外部复杂的环境，还要受到人体神经系统的调控，肌肉具有非常复杂的结构，每条肌肉都由很多可以产生内力的肌节构成。由于肌肉分布在人体内部，且结构复杂，对于肌肉运动状态的测量在不对人体造成伤害的前提下只能从肌肉外的皮肤表面入手。目前最为成熟的肌肉运动测量方法为肌电图学(EMG)。EMG能够监测到肌肉主动运动时，神经元中所传递的电信号。EMG信号振幅虽然能够用于衡量肌肉力，但这种关系并不稳定，且某些条件下两者并无相关关系，EMG信号容易受到电极配置和大小、以及被测肌肉附近肌肉的干扰等因素的影响，导致信号出现复杂的噪声，难以分析；此外，EMG信号只能测量肌肉的主动运动，在肌肉发生被动运动(不受主动运动控制)时，由于没有电信号的产生故无法测量。相应地，本领域存在着发展一种肌肉主被动状态均可测量的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法，其基于现有肌肉运动状态的测量特点，研究及设计了一种主被动状态均可测量的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法。所述柔性传感器以肌肉形变为出发点，对肌肉运动中，肌肉外皮肤多方向的应变与肌肉膨胀进行测量，具体地，该柔性传感器采用多壁碳纳米管(MW-CNTs)薄膜作为电极，以铂催化硅橡胶(Ecoflex)作为弹性体，两层垂直布置的多壁碳纳米管薄膜独立为两个应变传感器，可以测量出平面内相互垂直的两个方向的应变，两层所述多壁碳纳米管薄膜相互重叠的部分构成平行板电容传感器，可以用于测量传感器受到的、垂直于平面的力的信息，由此实现了主被动状态均可测量的功能。此外，所述柔性传感器通过分层成型制作而成，操作简单，易于实施。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器，所述柔性传感器包括第一弹性体层、第二弹性体层、第三弹性体层、第一多壁碳纳米管薄膜及第二多壁碳纳米管薄膜；所述第一多壁碳纳米管薄膜设置在所述第三弹性体层上，所述第二弹性体层设置在所述第三弹性体层上，且其覆盖所述第一多壁碳纳米管薄膜；所述第二多壁碳纳米管薄膜设置在所述第二弹性体层上，所述第一弹性体层设置在所述第二弹性体层上，且其覆盖所述第二多壁碳纳米管薄膜；所述第一多壁碳纳米管薄膜与所述第二多壁碳纳米管薄膜相互垂直设置，且所述第一多壁碳纳米管薄膜与所述第二多壁碳纳米管薄膜之间有重叠区域；

所述第一多壁碳纳米管薄膜与所述第二多壁碳纳米管薄膜相互独立为两个应变传感器，以实现测量平面内相互垂直的两个方向的应变的测量；所述第一多壁碳纳米管薄膜与所述第二多壁碳纳米管薄膜相互重叠的区域构成平行板电容传感器，以测量所述柔性传感器受到的、垂直于所述测量平面的压力。

进一步地，所述柔性传感器产生横向应变时，所述第一多壁碳纳米管薄膜的初始电阻值随之发生变化，基于所述第一多壁碳纳米管薄膜的电阻值变化量来计算得到横向应变。