日本静冈大学(Shizuoka University)电子学研究所(Research Institute of Electronics)与乐器制造商雅马哈公司(Yamaha Corporation)的研究人员携手,针对在可穿戴设备中的弹性应变传感器使用长度约毫米波(mmWave)级的多壁碳纳米管(MWCNT)展开研究。

该乐器制造商不仅着眼于在虚拟现实(VR)应用,以轻质且软性的数据手套取代大型且笨重的手套,同时也看好这种数据手套将会自然地满足音乐家的需要——透过这种超薄且可伸展的软性传感器,更能有效地监测音乐家极其细微的手指动作。 20160619-yamaha-1 在最近发表于《ACS Sensors》期刊中一篇名为“结合MWCNT/弹性塑料的可伸展传感器实现快速响应的人体动作侦测”(Rapid-Response, Widely Stretchable Sensor of Aligned MWCNT/Elastomer Composites for Human Motion Detection)的研究报告,日本研究人员发表这种专为整合于可穿戴感测系统(无论是针对手臂、手部或手指等)而设计的薄型CNT应变传感器研究成果。

研究人员们用单向对齐的MWCNT薄层浸渍弹性体,使电极的每一个末端都具有导电膏,从而形成了几公分长的传感器,而且还可拉伸更长2倍。所取得的这些应变传感器仅有几微米厚,但具有不到15ms的反应时间以及超过10的量规因子(即更高灵敏度)。

这 些应变传感器同时表现出可重复性,且具有很高的电阻变化线性度。研究人员将此结果归功于使用较长的CNT束(以及300-800μm长的MWCNT)。虽 然弹性化造成的裂缝与间隙会导致阻抗增加,但由于MWCNT较长,仍与相邻的CNT彼此滑动与摩擦而保持接触,确保更能逐渐减少导电率受到间隙产生的影响。而在收缩时,MWCNT能够更密集地重组,并恢复原有的阻力。

更重要的是,这些新的传感器不需要任何特殊的读取电路或放大器,但可抗外部噪声以及对于相当高阻抗范围的高度灵敏度,使其易于整合至以织品布料打造的可穿戴设备中。

研究人员指出,这种软性且可伸展的应变传感器适用于运动、健康、复建与机器人等不同领域的应用,可用于动态测量与分析各种动作。研究人员还开发出一款整合 CNT应变传感器的袖套原型,透过导电镀银合成纤维连接至可伸缩的压缩织品中。最新的设计是一款软性数据手套(如图中钢琴家手上戴的),能够侦测手指关节 的细部动作(手套上的黑色条纹即CNT应变传感器),而不至于妨碍配戴者的动作。

Yamaha研发部材料与零件组经理Katsunori Suzuki分享Yamaha对于这种产品发展远景的看法。“在研究报告中介绍的这种数据手套是专为侦测音乐家肌张力不全(一种神经性的动作障碍)时的手指动作而设计的,它是我们与日本一家大学合作进行的研究。”

“我们目前并未计划销售这项技术给消费者,但将在2016年针对VR应用发表更可靠的设计。”

在今年于东京举办的第二届可穿戴设备展会上,Yamaha利用其VR手套原型进行了一场现场钢琴演奏,透过迭加传感器数据于VR的虚拟双手上,并与钢琴家的手指动作同步演奏。

“我们正在研究如何使VR手套的应用成为一种辅助钢琴家改善演奏技巧的工具。我们认为VR手套十分适合搭配音乐学习软件,以提供实时的建议,”Suzuki铃木补充说,“因为我们的VR手套较CyberGlove等市场上现有的手套更轻薄且更具有伸缩弹性。” 20160619-yamaha-2 更坚固耐用版VR,具有追踪标记,适于工业VR应用

该 公司并以相同的系统展示了在早期设计时间的VR手动组装原型,仿真汽车引擎的组装过程。手套的配戴者还可以同时戴上Oculus Rift头戴设备,显示汽车引擎的3D CAD数据,以及随VR手套的动作模拟组装者的手部动作。在此情况下,手套分别搭载了在自由空间下的手部追踪动作标记。 20160619-yamaha-3 基于CNT-应变传感器的开发工具包

Yamaha已经开始为户推出传感器开发工具包了,其中包括两个传感器带,以及一个可拆卸的蓝牙无线发射器。此外,该公司还发表一款“布线系统”(wiring systems),可直接连接USB端口以显示来自传感器的原始数据。

编译:Susan Hong

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