一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术实现了主被动测量，操作简单，适用性较强。

【技术实现步骤摘要】
一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法
本专利技术属于人体运动测量相关
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，按照本专利技术的一个方面，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。进一步地，所述柔性传感器产生纵向应变时，所述第二多壁碳纳米管薄膜的初始电阻值随之发生改变，基于所述第二多壁碳纳米管薄膜的电阻值变化量来计算得到纵向应变。进一步地，当所述柔性传感器受到沿其厚度方向的压力时，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的重叠区域构成的电容发生变化，基于得到的电容变化量来得到所述柔性传感器受到的压力。进一步地，所述第一多壁碳纳米管薄膜相背的两端及所述第二多壁碳纳米管薄膜相背的两端分别连接有铜导线，工作时，所述铜导线连接于外部测量电路。进一步地，所述第一弹性体层、所述第二弹性体层及所述第三弹性体层组成弹性体，所述第一多壁碳纳米管薄膜及所述第二多壁碳纳米管薄膜内嵌在所述弹性体内；所述弹性体是采用透明的铂催化硅胶制成的。进一步地，所述第一多壁碳纳米管薄膜呈中字型，其包括第一连接部、第二连接部及中间部，所述第一连接部及所述第二连接部分别连接于所述中间部相背的两侧，所述第一连接部及所述第二连接部均为长方形，所述中间部为正方形。进一步地，所述第一多壁碳纳米管薄膜的结构与所述第二多壁碳纳米管薄膜的结构相同。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种如上所述的用于人体肌肉测量的柔性传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)制备第三弹性体层，并采用喷涂方式在所述第三弹性体层上制备第一多壁碳纳米管薄膜；(2)在所述第一多壁碳纳米管薄膜上制备第二弹性体层；并在所述第二弹性体层上制备第二多壁碳纳米管薄膜；(3)在所述第二多壁碳纳米管薄膜上制备第一弹性体层，由此得到所述柔性传感器。进一步地，所述第三弹性体层、所述第二弹性体层及所述第一弹性体层均是采用铂催化硅胶溶液涂布后、在70℃下加热30分钟得到的。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器及其制备方法主要具有以下有益效果：1.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，由此同时实现了主被动状态的测量，提高了适用性及灵活性，功能较为齐全。2.所述弹性体是采用透明的铂催化硅胶制成的，且所述柔性传感器的厚度小于1毫米，具有非常好的可拉伸性能，能够很好地贴合皮肤，具有很好的可穿戴性。3.所述柔性传感器是通过分层成型制作的，操作简单，易于实施；所述第一多壁碳纳米管薄膜及所述第二多壁碳纳米管薄膜内嵌在所述弹性体内，使得柔性传感器的结构紧凑。4.本专利技术采用多壁碳纳米管薄膜作为电极，多壁碳纳米管具有极高的强度和韧性，具有非常优异的力学性能，由此具有较好的可伸展性及灵活性。附图说明图1是本专利技术较佳实施方式提供的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器的结构示意图；图2是图1中的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器的测量原理示意图；图3是图1中的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器的制备流程示意图；图4是图1中的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器的电阻测量电路示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一弹性体层，2-第二弹性体层，3-第三弹性体层，4-第一多壁碳纳米管薄膜，5-第二多壁碳纳米管薄膜，6-铜导线，7-导电银胶，8-铝基板，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器，其特征在于：/n所述柔性传感器包括第一弹性体层(1)、第二弹性体层(2)、第三弹性体层(3)、第一多壁碳纳米管薄膜(4)及第二多壁碳纳米管薄膜(5)；所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)设置在所述第三弹性体层(3)上，所述第二弹性体层(2)设置在所述第三弹性体层(3)上，且其覆盖所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)；所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)设置在所述第二弹性体层(2)上，所述第一弹性体层(1)设置在所述第二弹性体层(2)上，且其覆盖所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)；所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)相互垂直设置，且所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)之间有重叠区域；/n所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)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(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)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。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于人体肌肉变形测量的柔性传感器，其特征在于：
所述柔性传感器包括第一弹性体层(1)、第二弹性体层(2)、第三弹性体层(3)、第一多壁碳纳米管薄膜(4)及第二多壁碳纳米管薄膜(5)；所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)设置在所述第三弹性体层(3)上，所述第二弹性体层(2)设置在所述第三弹性体层(3)上，且其覆盖所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)；所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)设置在所述第二弹性体层(2)上，所述第一弹性体层(1)设置在所述第二弹性体层(2)上，且其覆盖所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)；所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)相互垂直设置，且所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)之间有重叠区域；
所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)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(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)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。


2.如权利要求1所述的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器，其特征在于：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(4)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(4)的电阻值变化量来计算得到横向应变。


3.如权利要求1所述的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器，其特征在于：所述柔性传感器产生纵向应变时，所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)的初始电阻值随之发生改变，基于所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)的电阻值变化量来计算得到纵向应变。


4.如权利要求1所述的用于人体肌肉变形测量的柔性传感器，其特征在于：当所述柔性传感器受到沿其厚度方向的压力时，所述第一多壁碳纳米管薄膜(4)与所述第二多壁碳纳米管薄膜(5)的重叠区域构成的电容发生变化，基于得到的电容变化量来得到所述柔性传感器受到的压力。

【专利技术属性】
技术研发人员：郭家杰，李鑫，李国民，陈明惠，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42