可穿戴箔片為工業(yè)設(shè)備帶來實(shí)時(shí)監(jiān)控

PHSFOR 項(xiàng)目正在開發(fā)的一種柔性蒙皮概念，允許將柔性箔連接到移動的物體或物體上，以監(jiān)控土木工程結(jié)構(gòu)。

長期以來，柔性可穿戴箔片在醫(yī)療保健領(lǐng)域一直被視為監(jiān)測實(shí)時(shí)生命體征、遠(yuǎn)程患者護(hù)理和植入式生物傳感器的下一代工具。在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面，柔性可穿戴電子產(chǎn)品可用于可折疊智能手機(jī)、可卷曲顯示器、健身追蹤器，甚至智能電子紡織品。

但也許令人驚訝的是，柔性可穿戴傳感器在工業(yè)領(lǐng)域越來越受歡迎，特別是用于機(jī)器維護(hù)，這些設(shè)備將允許直接連接到機(jī)器或工人的保形視覺和觸覺數(shù)據(jù)收集。

未來，這項(xiàng)新興技術(shù)可用于實(shí)時(shí)檢查、預(yù)測性維護(hù)和增強(qiáng)作安全性。

這種可拉伸的可穿戴貼片型皮膚配備了多個(gè)傳感器，可以佩戴在皮膚上，也可以扭曲或纏繞在管道或軸等圓柱形部件上。資料來源：科學(xué)報(bào)告/CC BY 4.0

傳感器類型

柔性可穿戴箔片通常使用三種類型的傳感器進(jìn)行機(jī)器維護(hù)。

第一種是柔性光電探測器，其傳感器使用 2D 材料制成，可提供高光響應(yīng)或?qū)獾捻憫?yīng)，同時(shí)保持可彎曲。

這些可穿戴設(shè)備中的第二種傳感器是光纖柔性陣列，它將光纖布拉夫光柵 （FBG） 嵌入可拉伸皮膚中，用于表面的應(yīng)變和熱檢測。這些傳感器即使在變形時(shí)也能正常工作。

這些可穿戴設(shè)備中的第三種傳感器是印刷條狀傳感器，它使用噴墨、絲網(wǎng)印刷石墨烯或銀納米顆粒來檢測土木工程結(jié)構(gòu)中的光學(xué)變化或接觸變形。

使用案例

這些靈活的可穿戴傳感器可用于特定的維護(hù)區(qū)域，例如機(jī)器表面檢查，其中環(huán)繞式光學(xué)元件粘合到渦輪葉片、管道或輸送機(jī)表面，以檢測微裂紋、機(jī)器應(yīng)力或可能表明機(jī)器出現(xiàn)問題的熱異常。

另一個(gè)應(yīng)用是機(jī)器人電子皮膚，其中柔性成像條或貼片可以感應(yīng)觸摸、變形和接觸事件。這使得機(jī)器人能夠幫助安全處理精密部件或人類可能太熱而無法處理的部件。

最后，佩戴柔性微型相機(jī)或成像箔的維護(hù)人員可以在收集實(shí)時(shí)視頻或熱數(shù)據(jù)的同時(shí)檢查難以到達(dá)的區(qū)域。這將減少將笨重設(shè)備擠入風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)部等小區(qū)域的需求。

其中一些用例已經(jīng)作為全球各種項(xiàng)目的一部分進(jìn)行開發(fā)。

PHOSFOR 項(xiàng)目

其中一個(gè)項(xiàng)目被稱為用于光學(xué)傳感的光子皮膚 （PHOSFOS），由歐盟委員會共同開發(fā)，旨在開發(fā)柔性和可拉伸的箔，該箔集成了光學(xué)傳感元件、電源、板載信號處理和無線通信。

帶有嵌入式光纖布拉格光柵的柔性傳感皮膚的演示。資料來源：I P Dubruel/CC BY 3.0可拉伸箔包裹或嵌入或附著在移動的物體或物體上，從而可以感應(yīng)變形、壓力、應(yīng)力或應(yīng)變等機(jī)械特性。

PHOSFOS 可用于持續(xù)監(jiān)測不同類型土木工程結(jié)構(gòu)的完整性和行為，例如：

• 建筑物

• 大壩

• 隧道

• 橋梁

• 礦山

• 風(fēng)車葉片

可穿戴箔將能夠檢測到早期故障、異?；蛭ｋU(xiǎn)警告，以通知公眾或人員危險(xiǎn)。

此外，這些可穿戴傳感器還可用于航空航天，用于監(jiān)測直升機(jī)葉片或飛機(jī)機(jī)翼，以及用于醫(yī)療保健，用于長期監(jiān)測臥床患者的呼吸和心臟活動以及壓力點(diǎn)。

PHOSFOS 項(xiàng)目使用雙折射微結(jié)構(gòu)光纖 （MSF） 和聚合物光纖 （POF） 以及光纖布拉格光柵。這些傳感器的設(shè)計(jì)溫度靈敏度幾乎為零，以應(yīng)對傳統(tǒng)光纖傳感器的傳統(tǒng)溫度敏感問題。這些纖維可以嵌入到柔性皮膚中，在斷裂前可以拉伸高達(dá) 300%。

NASA 損壞檢測系統(tǒng)

NASA 的科學(xué)家們正在研究一種感覺皮膚，該皮膚將在航天器外部實(shí)施，以幫助宇航員確定系統(tǒng)是否受損。

這項(xiàng)技術(shù)被稱為靈活損傷檢測系統(tǒng)（Flexible Damage Detection System），可以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解航天器的損壞位置和嚴(yán)重程度。傳感皮膚作為打印薄層直接嵌入航天器結(jié)構(gòu)上，可以監(jiān)測高速飛行的微粒撞擊飛船，這可能會導(dǎo)致泄漏或觸發(fā)警報(bào)。

美國宇航局表示，目前的技術(shù)需要宇航員進(jìn)行相機(jī)檢查或太空行走來檢測損壞情況。因此，傳感器皮膚技術(shù)對機(jī)上人員的安全大有幫助。

挑戰(zhàn)

雖然這些設(shè)備很有前途，但它們并非沒有挑戰(zhàn)。即耐用性。這是幾乎所有此類可拉伸、可穿戴皮膚設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)。

當(dāng)可穿戴箔片放置在重復(fù)的全范圍運(yùn)動導(dǎo)致箔片比其他區(qū)域（如肘部或膝蓋）拉伸得更遠(yuǎn)的區(qū)域時(shí)，這將成為一個(gè)更大的問題。在機(jī)械中，它可以在接頭或升降機(jī)中。

其他挑戰(zhàn)包括數(shù)據(jù)處理和柔性可穿戴設(shè)備的集成。有時(shí)，這些設(shè)備需要連接器或無線模塊才能在當(dāng)前迭代中正常工作。通常，處理是非箔完成的，以管理傳感器數(shù)據(jù)，這可能會減少獲得結(jié)果的時(shí)間或使接收實(shí)時(shí)更新變得更加困難。雖然這些問題的解決方案正在開發(fā)中，但在當(dāng)前的許多實(shí)施中，它們?nèi)匀淮嬖趩栴}。

最后，這些設(shè)備并不便宜。由于這些設(shè)備處于起步階段，柔性可穿戴箔的大規(guī)模工業(yè)制造仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然印刷和有機(jī)電子學(xué)比硅更實(shí)惠，但基礎(chǔ)設(shè)施尚不具備成本效益。隨著眾多領(lǐng)域開發(fā)更多應(yīng)用程序，這種情況在未來可能會發(fā)生變化。

結(jié)論

工業(yè)成像和傳感器中的這些新興用例表明，將水凝膠、光纖、納米復(fù)合材料等材料相結(jié)合，以改進(jìn)工人與機(jī)器的交互方式，并為發(fā)現(xiàn)所需維修或潛在危險(xiǎn)缺陷提供更安全的替代方案。

隨著技術(shù)的成熟，可穿戴皮膚很可能會嫁接到人類以及機(jī)器人和機(jī)器上，以收集數(shù)據(jù)、感知基礎(chǔ)設(shè)施的變化并在工廠車間內(nèi)或周圍進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。