Определение многомерных датчиков силы
Многомерные датчики силы — это класс высокоточных датчиков, способных измерять силы в нескольких направлениях одновременно, включая силы давления, растяжения и скручивания. Миниатюризация этих датчиков означает, что их можно интегрировать в очень маленькие устройства, такие как медицинские имплантаты, миниатюрные роботы или высокоточные промышленные системы управления. Миниатюризация позволяет этим датчикам занимать меньше места, потреблять меньше энергии и работать лучше.
Важность миниатюризации
Важность миниатюризации заключается в ее способности обеспечивать применение многомерных датчиков силы в областях, ранее ограниченных пространственными ограничениями.
Например, в малоинвазивной хирургии миниатюрные датчики могут быть интегрированы в хирургические инструменты для обеспечения обратной связи по усилию в реальном времени, тем самым повышая точность и безопасность операции. В смартфонах и носимых устройствах миниатюрные датчики могут использоваться для обеспечения более точной сенсорной обратной связи и мониторинга состояния здоровья пользователей.
Технологическая основа миниатюризации многомерных датчиков силы
Достижения в области материаловедения
Разработка новых наноматериалов и композитных материалов является ключом к миниатюризации многомерных датчиков силы. Например, использование таких материалов, как углеродные нанотрубки (УНТ) и графен, позволяет создать более легкие, чувствительные и долговечные датчики. Эти материалы не только улучшают характеристики датчиков, но и значительно уменьшают их размер.
Помимо углеродных нанотрубок и графена, при разработке многомерных датчиков силы используется множество других новых наноматериалов и композитных материалов. Например, оксид графена (ГО) с его большой площадью поверхности и хорошей проводимостью является идеальным материалом для изготовления высокочувствительных датчиков. Кроме того, двумерные дихалькогениды переходных металлов (ДМД) обладают превосходными механическими и электрическими свойствами, подходящими для изготовления высокопроизводительных миниатюрных датчиков.
Что касается композитных материалов, сочетание наноматериалов с традиционными материалами может эффективно улучшить характеристики датчиков. Например, сочетание углеродных нанотрубок с полимерами позволяет создать сенсоры высокой прочности и чувствительности. Более того, сочетание нанокерамики с металлами позволяет создавать датчики, устойчивые к высоким температурам и коррозии.
Применение новых наноматериалов и композитных материалов не только способствует миниатюризации многомерных датчиков силы, но также открывает новые возможности для функционализации и интеллектуальной интеграции датчиков. Например, комбинируя биомиметические материалы с наноматериалами, можно создать датчики с биомиметическими функциями. Кроме того, объединение наноматериалов с оптическими материалами позволяет создавать датчики с оптическими сенсорными функциями.
Вклад технологий микроэлектроники
Технология микроэлектроники, особенно технология микроэлектромеханических систем (МЭМС), является одной из ключевых технологий для достижения миниатюризации многомерных датчиков силы. Технология MEMS позволяет интегрировать механические компоненты, датчики, приводы и электронные системы в масштабе микрометра, значительно уменьшая размер датчиков, сохраняя или даже улучшая их производительность.
В частности, технология MEMS позволяет добиться миниатюризации многомерных датчиков силы за счет:
- Миниатюрный структурный дизайн: технология MEMS может использовать методы микрообработки для создания миниатюрных механических структур, таких как микропружины и микробалки, которые могут эффективно воспринимать многомерные силы, такие как сила и крутящий момент.
- Миниатюрные чувствительные элементы. Технология MEMS позволяет использовать микроэлектронику для производства миниатюрных чувствительных элементов, таких как пьезорезистивные датчики и емкостные датчики, которые могут преобразовывать силовые сигналы в электрические сигналы.
- Миниатюрные схемы обработки сигналов. Технология MEMS позволяет использовать микроэлектронику для создания миниатюрных схем обработки сигналов, таких как усилители и фильтры, которые могут обрабатывать электрические сигналы для извлечения необходимой информации.
Кроме того, технология микроэлектроники также открывает новые возможности для функционализации и интеллектуальной интеграции многомерных датчиков силы. Например, сочетание технологии микроэлектроники с биометрической технологией позволяет разработать многомерные датчики силы с биометрическими функциями. Аналогичным образом, интеграция микроэлектроники с оптической технологией может создать датчики с функциями оптического считывания.
Таким образом, технология высокоточного производства является одной из ключевых технологий миниатюризации, функционализации и интеллектуальной интеграции многомерных датчиков силы. Достижения в области высокоточных производственных технологий будут способствовать быстрому развитию многомерных технологий измерения силы, что сделает жизнь людей более удобной.
Расширение и влияние на области применения
Приложения в секторе здравоохранения
В секторе здравоохранения миниатюрные многомерные датчики силы производят революцию в традиционных методах диагностики и лечения. Например, их можно интегрировать в носимые устройства для мониторинга физиологических параметров, таких как частота сердечных сокращений и артериальное давление, в режиме реального времени. В малоинвазивной хирургии точная силовая обратная связь, обеспечиваемая этими датчиками, может помочь врачам более безопасно и точно использовать хирургические инструменты.
Для диагностики миниатюрные многомерные датчики силы могут использоваться для:
- Мониторинг физиологических параметров в режиме реального времени: встроенные в носимые устройства, они могут контролировать частоту сердечных сокращений, артериальное давление, частоту дыхания, температуру тела и т. д., помогая в раннем выявлении и профилактике заболеваний.
- Помощь в диагностике заболеваний: они могут измерять мышечную силу, диапазон движений суставов и т. д., помогая в диагностике скелетно-мышечных и неврологических расстройств.
- Содействовать раннему скринингу: они могут обнаруживать ранние признаки серьезных заболеваний, таких как рак и сердечно-сосудистые заболевания, что позволяет начать лечение на ранних стадиях.
Для лечения эти датчики можно использовать для:
- Помощь в минимально инвазивной хирургии: точная обратная связь по силе помогает хирургам работать с инструментами более безопасно и точно, повышая показатели успеха хирургических операций.
- Реабилитационная терапия: мониторинг прогресса пациента в реабилитации, помощь в эффективных восстановительных упражнениях.
- Помощь в роботизированной хирургии: определение хирургической среды и физиологии пациента для обеспечения обратной связи в реальном времени для более безопасных роботизированных операций.
Умное производство и робототехника
В интеллектуальном производстве и робототехнике миниатюрные многомерные датчики силы улучшают восприятие роботов и повышают точность их работы, позволяя выполнять сложные и деликатные задачи, такие как точная сборка и детальный контроль качества.
Для восприятия робота эти датчики могут:
- Воспринимайте информацию об окружающей среде в рабочем пространстве робота, такую как форма, положение и сила объекта, улучшая способности восприятия. Например, измерение силы на рабочем органе робота для определения веса и формы объекта; измерение крутящего момента для определения направления и интенсивности вращения объекта; и измерение силы и крутящего момента для полного понимания динамики объекта.
Для управления роботом они могут:
- Управление движениями робота, такими как сила и крутящий момент руки, повышает точность и стабильность работы. При точной сборке они обеспечивают точное позиционирование деталей; при проверке качества они обнаруживают дефекты поверхности и внутренней структуры для детальной оценки качества.
В целях безопасности роботов они могут:
- Чувствуйте силы взаимодействия между людьми и роботами, чтобы обеспечить безопасное сотрудничество человека и робота. Например, определение расстояния и силы контакта для предотвращения несчастных случаев в совместных рабочих пространствах.
Приложения в бытовой электронике
Миниатюрные многомерные датчики силы расширяют функциональность и интеллект бытовой электроники, такой как смартфоны и носимые устройства, улучшая чувствительность сенсорного экрана, отслеживая движения и даже состояние психического здоровья.
В смартфонах они могут:
- Улучшите чувствительность сенсорного экрана, распознавая давление пальцев, позволяя управлять громкостью телефона, масштабированием изображения и т. д.
- Улучшите игровой процесс, распознавая движение и ориентацию телефона, обеспечивая реалистичное взаимодействие в игре.
- Обеспечьте функции мониторинга здоровья, оценивая силу захвата, частоту сердечных сокращений и другие физиологические показатели для отслеживания состояния здоровья.
В носимых устройствах они могут:
- Отслеживайте состояние движения, работая с акселерометрами и гироскопами для отслеживания шагов, расстояния, сожженных калорий и т. д.
- Контролируйте качество сна, оценивая позу во время сна и частоту дыхания для лучшего понимания сна.
- Контролируйте психическое здоровье, оценивая электродермальную активность (EDA) для измерения уровня стресса и тревоги, побуждая к расслаблению, чтобы избежать чрезмерного стресса.
Кроме того, эти датчики находят применение в:
- Умные дома: управление умными замками, освещением и т. д.
- Виртуальная и дополненная реальность: предлагает более реалистичный опыт взаимодействия.
Будущие тенденции и направления развития Применение новых материалов
Будущие многомерные датчики силы будут продолжать исследовать более легкие, прочные и чувствительные материалы для дальнейшего повышения производительности и уменьшения размера.
- Двумерные материалы, такие как графен, обладают исключительными механическими, электрическими и оптическими свойствами, позволяющими создавать высокочувствительные, прецизионные и маломощные датчики.
- Металлоорганические каркасы (MOF) с большой площадью поверхности, настраиваемой пористостью и богатым химическим функционалом для создания чувствительных и многофункциональных датчиков.
Интеграция искусственного интеллекта и больших данныхСочетание искусственного интеллекта и технологий больших данных с многомерными датчиками силы расширяет возможности анализа данных и принятия решений, открывая путь для инновационных приложений и усовершенствований в сенсорных технологиях.
Время публикации: 28 февраля 2024 г.