可穿戴箔片為工業(yè)設(shè)備帶來實時監(jiān)控

PHSFOR 項目正在開發(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)測實時生命體征、遠程患者護理和植入式生物傳感器的下一代工具。在消費電子產(chǎn)品方面，柔性可穿戴電子產(chǎn)品可用于可折疊智能手機、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，特別是用于機器維護，這些設(shè)備將允許直接連接到機器或工人的保形視覺和觸覺數(shù)據(jù)收集。

未來，這項新興技術(shù)可用于實時檢查、預(yù)測性維護和增強作安全性。

這種可拉伸的可穿戴貼片型皮膚配備了多個傳感器，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行機器維護。

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區(qū)域，例如機器表面檢查，其中環(huán)繞式光學(xué)元件粘合到渦輪葉片、管道或輸送機表面，以檢測微裂紋、機器應(yīng)力或可能表明機器出現(xiàn)問題的熱異常。

另一個應(yīng)用是機器人電子皮膚，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，佩戴柔性微型相機或成像箔的維護人員可以在收集實時視頻或熱數(shù)據(jù)的同時檢查難以到達的區(qū)域。這將減少將笨重設(shè)備擠入風(fēng)力渦輪機內(nèi)部等小區(qū)域的需求。

其中一些用例已經(jīng)作為全球各種項目的一部分進行開發(fā)。

PHOSFOR 項目

其中一個項目被稱為用于光學(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警告，以通知公眾或人員危險。

此外，這些可穿戴傳感器還可用于航空航天，用于監(jiān)測直升機葉片或飛機機翼，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。

PHOSFOS 項目使用雙折射微結(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 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施，以幫助宇航員確定系統(tǒng)是否受損。

這項技術(shù)被稱為靈活損傷檢測系統(tǒng)（Flexible Damage Detection System），可以提供實時數(shù)據(jù)，了解航天器的損壞位置和嚴重程度。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。

美國宇航局表示，目前的技術(shù)需要宇航員進行相機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)的全范圍運動導(dǎo)致箔片比其他區(qū)域（如肘部或膝蓋）拉伸得更遠的區(qū)域時，這將成為一個更大的問題。在機械中，它可以在接頭或升降機中。

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，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)果的時間或使接收實時更新變得更加困難。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)制造仍然是一個挑戰(zhàn)。雖然印刷和有機電子學(xué)比硅更實惠，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，以改進工人與機器的交互方式，并為發(fā)現(xiàn)所需維修或潛在危險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器人和機器上，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)或周圍進行實時監(jiān)控。