創新感測器實現複雜系統的即時監控

流體彈性體驅動器 (Fluidic Elastomer Actuators, FEAs) 是可以被壓縮的管子或膜，能夠輕易地變形為複雜的機械裝置。因為它們輕巧且靈活，這使得它們在機器人技術和生醫設備中受到廣泛關注。

然而，準確測量它們的動態反應和變形是個挑戰，因為傳統的傳感器，如壓電加速度計和壓阻式傳感器，並不適合用於像圓頂屋頂或複雜形狀的自由表面。這些傳感器的金屬外殼限制了大變形，影響了 FEAs 的性能。

此外，準確測量 FEAs 的動態反應在汽車設計中也非常重要。在設計高效且安全的新車時，對充氣結構的輪胎進行振動和靜壓的測量是不可避免的。這些測量不僅揭示了汽車的性能，還能顯示其結構健康狀況。

受到這項技術空白的啟發，由日本芝浦工業大學 (Shibaura Institute of Technology, SIT) 的 Naoki Hosoya 教授領導的科學家團隊探索了介電彈性體傳感器 (DES) 來解決這一挑戰。團隊成員包括來自 SIT 的 Haruyuki Kurata 先生、來自加吉達馬達大學 (University of Gadjah Mada) 的 Ardi Wiranata 博士、來自東京科學院 (Institute of Science Tokyo) 的 Shingo Maeda 教授、來自愛丁堡大學 (The University of Edinburgh) 的 David Garcia Cava 博士，以及來自愛丁堡大學的 Francesco Giorgio-Serchi 博士。

這項研究發表在《測量》期刊上，探討了如何利用 DES 測量柔性流體結構上的壓力和振動反應。Hosoya 教授指出：「我們的研究探討了如何有效地實施 DES 以進行柔性流體驅動器的實時狀態估算和控制。」

為了理解這種傳感器的工作原理，科學家團隊使用聚二甲基矽氧烷 (PDMS) 和碳納米管製作了一種電容式 DES。這種傳感器被測試用來測量在氣動驅動下的柔性流體系統的振動反應，並能測量高達 100 Hz 的振動。

該設備通過捕捉電容的變化來測量振動和靜壓。當 DES 受到外力作用導致變形時，電容會增加。團隊發現，DES 對振動幅度的反應是線性的，並且當靜壓降低時，其靈敏度會增加。

Hosoya 教授解釋道：「傳統傳感器如壓電加速度計和壓阻式傳感器的質量和剛性會強烈影響底層充氣結構的動態特性，可能會妨礙驅動器的正常運作。」與壓阻式傳感器不同，DES 是靈活的，能承受大變形，使其非常適合用於 FEAs 的實時監測。

這些發現突顯了 DES 作為柔性機器人和健康監測的有價值的傳感設備的潛力。DES 能在複雜的變形環境中運作，為機器人技術、生醫設備和大型基礎設施的應用樹立了新的標準。

Hosoya 教授表示：「DES 能夠捕捉高度可變形設備或結構的快速動態反應，顯示出在柔性機器人控制和結構監測中的潛在作用。」

「這些結果表明，輕巧且高度可拉伸的 DES 可以方便地用作複雜流體網絡中的嵌入單元，幫助監測這些類型的驅動器，最終促進它們的觀察和控制，而不會對其運作造成任何限制。」