相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)是中國(guó)專利申請(qǐng)201280058090.9的分案申請(qǐng)。本申請(qǐng)依法要求2011年9月24日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/538,841的任何和全部的優(yōu)先權(quán)(包括根據(jù)35u.s.c.§119(e)的優(yōu)先權(quán))，以引用的方式將其內(nèi)容整體并入本文。本申請(qǐng)涉及2010年9月29日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?1/387,740(代理公司卷號(hào)002806-010099)，以引用的方式將其內(nèi)容整體并入本文。關(guān)于政府贊助研究的說(shuō)明本發(fā)明是在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)授予的基金號(hào)為cns0932015的政府支持下完成的。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明享有一定的權(quán)利。對(duì)微縮膠片附錄的引用不適用。本發(fā)明針對(duì)的是用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)和接觸的彈性應(yīng)變和壓強(qiáng)的傳感器及相關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明針對(duì)的是可用于產(chǎn)生人工皮膚的超彈性應(yīng)變傳感器，所述傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)和接觸進(jìn)行測(cè)量。
背景技術(shù)：
：：諸如可穿戴計(jì)算設(shè)備[1]和軟性主動(dòng)矯形設(shè)備(softactiveorthotics)[2]這些新興技術(shù)依賴于記錄形變和表面壓強(qiáng)的可伸縮性傳感器。這些比皮膚更軟的傳感器必須在被拉伸至其靜止長(zhǎng)度的數(shù)倍時(shí)仍保持具有功能，避免滯后性和永久性形變，并保留穿戴者或主系統(tǒng)的自然力學(xué)性質(zhì)(naturalmechanics)。用于應(yīng)變和壓強(qiáng)傳感的超彈性換能器(transducer)僅代表了彈性可伸縮性電子設(shè)備和計(jì)算設(shè)備這一遠(yuǎn)為更廣泛并具有潛在革命性的領(lǐng)域的一個(gè)方面。目前，對(duì)于可伸縮性電子設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式包括用于可伸縮性電路和二極管的半導(dǎo)體卡扣(波浪形)膜[3-5]以及嵌有導(dǎo)電液體微通道的彈性體[6-8]。后者使用了多種用于制造軟性微流器件的模塑、圖形化和光刻技術(shù)[9-11]。彈性體的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于它們是超彈性的，從而允許其具有機(jī)械耐久性，且能夠被拉伸高達(dá)1000％。此類性質(zhì)在可穿戴設(shè)備(如必須承受很大形變和壓強(qiáng)的適應(yīng)性矯形設(shè)備和鞋墊)中特別有利。在軟性壓強(qiáng)和應(yīng)變傳感和所謂的人工皮膚方面的已有工作包括：由夾層于導(dǎo)電織物間的彈性絕緣體[12-14]或嵌有金膜的硅酮橡膠片[15]構(gòu)成的電容式傳感器。其它工作包括：由嵌有導(dǎo)電性微粒填料[16-18]或離子液體[19-21]的彈性體以及嵌入有半導(dǎo)體納米線的柔性人工皮膚[22]構(gòu)成的電阻式傳感器。壓強(qiáng)傳感的現(xiàn)有設(shè)計(jì)改編自whitney應(yīng)變計(jì)，所述whitney應(yīng)變計(jì)于1949年引入，用于測(cè)量肌肉和肢體圓周周長(zhǎng)的變化[23,24]。最初的whitney應(yīng)變計(jì)由填充有水銀的橡膠管構(gòu)成，借助惠斯登電橋測(cè)量對(duì)應(yīng)于拉伸的水銀通道的電阻變化。近來(lái)，這一原理已被擴(kuò)展至由嵌入聚二甲基硅氧烷(pdms)橡膠的填充有egain的微通道構(gòu)成的可伸縮性微電子設(shè)備[6]。嵌入的egain通道也可作為可伸縮的力學(xué)可調(diào)天線[7]或作為應(yīng)變傳感器[8]，用于測(cè)量高達(dá)200％的拉伸。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對(duì)可伸縮性或彈性應(yīng)變和/或壓強(qiáng)換能器，所述換能器由嵌有導(dǎo)電液體的柔性材料構(gòu)成，所述導(dǎo)電液體處于微通道陣列中。按壓表面或拉伸柔性彈性體材料使得所述通道的截面產(chǎn)生形變，并改變所述微通道中導(dǎo)電液體的電阻。本發(fā)明還針對(duì)對(duì)單方向上的應(yīng)變產(chǎn)生響應(yīng)的彈性傳感器?？赏ㄟ^(guò)形成一組細(xì)長(zhǎng)的微通道，每一微通道實(shí)質(zhì)上平行于應(yīng)變軸而延伸來(lái)實(shí)現(xiàn)所述傳感器。可通過(guò)彎曲部分(loopportion)將所述微通道在其末端互聯(lián)形成連續(xù)通道，在所述連續(xù)通道上測(cè)量電阻。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，彎曲部分在垂直于應(yīng)變軸的方向上可具有足夠大的截面區(qū)域，以使得垂直于應(yīng)變軸方向的應(yīng)變不會(huì)導(dǎo)致傳感器電阻的明顯變化，從而能夠進(jìn)行單向傳感。在這些實(shí)施方式中，可放置彈性傳感器以使得對(duì)單方向上的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，并可在不同方向上組合多個(gè)本發(fā)明所述的彈性傳感器，以測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上維度的應(yīng)變。本發(fā)明還針對(duì)包括嵌入的egain通道的彈性傳感器，所述彈性傳感器還用作分辨率為1kpa、工作范圍為0-100kpa的壓強(qiáng)傳感器。與應(yīng)變傳感相反，壓強(qiáng)傳感的機(jī)制復(fù)雜，涉及使用彈性力學(xué)和接觸力學(xué)推導(dǎo)出預(yù)測(cè)性的數(shù)學(xué)模型，用于描述外部壓強(qiáng)和電導(dǎo)率關(guān)系。此外，可通過(guò)使用將激光書(shū)寫(xiě)[25,26]與軟光刻[9,27]結(jié)合的無(wú)掩膜加工方法制備微米級(jí)特征尺度，從而制成嵌入的微通道。本發(fā)明針對(duì)可于緊密包裝中成形的彈性傳感器?？蓪⒈景l(fā)明所述的微通道一起緊密間隔排列在水平面上，并垂直地堆疊。這為高靈敏傳感器提供了一個(gè)小的、靈活的形狀系數(shù)?？稍谄つw內(nèi)制造這些傳感器配置，所述皮膚可適用于需要對(duì)關(guān)節(jié)位置和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳感的機(jī)器人或矯形應(yīng)用中。在查看下述的附圖、具體實(shí)施方式和權(quán)利要求書(shū)后，將更全面地理解本發(fā)明的這些性能和其它性能以及發(fā)明本身。附圖說(shuō)明圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的彈性應(yīng)變傳感器。圖2示出根據(jù)圖1所示本發(fā)明實(shí)施方式的彈性應(yīng)變傳感器的彎曲部分的近視圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的彈性應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)曲線。圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的彈性壓強(qiáng)傳感器。圖5示出制備根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的彈性應(yīng)變傳感器的方法。圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多模式彈性應(yīng)變傳感器的圖解視圖。圖7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多模式彈性應(yīng)變傳感器。圖8示出制備根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多模式彈性應(yīng)變傳感器的方法。圖9示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多模式彈性應(yīng)變傳感器的分層視圖。圖10a和圖10b示出用于對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多模式彈性應(yīng)變傳感器進(jìn)行測(cè)試的電路圖和測(cè)試配置。圖11示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多模式彈性應(yīng)變傳感器的應(yīng)變與傳感器輸出的圖。圖12示出使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的超彈性應(yīng)變傳感器的單d.o.f.機(jī)械臂的角度測(cè)量。圖13示出使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的超彈性應(yīng)變傳感器的多d.o.f.機(jī)械臂的角度測(cè)量。圖14示出適于使用一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的超彈性應(yīng)變傳感器測(cè)量軀體關(guān)節(jié)角的可伸縮性軀體。圖15示出具有用于測(cè)量手指關(guān)節(jié)角的應(yīng)變傳感器的可伸縮性手套，所述測(cè)量使用一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的超彈性應(yīng)變傳感器。圖16示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，電阻變化與施加的壓強(qiáng)的關(guān)系的曲線。圖17示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，電阻變化與側(cè)向位移(x)的關(guān)系的曲線。圖18示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，嵌有微通道的彈性體的二維平面應(yīng)變示意圖，所述微通道的寬度為w，高度為h。彈性體表面經(jīng)受的壓強(qiáng)p在寬度a的范圍內(nèi)均勻分布。圖19示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，電阻變化與傳感器深度z的關(guān)系的曲線。圖20a和圖20b示出在用于確定關(guān)節(jié)角的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，測(cè)定方法和傳感器的位置。圖20c示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的用于測(cè)量關(guān)節(jié)角的柔性系統(tǒng)。圖21示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的用于測(cè)量足部的力和運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。圖22a-圖22e示出用于多種應(yīng)用中的根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的傳感器系統(tǒng)。具體實(shí)施方式本發(fā)明針對(duì)彈性傳感器及制備彈性傳感器的方法，所述彈性傳感器響應(yīng)單一方向上的應(yīng)變。可通過(guò)在彈性材料、如硅酮橡膠片(ecoflex0030，smoothon，easton，pa；pdms，dowcorning)中形成一組細(xì)長(zhǎng)的微通道來(lái)實(shí)現(xiàn)所述彈性傳感器?？尚纬擅恳晃⑼ǖ朗蛊鋵?shí)質(zhì)上平行于應(yīng)變軸延伸，并且可通過(guò)彎曲部分將所述微通道在其末端互聯(lián)形成連續(xù)通道，在所述連續(xù)通道上測(cè)量電阻。所述連續(xù)通道可填充有導(dǎo)電材料、如導(dǎo)電液體，例如無(wú)毒的共晶鎵-銦(egain，basf)。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述彎曲部分在垂直于應(yīng)變軸的方向上可具有足夠大的截面區(qū)域，以使得垂直于應(yīng)變軸方向的應(yīng)變不會(huì)導(dǎo)致傳感器電阻的明顯變化，從而能夠進(jìn)行單向傳感。在這些實(shí)施方式中，可放置彈性傳感器以測(cè)量一個(gè)方向上的應(yīng)變，也可在不同方向上組合多個(gè)本發(fā)明所述的彈性傳感器，來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上維度的應(yīng)變。圖1和圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的彈性應(yīng)變傳感器100。可在柔性彈性基體材料102上通過(guò)模塑或蝕刻形成細(xì)長(zhǎng)微通道110和彎曲部分120，從而形成應(yīng)變傳感器100。微通道110和彎曲部分120可填充有導(dǎo)電液體130，并且可由所述導(dǎo)電液體130的電阻隨彈性材料和導(dǎo)電液體被拉伸的變化確定傳感器100上的應(yīng)變。彎曲部分120連接了細(xì)長(zhǎng)微通道110的相鄰末端，形成自第一連接儲(chǔ)液池132延伸至第二連接儲(chǔ)液池134的蛇形通道。第一連接儲(chǔ)液池132和第二連接儲(chǔ)液池134可用于注入導(dǎo)電液體130，使其流經(jīng)各個(gè)微通道110，并可與連接至控制系統(tǒng)的導(dǎo)線相連，從而測(cè)量微通道110和彎曲部分120的組合的全部范圍的電阻。圖2示出應(yīng)變傳感器100的彎曲部分120的放大圖。在橫斷面方向上，彎曲部分120可實(shí)質(zhì)上寬于微通道110，以使得在垂直于應(yīng)變軸104的方向上施加的應(yīng)變不產(chǎn)生可觀的電阻增加。這樣，彈性應(yīng)變傳感器100可以對(duì)在沿應(yīng)變軸104上施加的應(yīng)變或具有沿應(yīng)變軸104方向分量的應(yīng)變靈敏，而對(duì)垂直于應(yīng)變軸104方向的應(yīng)變不靈敏。可按統(tǒng)一的截面形成每一微通道110，并填充導(dǎo)電液體，如共晶鎵-銦(egain，可由basf，florhampark，nj獲得)。每一微通道110可實(shí)質(zhì)上為直線形、之字形或s形。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，可通過(guò)彎曲部分120將微通道110的末端彼此相連，以使得可形成填充有導(dǎo)電液體130的單一連續(xù)通道。在這一實(shí)施方式中，每一微通道在平行于應(yīng)變軸的方向上延伸，且當(dāng)對(duì)彈性材料施加應(yīng)變時(shí)，承受所述應(yīng)變的各微通道和導(dǎo)電液體130可被拉長(zhǎng)而使電阻增加。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，每一微通道均被拉長(zhǎng)，使得導(dǎo)電液體通道被拉長(zhǎng)的整體長(zhǎng)度正比于微通道的數(shù)目?？稍黾游⑼ǖ纴?lái)提高應(yīng)變傳感器的靈敏度。在一些實(shí)施方式中，傳感器可包括36個(gè)以上的微通道110，且每一微通道110可以是250μm寬×250μm高，彎曲部分可以是1.0mm寬×250μm高。可通過(guò)彎曲部分120使各個(gè)微通道110相連接，在表面上形成蛇形的連續(xù)通道。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，彎曲部分120的截面區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上可大于未施加應(yīng)變的微通道110，使得在垂直于應(yīng)變軸104的方向上的應(yīng)變不引起電阻的顯著改變。在這一實(shí)施方式中，彈性應(yīng)變傳感器100成為沿應(yīng)變軸104的單向傳感器?？捎扇魏螐椥圆牧闲纬蓮椥詰?yīng)變傳感器100，所述彈性材料包括硅酮和橡膠材料(例如ecoflex0030和ecoflex0050，smoothon，easton，pa；pdms，dowcorning，midland，mi；p-20和gi-1120，innovativepolymers，saintjohns，mi；tapplatinumsiliconesystem，tapplastics，ca)以及軟性聚氨酯材料(例如dragonskin，smoothon，easton，pa；ie-35a，innovativepolymers，saintjohns，mi)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，ecoflex的低粘度(3000cps)混合物可用于復(fù)現(xiàn)模具的精細(xì)特征。一般說(shuō)來(lái)，傳感器的制備步驟可包括制作模具、澆鑄各層、使所述層彼此結(jié)合以及注入導(dǎo)電液體。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可通過(guò)將硅酮材料澆鑄入一個(gè)或多個(gè)3d打印的模具(例如connex500，objetgeometriesltd.)來(lái)生產(chǎn)彈性應(yīng)變傳感器100。在該實(shí)施方式中，可對(duì)一個(gè)層進(jìn)行圖案化，形成微通道110、彎曲部分120和連接儲(chǔ)液池132、134；其它層不進(jìn)行圖案化，提供將與圖案化層結(jié)合的基本為平面的層。在環(huán)境條件下固化約4h后，將彈性體層自模具上移除，并使所述彈性體層與薄的未固化彈性體材料(例如ecoflex)層結(jié)合。為避免填塞外露的微通道，可首先在未圖案化的彈性體模具上旋涂未固化的彈性體薄層(例如1100rpm進(jìn)行45s)，隨后可例如在60℃下在對(duì)流烘箱中固化30s，使其部分固化。隨后可輕輕地將圖案化的彈性體模具與未圖案化的表面結(jié)合?？蓪蓪訌椥泽w層(未圖案化的光滑片層和含有外露的微通道的圖案化片層)在環(huán)境條件下共同固化數(shù)小時(shí)。在所述片層彼此充分結(jié)合后，可使用注射器用egain填充每一通道。最后，可用未固化的彈性體材料的最終涂覆將所述通道的末端密封。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，可通過(guò)在無(wú)掩膜軟光刻圖案化的su-8模具中澆鑄彈性體材料(例如pdms)，制備具有20-300微米范圍微通道的傳感器?？蓪⒐饪棠z(su-82050)旋涂于潔凈的硅晶片上，例如先以500rpm進(jìn)行10s(鋪展)，隨后4000rpm進(jìn)行30s(旋涂)。將晶片置于加熱板上，65℃進(jìn)行3min，95℃進(jìn)行6min。隨后，使用二極管泵浦固態(tài)(dpss)355nm激光微加工系統(tǒng)，通過(guò)激光直寫(xiě)曝光在涂覆的晶片上進(jìn)行圖案化[25,26]?？赏ㄟ^(guò)曝光20μm厚的su-8涂層生產(chǎn)寬度為25-1000μm、間距≥50μm的通道，來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)?？稍诩訜岚迳蠈?duì)晶片進(jìn)行后烘(例如65℃進(jìn)行1min，95℃進(jìn)行6min)，最后在su-8顯影劑中顯影5min。為了使得在隨后的模塑步驟中易于移除，可通過(guò)氣相沉積引入疏水單層?？蓪D案化的晶片置于配有開(kāi)放管(含有幾滴三氯(1h,1h,2h,2h-全氟辛基)硅烷(aldrich))的抽空容器(20mtorr)中3h。隨后，可將pdms(sylgard184；dowcorning，midland，mi)以液體形式(例如，彈性體基底與固化劑的質(zhì)量比為10:1)澆鑄于硅晶片上。隨后可通過(guò)在60℃烘箱中固化30-40min，使pdms在模具中部分交聯(lián)?？赏ㄟ^(guò)氧等離子處理(technicsplasmastripper/cleaner；60w，30s)使圖案化的pdms與未圖案化的pdms結(jié)合，構(gòu)建微通道?？稍诶?0℃過(guò)夜，使密封的微通道完全固化。最后，使用傳統(tǒng)慣用的管線和注射器分配將egain填充入微通道。可通過(guò)用未圖案化的背表面對(duì)圖案化層進(jìn)行模塑，形成圖案化彈性體(例如pdms)的其它層。未圖案化的背表面可類似地與其它圖案化層相結(jié)合。在一些實(shí)施方式中，可用共同的軸將每層的微通道對(duì)齊，并通過(guò)圖案化層中提供層間互聯(lián)的孔或開(kāi)口將所述每層的微通道相連。在一些實(shí)施方式中，每層的微通道可以是分離的，從而提供多于一個(gè)的傳感器。在一些實(shí)施方式中，每層的微通道可沿相交叉的軸延伸，從而允許在多個(gè)方向上進(jìn)行應(yīng)變傳感。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，形成具有36通道的應(yīng)變傳感器，每一通道為250μm寬×250μm高，彎曲部分為1.0mm寬×250μm高。該設(shè)備在靜止態(tài)具有5.8歐姆的標(biāo)稱電阻。應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)(gaugefactor)可如下確定：其中，δr是電阻的變化，r0是靜止態(tài)的電阻，ε是應(yīng)變，α是溫度系數(shù)，θ是溫度變化值。假設(shè)沒(méi)有溫度效應(yīng)，則經(jīng)驗(yàn)確定的靈敏系數(shù)為3.04。圖3示出不考慮溫度效應(yīng)時(shí)，電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系曲線實(shí)質(zhì)上是線性的。圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的壓強(qiáng)傳感器400。在該實(shí)施方式中，可在柔性彈性基體材料402上通過(guò)模塑或蝕刻而引入形狀為螺旋形或一組同心環(huán)的圓形微通道410，形成壓強(qiáng)傳感器400。圓形微通道410可填充有導(dǎo)電液體430，可通過(guò)導(dǎo)電液體430的電阻隨彈性材料和所述導(dǎo)電液體被壓縮而產(chǎn)生的變化確定傳感器400上的壓強(qiáng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，填充有egain材料的直線形微通道可用于同時(shí)測(cè)量施加的壓強(qiáng)和電阻?？捎脤?dǎo)線將填充有egain的通道的末端連接至精密萬(wàn)用表(fluke8845a)。可將寬度為a、長(zhǎng)度為l的剛性玻璃矩形壓入具有數(shù)字式測(cè)高儀(swissprecisioninstruments,inc.)的傳感器。為使得壓強(qiáng)分布更均勻，并更好地模擬觸覺(jué)或彈性接觸，將與所述玻璃矩形面積相同的5mm厚的彈性體片插入至玻璃和傳感器表面之間。可通過(guò)電子秤(6000gohausscoutpro，用于測(cè)量施加在表面上的合力f)為傳感器提供支持。在接觸區(qū)域上施加的平均壓強(qiáng)可計(jì)算為p＝f/al?？墒褂脤?shí)驗(yàn)裝置經(jīng)驗(yàn)性地確定嵌入的填充有導(dǎo)電液體的通道的電阻變化δr與施加的壓強(qiáng)p的關(guān)系。對(duì)于含有寬度w＝2mm、高度h＝1mm且頂面距彈性體表面距離z＝2mm的直線形通道的彈性體，實(shí)驗(yàn)測(cè)定的值(空心圓)與理論預(yù)測(cè)(實(shí)線曲線)均在圖16中繪出。壓強(qiáng)施加在長(zhǎng)度l＝27mm、寬度a＝25mm的區(qū)域上。對(duì)于這一系列測(cè)量，可將接觸區(qū)域(長(zhǎng)度為l)的主軸與通道的中心線對(duì)齊。所述圖包含來(lái)自于多個(gè)負(fù)載與卸去負(fù)載循環(huán)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，顯示出顯著的可重復(fù)性和低的遲滯性。如圖16所示，電阻變化δr隨施加的壓強(qiáng)而以指數(shù)方式增加。該曲線與實(shí)線示出的理論預(yù)測(cè)值高度吻合。需要重點(diǎn)說(shuō)明的是，并未使用數(shù)據(jù)擬合；理論曲線完全是從預(yù)先限定的幾何結(jié)構(gòu)、預(yù)先限定的壓強(qiáng)和egain已知的電阻率ρ＝29.4×10-8ωm-1[6]、橡膠的彈性模量e＝125kpa推導(dǎo)而來(lái)，通過(guò)將壓強(qiáng)與壓痕的深度進(jìn)行比較進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)量。封閉形式的理論解和推導(dǎo)在下一部分示出。如所預(yù)期的，當(dāng)施加的壓強(qiáng)的中心遠(yuǎn)離通道時(shí)，δr進(jìn)一步降低。圖17示出對(duì)于壓強(qiáng)p＝15kpa和p＝25kpa，δr與側(cè)向位移x關(guān)系的曲線。如圖18所示，x定義為通道中心線與接觸區(qū)域主軸之間的水平距離。在兩種壓強(qiáng)下，隨著相對(duì)位移的增加，信號(hào)δr顯著降低。虛線和實(shí)線分別表示的對(duì)于15kpa和25kpa的理論預(yù)期與空心方形和圓形表示的實(shí)驗(yàn)測(cè)量相當(dāng)一致。當(dāng)表面壓強(qiáng)近似均勻時(shí)，在接近接觸區(qū)邊緣處具有小的應(yīng)力集中點(diǎn)。因此，當(dāng)x＝4mm，且通道位于接觸區(qū)中心和邊緣之間時(shí)，標(biāo)稱應(yīng)力略大，測(cè)得更大的響應(yīng)δr。最后，δr與通道深度z(對(duì)于x＝0)關(guān)系的曲線在圖19中示出。參照?qǐng)D18，z定義為彈性體表面與通道頂壁之間的距離。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所展示的，通道遠(yuǎn)離表面則電阻變化δr降低。盡管理論看起來(lái)將絕對(duì)變化高估了2倍，但該理論還是預(yù)測(cè)出了這一趨勢(shì)。嵌有微通道的彈性體機(jī)制復(fù)雜，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式可用近似數(shù)學(xué)分析進(jìn)行建模。根據(jù)這一實(shí)施方式，可用嵌在彈性體半空間中的長(zhǎng)方形截面作為直線形通道的二維表示，從而對(duì)微通道進(jìn)行近似。如圖18所示，該通道具有的寬度為w，高度為h，頂壁與彈性體表面的距離為z?？稍趯挾葹閍的區(qū)域向彈性體表面施加均勻的外部壓強(qiáng)p。如圖18所示，通道的中心與所施加壓強(qiáng)的區(qū)域的中心在水平方向上偏置距離x。對(duì)于與所施加壓強(qiáng)的中心接近的通道(即|x|<a/2且z<a)，彈性形變將使截面區(qū)域縮小，并因此增加電阻。截面區(qū)域的減小主要受到應(yīng)力張量的垂直分量的量級(jí)支配：σz＝σz(x,z；p,a)。由于施加的壓強(qiáng)是壓縮的，因此σz帶負(fù)號(hào)。在線彈性斷裂力學(xué)(lefm)中，裂紋擴(kuò)張的情況下，內(nèi)部應(yīng)力σz的力場(chǎng)線會(huì)在微通道的邊緣附近聚集[28,29]。這是為了滿足在通道壁上零牽引力的邊界條件。由于通道填充有流體，所述壁將不是無(wú)牽引力的，而會(huì)受到液體靜壓力。然而，與引入的標(biāo)稱應(yīng)力σz相比，這一內(nèi)部的通道壓力可被忽略，因此假設(shè)為零牽引力。根據(jù)lefm，施加在裂隙附近的平均垂直應(yīng)力σz將增加裂隙面之間的空隙，該增加量為δh＝2(1-v2)wσz/e，其中v是泊松比，e是彈性模量[28]。由于與彈性體的維度相比微通道很小，因而除每個(gè)通道緊鄰處的應(yīng)力外，它們對(duì)于應(yīng)力分布的影響可忽略。因此，對(duì)于接觸區(qū)域下方(即|x|＜a/2且z＜a)的通道，通道周圍的平均應(yīng)力可近似為σz＝-p。將其代入δh的表達(dá)式，從而總的電阻變化可近似為δr＝ρl/wh{(1/(1-2(1-v2)wp/eh))-1}(2)一般說(shuō)來(lái)，應(yīng)將p替換為χp，其中χ＝χ(x，z)為修正系數(shù)，該修正系數(shù)取決于相對(duì)于通道中心線的位置(x，z)。所述修正系數(shù)χ＝-σz/p可通過(guò)用boussinesq’s方法求解σz得到[30]：可用maple13(waterloomapleincorporated，2009)得到封閉形式的σz初等表達(dá)式。求解χ得到χ＝(c1c2-c3)/c4(4)其中下式用于估計(jì)電阻變化與x和z的關(guān)系：根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于寬范圍內(nèi)的壓強(qiáng)p和相對(duì)位置(x，z)，推導(dǎo)出的關(guān)系與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相符。在圖17和圖19中，理論和實(shí)驗(yàn)間存在大約50％的不一致。這可能是由于理論模型的簡(jiǎn)化假設(shè)，該假設(shè)基于平面應(yīng)變線彈性，忽略了通道對(duì)于全局應(yīng)力分布的影響，并假設(shè)均勻通道塌縮、零表面牽引力和恒定寬度。將這些假設(shè)放寬可用于確定與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合更好的更精確的方程。然而，這些模型需要數(shù)值計(jì)算或有限元分析，而不會(huì)得到封閉形式的代數(shù)解(例如方程(5)所代表的那樣)。除了獲取彈性體壓強(qiáng)換能器的原理機(jī)制以外，理論還揭示了能夠被應(yīng)用于將功能個(gè)性化的若干性質(zhì)。第一個(gè)性質(zhì)使得壓強(qiáng)傳感和拉伸傳感在力學(xué)上能夠解耦合。因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的系統(tǒng)能夠區(qū)分微通道導(dǎo)電性的變化是由壓強(qiáng)引起還是由拉伸引起。第二個(gè)性質(zhì)涉及傳感器的帶寬，即傳感器可檢測(cè)的壓強(qiáng)范圍。通過(guò)選擇合適的微通道深度z和路徑(例如，直線形、蛇形或螺旋形)，傳感器對(duì)壓強(qiáng)和拉伸的響應(yīng)被解耦合。如圖19所展示的，隨著z超過(guò)接觸區(qū)域的寬度a，傳感器的響應(yīng)消失。與此相反，由通道拉長(zhǎng)造成的電阻變化不隨微通道的深度變化。反而，拉長(zhǎng)響應(yīng)受簡(jiǎn)單公式δr/r0＝λ2-1支配，其中r0＝ρl/wh是未拉伸通道的初始電阻，拉伸λ＝lf/l是拉伸長(zhǎng)度lf與自然長(zhǎng)度l之比。這暗示了深嵌入彈性體中的微通道(對(duì)于預(yù)期值a，距表面的距離z>a)僅能測(cè)量拉伸而非壓強(qiáng)?；蛘?，如圖1(a)所示，嵌入彈性體表面附近的螺旋形的微通道將檢測(cè)到壓強(qiáng)而非單軸拉伸。這是因?yàn)樵谝粋€(gè)方向上增加的電阻與垂直方向電阻的減少相平衡。傳感器的帶寬受特征壓強(qiáng)控制，因此僅取決于彈性體的彈性模量e和微通道截面的縱橫比h/w。注意到r0＝ρl/wh是通道的自然電阻，對(duì)于嵌入彈性體近表面處的通道，由方程(2)得到：取決于的比值，電阻相對(duì)變化的范圍為百分之一至數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)?？紤]例如嵌入有寬度w＝100μm、厚度h＝20μm的微通道的ecoflex(e＝125kpa)。響應(yīng)于典型的1-10kpa范圍的按鍵壓強(qiáng)，嵌入的微通道的電阻將改變約1％。與此相反，行走中足-地接觸的峰值壓強(qiáng)在100kpa數(shù)量級(jí)，將導(dǎo)致電阻產(chǎn)生約50％的變化。對(duì)于全部應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)e和h/w進(jìn)行選擇，以使得特征壓強(qiáng)與預(yù)期壓強(qiáng)p的范圍具有可比性。圖5示出制備根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多層應(yīng)變傳感器的方法的圖解視圖。所述方法包括制備每層的模具。在該實(shí)施方式中，提供了傳感器的兩層，從而可使用三個(gè)模具形成如圖5(a)所示的三層彈性體材料。在彈性體材料固化后，將澆鑄材料自模具中移出。如圖5(b)所示，第0層是未圖案化層，可將其留在模具中；第1層可包括對(duì)彈性體材料層間形成的微通道進(jìn)行連接的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。如圖5(c)所示，可用彈性體材料在2000rpm下旋涂第0層50sec，隨后在60℃部分固化1min。如圖5(d)所示，可通過(guò)使用光壓層疊，將第1層結(jié)合至第0層?？赏ㄟ^(guò)與第1層結(jié)合至第0層相同的過(guò)程，使第2層結(jié)合至第1層的頂面。如圖5(e)所示，可使用彈性體材料旋涂第1層的頂面并隨后部分固化?？墒褂孟嗤倪^(guò)程結(jié)合彈性體材料的其它層。如圖5(f)所示，在最后一層結(jié)合至彈性應(yīng)變傳感器后，從模具中移出第0層。用注射器將導(dǎo)電液體130注入通道110。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，在注入過(guò)程中可使用多于一個(gè)的注射器。如圖5(g)所示，可用至少一個(gè)注射器將導(dǎo)電液體(如egain)注入一個(gè)連接儲(chǔ)液池，并可用至少一個(gè)另外的注射器去除捕獲的空氣，該空氣例如來(lái)自于其它連接儲(chǔ)液池。如圖5(h)所示，在將導(dǎo)電液體填充入通道、彎曲部分和連接儲(chǔ)液池后，可將導(dǎo)線插入至連接儲(chǔ)液池。該導(dǎo)線可用于將彈性應(yīng)變傳感器電學(xué)連接至輸入電子設(shè)備，所述電子設(shè)備將會(huì)讀取傳感器的輸出。除了圖1和圖2所示的傳感器外，也可使用圖5所示的層制備圖4所示的壓強(qiáng)傳感器。在該實(shí)施方式中，可在第1層形成壓強(qiáng)傳感器的圓形圖案，并結(jié)合至未圖案化層(本文所述的第0層)。圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的組合或多模式(應(yīng)變和壓強(qiáng)/接觸)傳感器的一個(gè)實(shí)施方式。如圖6(a)所示，根據(jù)這一實(shí)施方式的傳感器可用于對(duì)維度x和y的應(yīng)變和維度z的壓強(qiáng)進(jìn)行傳感。圖6(b)示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的多模式傳感器的頂視圖，其中將兩個(gè)單向應(yīng)變傳感器按照其應(yīng)變軸正交的方式放置，對(duì)維度x和y的應(yīng)變進(jìn)行傳感，而在頂層提供壓強(qiáng)傳感器從而對(duì)維度z的壓強(qiáng)進(jìn)行傳感。圖6(c)示出多模式傳感器每層的圖案。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，多模式傳感器可包括由硅酮橡膠制成的三層軟性傳感器層(圖6)，所述傳感器層具有高度的可伸縮性和柔軟性(模量：69kpa，肖氏硬度：00-30)。第1層和第2層可包括對(duì)軸向應(yīng)變以及接觸壓強(qiáng)靈敏的直線微通道圖案，第3層可包括用于壓強(qiáng)傳感、但對(duì)軸向應(yīng)變不靈敏的圓形圖案?？蓪⒌?層置于第1層的頂部并旋轉(zhuǎn)90度，以檢測(cè)沿垂直軸的應(yīng)變。通過(guò)使用來(lái)自三個(gè)傳感器信號(hào)的組合，所述設(shè)備可檢測(cè)并區(qū)分三種不同的刺激：x-軸應(yīng)變、y-軸應(yīng)變和z-軸壓強(qiáng)(參見(jiàn)圖6(a))?？赏ㄟ^(guò)層間互聯(lián)結(jié)構(gòu)將全部三個(gè)傳感器層連接起來(lái)(圖7的p2和p3)成為一個(gè)回路，該回路在電學(xué)上等效于3個(gè)可變電阻器的串聯(lián)?？墒褂萌鐖D8所示的分層模塑和澆鑄過(guò)程制備多模式傳感器。該過(guò)程可分為三個(gè)步驟：澆鑄、結(jié)合和egain的注入?；撞牧峡梢允菑椥泽w材料，例如硅酮橡膠(例如ecoflex0030，smooth-on，inc.，easton，pa)，選擇硅酮橡膠的理由在于其既具有高度可伸縮性(扯斷伸長(zhǎng)率：900％)，又易于在室溫下澆鑄。為成功地復(fù)制模具的特征，另一考慮是相對(duì)低的混合粘度(3000cps)。第一步是澆鑄單獨(dú)的傳感器層(參見(jiàn)圖8(a)和(b))。使用3d打印機(jī)(例如connex500，objetgeometriesltd.，billerica，ma)制備塑料模具，并將液態(tài)硅酮傾入所述模具。第二步是使所述層結(jié)合，制成單個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖8(c)-(f))。通過(guò)在層間旋涂液態(tài)硅酮使固化的層結(jié)合。使旋涂的硅酮部分固化，防止硅酮堵塞微通道。另外，模具上的對(duì)齊桿便于將層間互聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)齊。最后一步，將egain灌注入微通道，并通過(guò)插入的電極進(jìn)行導(dǎo)線連接(圖8(g)和(h))。圖9示出如何通過(guò)圖8(c)-(e)所述的對(duì)齊將每層結(jié)合至前一層。在每個(gè)結(jié)合步驟中，對(duì)齊對(duì)于通過(guò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)保證通道的層間連接是重要的。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，可包括如圖6所示的多模式傳感器100作為皮膚或活動(dòng)部件外殼的一部分。在該實(shí)施方式中，對(duì)于應(yīng)變傳感(第1層和第2層)，通道尺度可以是200μm×200μm；對(duì)于壓強(qiáng)傳感(第3層)，通道尺度可以是200μm(寬)×200μm(高)。人工皮膚的總尺寸可以是25mm×25mm，厚度可以是約3.5mm。圖10a示出可用于從三個(gè)傳感器層讀取信號(hào)的電路圖?？捎煤懔髟串a(chǎn)生流經(jīng)串聯(lián)的三個(gè)傳感器的恒定電流，在每個(gè)傳感器層上造成壓降?？山柚鷥x表放大器將跨過(guò)每個(gè)傳感器的壓差放大。可將放大的信號(hào)連接至微控制器的三個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換端口，從而分別測(cè)量電阻的變化?？墒褂美绮牧蠝y(cè)試儀(例如，instron5544a，instron，norwood，ma)通過(guò)在多個(gè)方向上施加應(yīng)變和接觸壓強(qiáng)對(duì)多模式傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)于應(yīng)變傳感，多模式傳感器在x-軸和y-軸上均可被拉伸高達(dá)100％(圖10b)；對(duì)于壓強(qiáng)傳感，傳感器的中心可被壓縮高達(dá)60kpa。如圖11所示，在應(yīng)變傳感中結(jié)果顯示出線性，而在壓強(qiáng)傳感中結(jié)果顯示出非線性。圖11(a)示出x-軸應(yīng)變，圖11(b)示出y-軸應(yīng)變，圖11(c)示出z-軸壓強(qiáng)。然而在全部情況下，傳感器的信號(hào)均是可重現(xiàn)的。由于在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中來(lái)自三個(gè)傳感器層的信號(hào)顯示出不同的響應(yīng)，因此標(biāo)準(zhǔn)型(prototype)不僅可以測(cè)量應(yīng)變和壓強(qiáng)的數(shù)量級(jí)，還能夠區(qū)分刺激的類型。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可將一個(gè)或多個(gè)多模式傳感器納入人工皮膚中，在不需要其它傳感器的情況下提供傳感應(yīng)答。這些人工皮膚可用于人形機(jī)器人[31]、機(jī)械假肢器官[34]和軟性可穿戴式機(jī)器人[32],[9]。圖12示出將根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的彈性應(yīng)變傳感器用于測(cè)量機(jī)械臂角運(yùn)動(dòng)的實(shí)例。可將應(yīng)變傳感器貼附于機(jī)械臂的關(guān)節(jié)，所述關(guān)節(jié)具有至少一個(gè)自由度(d.o.f.)?？蓪鞲衅鞯膬啥斯潭ㄓ跈C(jī)械臂，中部可在關(guān)節(jié)上無(wú)摩擦滑動(dòng)。當(dāng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)而將臂彎曲時(shí)，應(yīng)變傳感器沿關(guān)節(jié)被拉伸，所述拉伸正比于角的弧度值。通過(guò)這種方式，可借助根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的彈性應(yīng)變傳感器容易地測(cè)量角的弧度值?？珊?jiǎn)單地計(jì)算弧長(zhǎng)：δl＝rθ。隨后，由方程(1)，可得δr/r0＝gε以及ε＝δl/l0，其中，δr是電阻變化，r0是初始電阻，g是靈敏系數(shù)，ε是應(yīng)變。假設(shè)無(wú)溫度變化，角度變化(θ)可如下確定：其中l(wèi)0是應(yīng)變傳感器的初始長(zhǎng)度?？捎尚?zhǔn)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)性地確定傳感器的應(yīng)變響應(yīng)，該響應(yīng)顯示出線性(圖3)，這意味著g是常數(shù)，且l0、r0和r均為常數(shù)，因此機(jī)械臂的角位置可線性正比于傳感器電阻的變化。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，如圖13所示，通過(guò)在不同的位置添加多個(gè)傳感器，對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳感可擴(kuò)展至測(cè)量3d運(yùn)動(dòng)(多d.o.f.)機(jī)械臂的角位置。假設(shè)圖13中的機(jī)械關(guān)節(jié)僅具有2個(gè)d.o.f.，測(cè)量3d角位置的最少傳感器數(shù)目為2個(gè)，但也可使用更多個(gè)傳感器。當(dāng)傳感器信號(hào)對(duì)于應(yīng)變是線性變化時(shí)，我們可建立簡(jiǎn)單矩陣來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)角，例如：其中θxy和θyz分別是機(jī)械臂在xz和yz平面上投影的角度，s1和s2分別是傳感器1和傳感器2的傳感器信號(hào)。c是校準(zhǔn)矩陣(在本實(shí)例中為2×2)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，應(yīng)變傳感器的應(yīng)用并不限于機(jī)械關(guān)節(jié)。本發(fā)明所述的傳感器可用于測(cè)定人軀體的關(guān)節(jié)角。本發(fā)明所述的傳感器的高度柔軟性和可伸縮性使得所述傳感器容易地適用于不同人的軀體的復(fù)雜外形。圖14和圖15示出應(yīng)用應(yīng)變傳感器從而獲得關(guān)節(jié)角信息的實(shí)例。在這些實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明多個(gè)實(shí)施方式的多模式傳感器可用于測(cè)量比圖12和圖13所示的更為復(fù)雜的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)?？蓪⒈景l(fā)明用于使用本文所述的柔性應(yīng)變和壓強(qiáng)傳感器評(píng)估生物力學(xué)的系統(tǒng)中。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述系統(tǒng)使用柔性傳感器來(lái)檢測(cè)和測(cè)量生物力學(xué)系統(tǒng)(如所研究受試者的關(guān)節(jié)或關(guān)節(jié)組)的應(yīng)變、壓強(qiáng)、剪切力和曲率。如本文所述，如圖1、2、4、6和7所示，柔性傳感器中設(shè)有填充有導(dǎo)電液態(tài)金屬合金的微通道。對(duì)于應(yīng)變傳感器，當(dāng)柔性材料在微通道的軸向上經(jīng)受應(yīng)變時(shí)，通道全長(zhǎng)增加，而通道的截面區(qū)域減小，使得測(cè)得的總電阻增加。為對(duì)給定關(guān)節(jié)相對(duì)于肢體段(limbsegment)的角度進(jìn)行直接測(cè)量，可用該傳感器的關(guān)節(jié)角校準(zhǔn)測(cè)得的電阻。此外，可在受試者所穿鞋子的鞋墊內(nèi)提供一個(gè)或多個(gè)壓強(qiáng)傳感器，來(lái)測(cè)量對(duì)環(huán)境施加的外力。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可提供模塊化傳感器系統(tǒng)，從而每個(gè)關(guān)節(jié)(例如踝部、膝部、臀部、腕部、肘部、肩部等)或剛性軀體(例如手、前臂、足、小腿、大腿)能夠與獨(dú)立的傳感器子系統(tǒng)或模塊相適合。每個(gè)傳感器子系統(tǒng)可包括具有一個(gè)或多個(gè)柔性傳感器的柔性護(hù)具、一個(gè)或多個(gè)處理器和一個(gè)或多個(gè)能量源(電池或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力)。使用者可根據(jù)期望的用途，選擇在受試者的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)或剛性部位使用一個(gè)或多個(gè)傳感器模塊。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可提供混合護(hù)具系統(tǒng)，從而每個(gè)關(guān)節(jié)或剛性軀體能夠與子系統(tǒng)或模塊相適合。每個(gè)子系統(tǒng)可包含一個(gè)或多個(gè)柔性護(hù)具、一個(gè)或多個(gè)柔性傳感器、一個(gè)或多個(gè)處理器和一個(gè)或多個(gè)電池，還可包含一個(gè)或多個(gè)力學(xué)傳感器、彎曲傳感器、壓強(qiáng)傳感器、力矩傳感器、傾斜傳感器、加速計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)和/或光學(xué)傳感器。這一具有其它傳感模塊的混合系統(tǒng)適用于特定應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可提供混合鞋系統(tǒng)。除相應(yīng)的腳踝部生物力學(xué)外，為了推斷出步長(zhǎng)和跑步速度，所述混合鞋系統(tǒng)可包括獲得踝部角的一個(gè)或多個(gè)柔性傳感器，并包括一個(gè)或多個(gè)其它傳感器，如力學(xué)傳感器、壓強(qiáng)傳感器、力矩傳感器、傾斜傳感器、加速計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)和/或光學(xué)傳感器。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，單純的應(yīng)變和/或混合(例如應(yīng)變和壓強(qiáng))實(shí)施方式可包括具有軟性和柔性的衣物，所述衣物用于相對(duì)于受試者所希望的解剖結(jié)構(gòu)合適地放置傳感器。這些衣物可包括剛性支持元件或結(jié)構(gòu)，以輔助衣物的固定。此外，根據(jù)用途不同，所述支持元件或結(jié)構(gòu)可影響受試者的運(yùn)動(dòng)范圍，或可不影響受試者的運(yùn)動(dòng)范圍。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述衣物可與傳感器和電子裝置分離從而可易于洗滌。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述系統(tǒng)可以是不受約束的(untethered)，例如控制器和電池可以是受試者穿戴系統(tǒng)的部分，而無(wú)須用導(dǎo)線與和軀體分開(kāi)的手提計(jì)算機(jī)/臺(tái)式計(jì)算機(jī)/插入式電源等相連?？捎脽o(wú)線通信(如wifi、藍(lán)牙、zigbee)在受試者穿戴的控制器和遠(yuǎn)程放置的計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，每一傳感器可具有各自的電源、處理器和收發(fā)器組件；在其它實(shí)施方式中，所述傳感器可(由例如導(dǎo)線或無(wú)線連接)與單獨(dú)的電子儀器相連，該電子儀器設(shè)計(jì)為受試者所穿戴，將為全部傳感器提供電源、處理和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，傳送給傳感器系統(tǒng)的控制信號(hào)和傳感器系統(tǒng)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)的軟件控制下無(wú)線傳輸，并傳輸至安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)站點(diǎn)。在其它實(shí)施方式中，可將一個(gè)或多個(gè)傳感器輸出結(jié)果輸入至運(yùn)行生物力學(xué)模型(例如軟件程序)的計(jì)算機(jī)/處理器，該模型可用于生成對(duì)肢體段的運(yùn)動(dòng)和朝向的評(píng)估。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可根據(jù)活動(dòng)和肢體段，對(duì)這些實(shí)施方式的每一個(gè)進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，對(duì)于使用所述傳感器系統(tǒng)的一些或全部活動(dòng)，可能需要進(jìn)行例行校準(zhǔn)。此外，與游戲/計(jì)算機(jī)界面應(yīng)用相比，對(duì)于例如康復(fù)應(yīng)用等應(yīng)用，可使用高保真校準(zhǔn)。圖20a和圖20b示出用于評(píng)估生物力學(xué)的各種現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。圖20a示出使用被動(dòng)或主動(dòng)可視標(biāo)記物的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于制作記錄受試者執(zhí)行任務(wù)的視頻。可放置所述可視標(biāo)記物，使得臨床醫(yī)生以及軟件應(yīng)用能夠評(píng)估為研究受試者生物力學(xué)所記錄的視頻。圖20b示出用于相同目的的置于受試者上的慣性測(cè)量?jī)x器?？蓪?duì)通過(guò)慣性測(cè)量?jī)x器確定的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來(lái)評(píng)估運(yùn)動(dòng)。圖20c示出本發(fā)明所述的系統(tǒng)，其中柔性傳感器置于關(guān)節(jié)上，從而基于當(dāng)關(guān)節(jié)彎曲和伸展時(shí)所述傳感器感受的一個(gè)應(yīng)變來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)角。圖21示出本發(fā)明所述的系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和力的實(shí)例。在該實(shí)施方式中，系統(tǒng)可測(cè)量足部所受到的力。在這一實(shí)施方式中，可將所述傳感器、力傳感器2和運(yùn)動(dòng)傳感器3安裝至受試者所穿的氯丁橡膠襪子1。氯丁橡膠襪子1可包括用于方便穿脫的拉鏈4以及一個(gè)或多個(gè)剛性或半剛性的支持元件(未示出)?？赏ㄟ^(guò)導(dǎo)線將傳感器2和3連接至控制器5，所述控制器5包括電源、如電池?？刂破?可與計(jì)算機(jī)設(shè)備(如臺(tái)式計(jì)算機(jī)或便攜式計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)或平板電腦)無(wú)線通訊，所述計(jì)算機(jī)設(shè)備執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)軟件程序從而接收傳感器數(shù)據(jù)并提供例如對(duì)檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的評(píng)估。圖22a-圖22e示出使用本發(fā)明所述的傳感器系統(tǒng)的多種應(yīng)用實(shí)例。圖22a和圖22b示出康復(fù)應(yīng)用。圖22c和圖22d示出在評(píng)估表現(xiàn)情況下的康復(fù)應(yīng)用。圖22e是計(jì)算機(jī)游戲界面應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。圖22a示出受試者穿戴的肘部康復(fù)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)傳輸至受試者的手機(jī)，所述手機(jī)能夠?qū)㈠憻挃?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給護(hù)理提供者。所述系統(tǒng)可通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用提醒受試者何時(shí)進(jìn)行康復(fù)任務(wù)，并通過(guò)預(yù)設(shè)的例行程序指導(dǎo)受試者。圖22b示出具有執(zhí)行所需運(yùn)動(dòng)的界面的肘部康復(fù)系統(tǒng)。在這一實(shí)施方式中，傳感器系統(tǒng)可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(例如臺(tái)式計(jì)算機(jī)/手提計(jì)算機(jī)，或嵌入tv、智能手機(jī)或其它計(jì)算設(shè)備內(nèi)的系統(tǒng))通訊，加強(qiáng)或監(jiān)控物理治療和/或職業(yè)性治療。在這一實(shí)施方式中，可將傳感器系統(tǒng)包裹在受試者關(guān)節(jié)(如肘部或腕部)處的護(hù)具中。傳感器系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)安裝在放置于關(guān)節(jié)處的護(hù)具中的柔性傳感器，以測(cè)量關(guān)節(jié)角的變化。關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)于控制器中并與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行通訊。圖22c示出多關(guān)節(jié)(例如肩部、肘部、腕部)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)由一組穿戴在每個(gè)關(guān)節(jié)上的護(hù)具(或單個(gè)護(hù)具，如從腕部延伸到肩部的套筒)組成，能夠測(cè)量在體育活動(dòng)中每一關(guān)節(jié)的表現(xiàn)。表現(xiàn)的數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存于本地設(shè)備上并在體育活動(dòng)完成后提取，或可在活動(dòng)中于不同時(shí)間點(diǎn)無(wú)線傳輸至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。因此，在橄欖球游戲或網(wǎng)球比賽后，受試者和/或護(hù)理者能夠分析運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并評(píng)估受試者的表現(xiàn)。圖22d示出多關(guān)節(jié)(例如膝部和踝部)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)由一組穿戴在每個(gè)關(guān)節(jié)上的護(hù)具(或單個(gè)護(hù)具，如從踝部延伸到臀部的套筒)組成，能夠測(cè)量在體育活動(dòng)中每一單獨(dú)關(guān)節(jié)的表現(xiàn)。表現(xiàn)的數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存于本地設(shè)備并在體育活動(dòng)完成后提取，或可在活動(dòng)中于不同時(shí)間點(diǎn)無(wú)線傳輸至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。因此，在跑動(dòng)或足球游戲后，受試者和/或護(hù)理者能夠分析運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并評(píng)估受試者的表現(xiàn)。圖22e示出用作計(jì)算機(jī)游戲界面的傳感器系統(tǒng)。在這一實(shí)施方式中，受試者可將傳感器護(hù)具或傳感器帶穿戴于其關(guān)節(jié)，從而可檢測(cè)到任何所監(jiān)測(cè)的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。可通過(guò)計(jì)算機(jī)游戲控制器控制游戲的一部分，從而對(duì)特定關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解讀。例如，腕部、肘部、膝部和踝部穿戴的監(jiān)測(cè)護(hù)具可用于將關(guān)節(jié)角報(bào)告至計(jì)算機(jī)游戲系統(tǒng)。關(guān)節(jié)角的輸入可用于評(píng)估使用者的運(yùn)動(dòng)，例如，在游戲中的舞蹈或跑動(dòng)。可將前述傳感器平臺(tái)應(yīng)用至多種應(yīng)用，包括康復(fù)、臨床運(yùn)動(dòng)評(píng)估、藥物遞送評(píng)估、生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)分析、計(jì)算機(jī)和游戲界面、人體建模、以及對(duì)表現(xiàn)改善的自我評(píng)估。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可將傳感器系統(tǒng)用于康復(fù)應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程康復(fù)應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明，患者可在其正在試圖康復(fù)的關(guān)節(jié)處穿戴模塊單元，從而跟蹤其恢復(fù)進(jìn)程。例如，在acl手術(shù)后，將在物理治療和在家進(jìn)行康復(fù)鍛煉的過(guò)程中穿戴設(shè)計(jì)用于膝部的模塊單元。物理治療師可將鍛煉的時(shí)間量與作為結(jié)果的表現(xiàn)進(jìn)行比較。在保險(xiǎn)不包括多個(gè)物理治療療程時(shí)，治療師可登錄進(jìn)入安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)站點(diǎn)(數(shù)據(jù)上傳至這一站點(diǎn))來(lái)檢查病人在家表現(xiàn)的進(jìn)展。此外，可將護(hù)具與用于患者恢復(fù)的自定義的計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)應(yīng)用綁定。這些應(yīng)用提供實(shí)時(shí)的可視化來(lái)跟蹤自引導(dǎo)的康復(fù)項(xiàng)目，并在患者希望不損傷關(guān)節(jié)的情況下提供實(shí)時(shí)警示。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可將傳感器系統(tǒng)用于臨床運(yùn)動(dòng)評(píng)估應(yīng)用，例如臨床研究。在用于對(duì)與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的病理進(jìn)行改善的電學(xué)和力學(xué)輔助領(lǐng)域正在進(jìn)行研究。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可用于提供對(duì)于患者使用或不使用輔助裝置的運(yùn)動(dòng)控制的信息。這些額外信息可用于臨床評(píng)估和對(duì)新的輔助裝置效力的評(píng)估。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可將傳感器系統(tǒng)用于藥物遞送評(píng)估應(yīng)用。可植入的神經(jīng)刺激器和可植入的藥物泵顯示出在多種疾病和疾患治療中的希望。由于通常依賴于臨床醫(yī)生對(duì)癥狀(例如顫動(dòng))的觀察或病人對(duì)癥狀的自我描述，在可能進(jìn)行數(shù)小時(shí)、數(shù)周或數(shù)月的劑量范式(dosageparadigm)中，設(shè)定治療水平和劑量仍然很困難。根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)實(shí)施方式可提供對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的連續(xù)監(jiān)控，并提供對(duì)調(diào)整個(gè)體藥物遞送進(jìn)行評(píng)估的信息。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可將傳感器系統(tǒng)用于生物力學(xué)應(yīng)用，包括(實(shí)驗(yàn)室外或臨床)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前用于運(yùn)動(dòng)分析的方法局限了收集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外的數(shù)據(jù)的能力。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可用于獲得真實(shí)情況下(與簡(jiǎn)化或模擬的實(shí)驗(yàn)室鍛煉相對(duì))的生物力學(xué)的測(cè)定。例如，在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中，由于包裹傳感器的柔性衣物與游戲中慣用穿戴的護(hù)具相同，可將根據(jù)本發(fā)明的模塊系統(tǒng)用于進(jìn)一步評(píng)估治療和處理策略。除策略外，可對(duì)體育損傷得出更透徹的理解。目前，可通過(guò)損傷前或損傷后進(jìn)行的生物力學(xué)分析對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估。使用本文所述的實(shí)施方式，運(yùn)動(dòng)員可在運(yùn)動(dòng)中穿戴傳感系統(tǒng)。如果發(fā)生損傷，可基于損傷時(shí)的生物力學(xué)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于多種常見(jiàn)而并不完全了解的損傷(例如跑步者的膝部、跟腱損傷、acl扭傷和撕裂等)，這將是有益的。除了體育活動(dòng)外，可進(jìn)一步理解其他活動(dòng)中的損傷，例如音樂(lè)、舞蹈或職業(yè)病。例如，可對(duì)如鋼琴演奏者的腕管綜合癥、小提琴演奏中的肌肉痙攣、舞蹈者膝部損傷進(jìn)行研究，從而改進(jìn)技術(shù)、減少損傷并對(duì)損傷后的康復(fù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可將傳感器系統(tǒng)用于計(jì)算機(jī)和游戲界面應(yīng)用。許多游戲系統(tǒng)正在步入基于運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)控制。通過(guò)使用模塊傳感器系統(tǒng)，可將游戲系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)的界面開(kāi)發(fā)為基于直接對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的控制軟件程序。在這一實(shí)施方式中，可選擇游戲應(yīng)用所需的最小數(shù)目的傳感器從而將傳感器的數(shù)目最小化。此外，在相關(guān)應(yīng)用中，可開(kāi)發(fā)特定的計(jì)算機(jī)界面以允許殘疾人使用者使用有限的生物力學(xué)功能控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可將傳感器系統(tǒng)用于人體建模?？赏ㄟ^(guò)與其它傳感器或傳感器系統(tǒng)的組合，將根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)用于獲得有關(guān)軀體的信息。例如，具有關(guān)節(jié)角信息的耦合慣性數(shù)據(jù)可有助于對(duì)軀體質(zhì)量和慣性性質(zhì)的更好預(yù)測(cè)。在另一實(shí)例中，通過(guò)對(duì)帶有應(yīng)變傳感器的生物力學(xué)系統(tǒng)施加已知的力，可獲得對(duì)關(guān)節(jié)剛度的評(píng)估。反之，通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)施加額外的已知?jiǎng)偠?，可獲得使用者的動(dòng)力產(chǎn)生能力的信息。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可將傳感器系統(tǒng)用于個(gè)人表現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。用于自評(píng)估的個(gè)人系統(tǒng)數(shù)量大量增加，包括用于評(píng)估個(gè)人每天步數(shù)或跑步速度的計(jì)步器和加速計(jì)。本發(fā)明所述的傳感器系統(tǒng)可成為能夠?yàn)閭€(gè)人提供用于自我訓(xùn)練并通過(guò)實(shí)時(shí)反饋進(jìn)行評(píng)估的個(gè)人表現(xiàn)信息平臺(tái)的部件。例如，馬拉松訓(xùn)練者能夠知曉由于疲勞其生物力學(xué)將如何變化。同樣需要關(guān)注軀體的姿勢(shì)和定位的技能獲取(例如舞蹈、功夫、太極、瑜伽、高爾夫、籃球、橄欖球、足球等)也能夠得到改進(jìn)。其它實(shí)施方式在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。例如，由于軟件的性質(zhì)，可用軟件、硬件、固件、硬接線或其任意組合實(shí)施本文所述的功能。特征執(zhí)行功能還可在物理上處于多個(gè)位置，包括被分配使得功能的部分在不同的物理位置被執(zhí)行。此外，當(dāng)上述說(shuō)明書(shū)涉及本發(fā)明，所作說(shuō)明可包括多于一個(gè)的發(fā)明。本文本引用下列參考文獻(xiàn)，以引用的方式將下列參考文獻(xiàn)并入本文。1.marculescudetal2003electronictextiles：aplatformforpervasivecomputingproc.ieee911995-20182.stirlingl，yuc-h，millerj，woodr，goldfieldeandnagpalr2010applicabilityofshapememoryalloywireforanactive，softorthoticproc.int.conf.shapememoryandsuperelastictechnologies(pacificgrove，ca)pp20-13.rogersjaandhuangy2009acurvy，stretchyfutureforelectronicsproc.natlacad.sci.usa10610875-64.khangd-y，jiangh，huangyandrogersja2006astretchableformofsingle-crystalsiliconforhigh-performanceelectronicsonrubbersubstratesscience311208-125.kimd-h，ahnj-h，choiwm，kimh-s，kimt-h，songj，huangyy，liuz，lucandrogersja2008stretchableandfoldablesiliconintegratedcircuitsscience320507-116.dickeymd，chiechirc，larsenrj，weissea，weitzdaandwhitesidesgm2008eutecticgallium-indium(egain)：aliquidmetalalloyfortheformationofstablestructuresinmicrochannelsatroomtemperatureadv.funct.mater.181097-1047.soj-h，thelenj，qusbaa，hayesgj，lazziganddickeymd2008reversiblydeformableandmechanicallytunablefluidicantennasadv.funct.mater.181097-1048.kimh-j，soncandziaieb2008amultiaxialstretchableinterconnectusingliquid-alloy-filledelastomericmicrochannelsappl.phys.lett.920119049.duffydc，mcdonaldjc，schuellerojaandwhitesidesgm1998rapidprototypingofmicrofluidicsystemsinpoly(dimethylsiloxane)anal.chem.704974-8410.ungerma，chouh-p，thorsent，schereraandquakesr2000monolithicmicrofabricatedvalvesandpumpsbymultilayersoftlithographyscience288113-611.quakesrandscherera2000frommicro-tonano-fabricationwithsoftmaterialsscience2901536-4012.hoshitandshinodah2006robotskinbasedontouch-area-sensitivetactileelementproc.ieeeint.conf.onroboticsandautomation(icra’06)(orlando，fl，may2006)pp3463-813.chigusah，makinoyandshinodah2007largeareasensorskinbasedontwo-dimensionalsignaltransmissiontechnologyproc.ieeeeurohapticsconf.andsymposiumonhapticinterfacesforvirtualenvironmentandteleoperatorsystems(whc’07)(tsukuba，japan，march2007)pp151-614.yoshikait，fukushimah，hayashimandinabam2009developmentofsoftstretchableknitsensorforhumanoids’whole-bodytactilesensibilityproc.ieee-rasint.conf.onhumanoidrobots(ichr’09)(paris，france.dec.2009)pp624-3115.cottond，grazimandlacoursp2009amultifunctionalcapacitivesensorforstretchableelectronicskinsieeesensorsj.92008-916.alirezaeih，nagakuboaandkuniyoshiy2007ahighlystretchabletactiledistributionsensorforsmoothsurfacedhumanoidsproc.ieee-rasint.conf.onhumanoidrobots(ichr’07)(pittsburgh，pa，nov.2007)pp167-7317.ventrellil，beccail，mattoliv，menciassiaanddariop2009developmentofastretchableskin-liketactilesensorbasedonpolymericcompositesproc.ieeeint.conf.onroboticsandbiomimetics(robio'09)(guilin，china，dec.2009)pp123-818.lacassem-a，duchainevandgosselinc2010characterizationoftheelectricalresistanceofcarbon-black-filledsilicone：applicationtoaflexibleandstretchablerobotskinproc.ieeeint.conf.onroboticsandautomation(icra’10)(anchorage，ak，may2010)pp4842-819.wettelsn，santosvj，johanssonrsandloebge2008biomimetictactilesensorarrayadv.robot.22829-4920.tsengw-y，fisherjs，prietojl，rinaldik，alapatigandleeap2009aslow-adaptingmicrofluidic-basedtactilesensorj.micromech.microeng.1908500221.nodak，lwasee，matsumotokandshimoyamai2010stretchableliquidtactilesensorforrobot-jointsproc.ieeeint.conf.onroboticsandautomation(icra’10)(anchorage，ak，may2010)pp4212-722.takeik，takahashit，hojc，koh，gilliesag，leupw，fearingrsandjaveya2010nanowireactive-matrixcircuitryforlow-voltagemacroscaleartificialskinnaturemater.9821-623.whitneyrj1949themeasurementofchangesinhumanlimb-volumebymeansofamercury-in-rubberstraingaugeproc.physiol.soc.1095-624.rastrellilu，andersonelandmichiejd1967elastomericstraingaugeuspatent3，304，52825.piquea，chriseydb，fitz-geraldjm，mcgillra，auyeungrcy，wuhd，lakeous，nguyenv，chungrandduignanm1967directwritingofelectronicandsensormaterialsusingalasertransfertechniquej.mater.res.151872-526.menonr，patela，gildandsmithhi2005masklesslithographymater.today826-3327.xiayandwhitesidesgm1998softlithographyannu.rev.mater.sci.28153-8428.tadah，parispcandirwingr2000thestressanalysisofcrackshandbook3rdedn(newyork：asmepress)29.andersontl2005fracturemechanics：fundamentalsandapplications3rdedn(bocaraton，fl：taylorandfrancis)30.andersontl2005theoryofelasticity3rdedn(newyork：mcgraw-hill)31.tajimar，kagamis，inabam，andinoueh，“developmentofsoftanddistributedtactilesensorsandtheapplicationtoahumanoidrobot，”adv.rob.，vol.16，no.4，pp.381-397，2002.32.parky-l，ryusc，blackrj，chauk，moslehib，andcutkoskymr，“exoskeletalforce-sensingend-effectorswithembeddedopticalfiber-bragg-gratingsensors，”ieeetrans.rob.，vol.25，no.6，pp.1319-1331，december2009.33.parky-l，chenb，youngd，stirlingl，woodrj，goldfielde，andnagpalr，“bio-inspiredactivesoftorthoticdeviceforanklefootpathologies，”inproc.ieee/rsjint.conf.intell.rob.syst.，sanfrancisco，ca，september2011.34.parky-l，majidic，kramerr，berardp，andwoodrj，“hyperelasticpressuresensingwithaliquid-embeddedelastomer，”j.micromech.microeng.，vol.20，no.12，2010.35.herrhmandkornbluhrd，“newhorizonsfororthoticandprosthetictechnology：artificialmuscleforambulation，”inproc.spie.vol.5385，2004，pp.1-9.當(dāng)前第1頁(yè)12當(dāng)前第1頁(yè)12