創新感測器：即時監控複雜系統的柔軟致動器與智慧感測技術

在當今科技領域，流體彈性體致動器（FEAs）因其輕量且具備高度彈性的特性，已成為機器人與生醫裝置的理想選擇。FEAs是由加壓管或薄膜組成，能夠輕易地重新組合成複雜的機械裝置。然而，傳統感測器如壓電加速度計和壓阻式感測器，由於其剛性金屬外殼的限制，無法適用於自由曲面（如圓頂或複雜形狀）的動態響應與重組測量，這也影響了FEAs的效能。

此外，在汽車設計中，FEAs的動態響應測量也扮演著重要角色。設計高效能且安全的汽車時，對具有充氣結構的加壓輪胎進行振動與靜壓測量是不可避免的。這些測量不僅能揭示汽車的效能，還能反映其結構的健康狀況。

為瞭解決這一技術缺口，由日本芝浦工業大學的Naoki Hosoya教授帶領的團隊，探索了介電彈性體感測器（DES）的應用。該團隊成員包括芝浦工業大學的Haruyuki Kurata先生、加查馬達大學的Ardi Wiranata博士、東京科學研究所的Shingo Maeda教授，以及愛丁堡大學的David Garcia Cava博士和Francesco Giorgio-Serchi博士。這項研究已發表於《Measurement》期刊，探討了DES如何用於測量軟性流體結構的壓力與振動響應。

Hosoya教授指出：「我們的研究探索了DES如何有效實現軟性流體致動器的即時狀態估計與控制。」為了理解這款感測器的工作原理，研究團隊使用聚二甲基矽氧烷（PDMS）和碳奈米管製作了電容式DES。這款感測器在氣動驅動下，能夠測量軟性流體系統的振動響應，並可測量高達100 Hz的振動頻率。

該裝置透過捕捉電容變化來測量振動與靜壓。當DES受到外力導致變形時，電容會增加。研究團隊發現，DES對振動幅度呈現線性響應，且其靈敏度隨著靜壓的降低而增加。

Hosoya教授解釋道：「傳統感測器如壓電加速度計和壓阻式感測器的質量與剛性，會顯著影響充氣結構的動態特性，可能阻礙致動器的正常運作。」與壓阻式感測器不同，DES具備彈性，能夠承受大幅度的變形重組，因此非常適合用於FEAs的即時監控。

這些研究結果凸顯了DES在軟性機器人與健康監控領域的潛力。DES在複雜且可變形的環境中運作的能力，使其能夠為機器人、生醫裝置及大型基礎設施的應用設定新標準。

Hosoya教授表示：「DES能夠捕捉高度可變形裝置或結構的快速動態響應，這顯示了其在軟性機器人控制與結構監控中的潛在角色。這些結果表明，輕量且高度可拉伸的DES可以方便地嵌入複雜的流體網路中，協助監控這類致動器，最終促進其觀察與控制，而不對其運作造成任何限制。」