可穿戴箔片为工业设备带来实时监控

PHSFOR 项目正在开发的一种柔性蒙皮概念，允许将柔性箔连接到移动的物体或物体上，以监控土木工程结构。

长期以来，柔性可穿戴箔片在医疗保健领域一直被视为监测实时生命体征、远程患者护理和植入式生物传感器的下一代工具。在消费电子产品方面，柔性可穿戴电子产品可用于可折叠智能手机、可卷曲显示器、健身追踪器，甚至智能电子纺织品。

但也许令人惊讶的是，柔性可穿戴传感器在工业领域越来越受欢迎，特别是用于机器维护，这些设备将允许直接连接到机器或工人的保形视觉和触觉数据收集。

未来，这项新兴技术可用于实时检查、预测性维护和增强作安全性。

这种可拉伸的可穿戴贴片型皮肤配备了多个传感器，可以佩戴在皮肤上，也可以扭曲或缠绕在管道或轴等圆柱形部件上。资料来源：科学报告/CC BY 4.0

传感器类型

柔性可穿戴箔片通常使用三种类型的传感器进行机器维护。

第一种是柔性光电探测器，其传感器使用 2D 材料制成，可提供高光响应或对光的响应，同时保持可弯曲。

这些可穿戴设备中的第二种传感器是光纤柔性阵列，它将光纤布拉夫光栅 （FBG） 嵌入可拉伸皮肤中，用于表面的应变和热检测。这些传感器即使在变形时也能正常工作。

这些可穿戴设备中的第三种传感器是印刷条状传感器，它使用喷墨、丝网印刷石墨烯或银纳米颗粒来检测土木工程结构中的光学变化或接触变形。

使用案例

这些灵活的可穿戴传感器可用于特定的维护区域，例如机器表面检查，其中环绕式光学元件粘合到涡轮叶片、管道或输送机表面，以检测微裂纹、机器应力或可能表明机器出现问题的热异常。

另一个应用是机器人电子皮肤，其中柔性成像条或贴片可以感应触摸、变形和接触事件。这使得机器人能够帮助安全处理精密部件或人类可能太热而无法处理的部件。

最后，佩戴柔性微型相机或成像箔的维护人员可以在收集实时视频或热数据的同时检查难以到达的区域。这将减少将笨重设备挤入风力涡轮机内部等小区域的需求。

其中一些用例已经作为全球各种项目的一部分进行开发。

PHOSFOR 项目

其中一个项目被称为用于光学传感的光子皮肤 （PHOSFOS），由欧盟委员会共同开发，旨在开发柔性和可拉伸的箔，该箔集成了光学传感元件、电源、板载信号处理和无线通信。

带有嵌入式光纤布拉格光栅的柔性传感皮肤的演示。资料来源：I P Dubruel/CC BY 3.0可拉伸箔包裹或嵌入或附着在移动的物体或物体上，从而可以感应变形、压力、应力或应变等机械特性。

PHOSFOS 可用于持续监测不同类型土木工程结构的完整性和行为，例如：

• 建筑物

• 大坝

• 隧道

• 桥梁

• 矿山

• 风车叶片

可穿戴箔将能够检测到早期故障、异常或危险警告，以通知公众或人员危险。

此外，这些可穿戴传感器还可用于航空航天，用于监测直升机叶片或飞机机翼，以及用于医疗保健，用于长期监测卧床患者的呼吸和心脏活动以及压力点。

PHOSFOS 项目使用双折射微结构光纤 （MSF） 和聚合物光纤 （POF） 以及光纤布拉格光栅。这些传感器的设计温度灵敏度几乎为零，以应对传统光纤传感器的传统温度敏感问题。这些纤维可以嵌入到柔性皮肤中，在断裂前可以拉伸高达 300%。

NASA 损坏检测系统

NASA 的科学家们正在研究一种感觉皮肤，该皮肤将在航天器外部实施，以帮助宇航员确定系统是否受损。

这项技术被称为灵活损伤检测系统（Flexible Damage Detection System），可以提供实时数据，了解航天器的损坏位置和严重程度。传感皮肤作为打印薄层直接嵌入航天器结构上，可以监测高速飞行的微粒撞击飞船，这可能会导致泄漏或触发警报。

美国宇航局表示，目前的技术需要宇航员进行相机检查或太空行走来检测损坏情况。因此，传感器皮肤技术对机上人员的安全大有帮助。

挑战

虽然这些设备很有前途，但它们并非没有挑战。即耐用性。这是几乎所有此类可拉伸、可穿戴皮肤设备所面临的挑战。

当可穿戴箔片放置在重复的全范围运动导致箔片比其他区域（如肘部或膝盖）拉伸得更远的区域时，这将成为一个更大的问题。在机械中，它可以在接头或升降机中。

其他挑战包括数据处理和柔性可穿戴设备的集成。有时，这些设备需要连接器或无线模块才能在当前迭代中正常工作。通常，处理是非箔完成的，以管理传感器数据，这可能会减少获得结果的时间或使接收实时更新变得更加困难。虽然这些问题的解决方案正在开发中，但在当前的许多实施中，它们仍然存在问题。

最后，这些设备并不便宜。由于这些设备处于起步阶段，柔性可穿戴箔的大规模工业制造仍然是一个挑战。虽然印刷和有机电子学比硅更实惠，但基础设施尚不具备成本效益。随着众多领域开发更多应用程序，这种情况在未来可能会发生变化。

结论

工业成像和传感器中的这些新兴用例表明，将水凝胶、光纤、纳米复合材料等材料相结合，以改进工人与机器的交互方式，并为发现所需维修或潜在危险缺陷提供更安全的替代方案。

随着技术的成熟，可穿戴皮肤很可能会嫁接到人类以及机器人和机器上，以收集数据、感知基础设施的变化并在工厂车间内或周围进行实时监控。