日本靜岡大學(Shizuoka University)電子學研究所(Research Institute of Electronics)與樂器製造商山葉公司(Yamaha Corporation)的研究人員攜手,針對在穿戴式裝置中的彈性應變感測器使用長度約毫米波(mmWave)級的多壁碳奈米管(MWCNT)展開研究。

該樂器製造商不僅著眼於在虛擬實境(VR)應用,以輕質且軟性的數據手套取代大型且笨重的手套,同時也看好這種數據手套將會自然地滿足音樂家的需要——透過這種超薄且可伸展的軟性感測器,更能有效地監測音樂家極其細微的手指動作。

在最近發表於《ACS Sensors》期刊中一篇名為「結合MWCNT/彈性塑料的可伸展感測器實現快速響應的人體動作偵測」(Rapid-Response, Widely Stretchable Sensor of Aligned MWCNT/Elastomer Composites for Human Motion Detection)的研究報告,日本研究人員發表這種專為整合於可穿戴感測系統(無論是針對手臂、手部或手指等)而設計的薄型CNT應變感測器研究成果。

研究人員們用單向對齊的MWCNT薄層浸漬彈性體,使電極的每一個末端都具有導電膏,從而形成了幾公分長的感測器,而且還可拉伸更長2倍。所取得的這些應變感測器僅有幾微米厚,但具有不到15ms的反應時間以及超過10的量規因子(即更高靈敏度)。

這些應變感測器同時表現出可重複性,且具有很高的電阻變化線性度。研究人員將此結果歸功於使用較長的CNT束(以及300-800μm長的MWCNT)。雖然彈性化造成的裂縫與間隙會導致阻抗增加,但由於MWCNT較長,仍與相鄰的CNT彼此滑動與摩擦而保持接觸,確保更能逐漸減少導電率受到間隙產生的影響。而在收縮時,MWCNT能夠更密集地重組,並恢復原有的阻力。

更重要的是,這些新的感測器不需要任何特殊的讀取電路或放大器,但可抗外部雜訊以及對於相當高阻抗範圍的高度靈敏度,使其易於整合至以織品布料打造的穿戴式裝置中。

研究人員指出,這種軟性且可伸展的應變感測器適用於運動、健康、復建與機器人等不同領域的應用,可用於動態測量與分析各種動作。研究人員還開發出一款整合CNT應變感測器的袖套原型,透過導電鍍銀合成纖維連接至可伸縮的壓縮織品中。最新的設計是一款軟性數據手套(如圖中鋼琴家手上戴的),能夠偵測手指關節的細部動作(手套上的黑色條紋即CNT應變感測器),而不至於妨礙配戴者的動作。

Yamaha研發部材料與零件組經理Katsunori Suzuki分享Yamaha對於這種產品發展遠景的看法。「在研究報告中介紹的這種數據手套是專為偵測音樂家肌張力不全(一種神經性的動作障礙)時的手指動作而設計的,它是我們與日本一家大學合作進行的研究。」

「我們目前並未計劃銷售這項技術給消費者,但將在2016年針對VR應用發表更可靠的設計。」

在今年於東京舉辦的第二屆穿戴式裝置展會上,Yamaha利用其VR手套原型進行了一場現場鋼琴演奏,透過疊加感測器資料於VR的虛擬雙手上,並與鋼琴家的手指動作同步演奏。

「我們正在研究如何使VR手套的應用成為一種輔助鋼琴家改善演奏技巧的工具。我們認為VR手套十分適合搭配音樂學習軟體,以提供即時的建議,」Suzuki鈴木補充說,「因為我們的VR手套較CyberGlove等市場上現有的手套更輕薄且更具有伸縮彈性。」

20160617 VRGlove NT01P1 更堅固耐用版VR,具有追蹤標記,適於工業VR應用

該公司並以相同的系統展示了在早期設計階段的VR手動組裝原型,模擬汽車引擎的組裝過程。手套的配戴者還可以同時戴上Oculus Rift頭戴式裝置,顯示汽車引擎的3D CAD資料,以及隨VR手套的動作模擬組裝者的手部動作。在此情況下,手套分別搭載了在自由空間下的手部追蹤動作標記。

20160617 VRGlove NT01P2 基於CNT-應變感測器的開發套件

Yamaha已經開始為戶推出感測器開發套件了,其中包括兩個感測器帶,以及一個可拆卸的藍牙無線發射器。此外,該公司還發表一款「佈線系統」(wiring systems),可直接連接USB埠以顯示來自感測器的原始數據。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Soft lightweight data gloves fit VR and musicians,by Julien Happich)