可穿戴技術(shù)中的舒適度和壓力測(cè)量
sensors-online-logo-press-release.jpg傳感器
消費(fèi)者對(duì)服裝的要求越來(lái)越高，不僅僅是對(duì)合身性的要求，而且是對(duì)功能性的要求。畢竟，舒適感在決定一個(gè)人是否喜歡某個(gè)產(chǎn)品方面起著重要作用。
現(xiàn)在，形式和合身的問(wèn)題已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)服裝的范疇，延伸到更專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品，如胸罩、手套、塑形鞋、壓縮長(zhǎng)襪、尿布和眼鏡等，進(jìn)入了新興的可穿戴技術(shù)市場(chǎng)，其健身帶、智能手表和耳機(jī)可收集生物特征信息或與移動(dòng)設(shè)備交互。
在如此大的風(fēng)險(xiǎn)下，可穿戴設(shè)備制造商正越來(lái)越多地投資于復(fù)雜的壓力映射研究，以?xún)?yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，創(chuàng)造舒適度和貼合度，從而獲得最大的市場(chǎng)份額。
測(cè)量壓力
對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間接觸身體或接觸特別敏感區(qū)域的可穿戴設(shè)備，在特定位置施加的壓力量是首要考慮因素。然而，測(cè)量壓力的大小可能很困難，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人通常很難確定靜態(tài)壓力。也就是說(shuō)，人體對(duì)變化的壓力比恒定的負(fù)荷更敏感。相反，通過(guò)將電容傳感器技術(shù)集成到測(cè)試和開(kāi)發(fā)中，可穿戴制造商可以捕捉和量化用戶在穿著設(shè)計(jì)時(shí)感受到的壓力，以?xún)?yōu)化貼合度和功能。
電容式觸覺(jué)傳感器技術(shù)
電容式觸覺(jué)傳感器包括由可壓縮介質(zhì)結(jié)構(gòu)隔開(kāi)的兩個(gè)電極。當(dāng)施加壓力時(shí)，間隙減小，電容增大。與電阻技術(shù)不同，這兩個(gè)電極從不接觸。因此，電容式傳感器即使承受多個(gè)重復(fù)荷載也不易磨損或失效。
與電阻式傳感器相比，電容式傳感器技術(shù)還有幾個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，包括在重復(fù)性和耐久性方面更高的穩(wěn)定性，以及能夠精確測(cè)量極低水平的壓力。這可能是一個(gè)重要的考慮，當(dāng)衣服合身可能涉及微妙的，低水平的壓力。使用電容式傳感器，可以使用精密陣列測(cè)量壓力，這些陣列可以測(cè)量數(shù)千個(gè)力點(diǎn)，以創(chuàng)建高分辨率地圖，也可以使用微型力傳感器測(cè)量離散點(diǎn)的壓力。
開(kāi)發(fā)可穿戴設(shè)備的主要挑戰(zhàn)之一是人體當(dāng)然不是平坦的。它有輪廓和曲線，用于此目的的任何傳感器必須符合曲面，同時(shí)提供準(zhǔn)確的壓力測(cè)量。幸運(yùn)的是，來(lái)自領(lǐng)先的傳感器制造商的觸覺(jué)陣列選項(xiàng)可以與各種柔軟的、柔性的和一致的材料集成。出于研究目的，傳感器可以嵌入人體模型中，也可以縫在衣服和人體模型或人體測(cè)試儀之間的帶子中。
例如，考慮一下胸罩，這是一個(gè)很關(guān)鍵的合適部位。一個(gè)配備觸覺(jué)壓力傳感器的人體模型可能是公司改善文胸設(shè)計(jì)的一個(gè)解決方案。
觸覺(jué)壓力傳感技術(shù)的另一個(gè)合乎邏輯的用途是Shapewer，一種設(shè)計(jì)用來(lái)固定身體各部分的服裝，其方式可以修改和表面上改善穿著者的外觀。量化壓力將是創(chuàng)建shapewer的一個(gè)關(guān)鍵因素，shapewer在正確的位置足夠緊密，以創(chuàng)建所需的效果，而不會(huì)過(guò)度收縮。
觸覺(jué)壓力傳感器技術(shù)也有助于開(kāi)發(fā)具有醫(yī)學(xué)應(yīng)用的服裝，如用于治療和預(yù)防深靜脈血栓形成的壓縮襪，這種并發(fā)癥通常涉及小腿和小腿可能形成嚴(yán)重的血栓。頭戴式耳機(jī)和其他頭盔是其他潛在的應(yīng)用，可以受益于壓力映射。
對(duì)于頭盔來(lái)說(shuō)，舒適性通常和功能性一樣重要。由于很難區(qū)分不同品牌的消聲耳機(jī)在噪聲衰減方面的差異，因此舒適度和舒適度在決定購(gòu)買(mǎi)什么產(chǎn)品時(shí)可以發(fā)揮重要作用。
職業(yè)體育
在職業(yè)體育運(yùn)動(dòng)中，可穿戴技術(shù)在運(yùn)動(dòng)員的監(jiān)控和實(shí)時(shí)性能反饋方面也有著廣泛的應(yīng)用。在能量飲料公司紅牛（Red Bull），運(yùn)動(dòng)研究的局限性正通過(guò)紅牛高性能集團(tuán)（redbull High Performance group）來(lái)推動(dòng)。該小組與紅牛贊助的運(yùn)動(dòng)員社區(qū)和科學(xué)家社區(qū)合作進(jìn)行研究，旨在探索精英表現(xiàn)的特點(diǎn)和特點(diǎn)，以擴(kuò)大對(duì)人類(lèi)潛能真正能力的集體理解。“一種方法是利用最先進(jìn)的技術(shù)從地球上最偉大的運(yùn)動(dòng)員那里收集信息，不僅可以洞察他們的表現(xiàn)，還可以將任何核心知識(shí)應(yīng)用到更廣泛的社區(qū)中，使每個(gè)人的生活都變得更好，”紅牛高績(jī)效的技術(shù)專(zhuān)家布蘭登·拉森說(shuō)。拉森是一名機(jī)械工程師，曾在美國(guó)宇航局和波音公司從事研發(fā)工作。
拉爾森領(lǐng)導(dǎo)了沖浪科學(xué)項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在推進(jìn)沖浪時(shí)收集數(shù)據(jù)的技術(shù)，以提供見(jiàn)解和探索性能改進(jìn)。最初的研究集中在確定沖浪者的腳的壓力是如何轉(zhuǎn)移到?jīng)_浪板上來(lái)控制它的。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要利用沖浪靴鞋墊中的傳感器進(jìn)行高分辨率壓力測(cè)繪。
紅牛沖浪傳感器正在工作。
紅牛沖浪傳感器正在工作。
然而，獲取足部壓力信息是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的任務(wù)，即使是休閑鞋，由于不斷的沖擊和壓力的鞋墊除了廣泛的力量被應(yīng)用。除了苛刻的要求外，沖浪應(yīng)用還意味著設(shè)計(jì)能夠承受潮濕、腐蝕性、高濕度環(huán)境和一系列溫度的壓力測(cè)繪傳感器和電子設(shè)備。
由于水對(duì)信號(hào)的干擾，船上無(wú)線數(shù)據(jù)采集也是不可能的。在仔細(xì)審查了市場(chǎng)上的可用選項(xiàng)后，拉森找到了壓力剖面系統(tǒng)（PPS），這是一家提供電容式觸覺(jué)傳感解決方案的世界領(lǐng)先公司。
聚苯硫醚傳感器不同于傳統(tǒng)的電容式設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)要求手指或觸筆與單個(gè)電極相互作用。取而代之的是，傳感器是由兩個(gè)內(nèi)置電極設(shè)計(jì)的，電極之間由一個(gè)專(zhuān)有的可壓縮介質(zhì)矩陣隔開(kāi)，介質(zhì)矩陣的作用就像彈簧一樣。
為了構(gòu)建其觸覺(jué)陣列傳感器，PPS將電極布置成正交的重疊條。在電極重疊的每個(gè)點(diǎn)形成一個(gè)不同的電容器。通過(guò)有選擇地掃描一行和一列，測(cè)量該位置的電容，從而測(cè)量局部壓力。
TactArray傳感器具有高達(dá)8192個(gè)集成傳感元件，同時(shí)測(cè)量0.01 psi至700 psi的壓力。
對(duì)于不需要陣列的應(yīng)用，PPS公司剛剛開(kāi)發(fā)了新的單元件、可穿戴的單觸點(diǎn)力傳感器，能夠可靠地量化低至1克的力。由可拉伸導(dǎo)電布材料制成的20毫米可穿戴單點(diǎn)力傳感器，具有柔軟、可拉伸和符合多曲面的特點(diǎn)，不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，可用于人體。
可穿戴單觸點(diǎn)傳感器是一個(gè)完整的交鑰匙解決方案，帶有模擬輸出接口板。OpenSourceArduino和DAQ軟件也可供希望開(kāi)發(fā)傳感器或?qū)鞲衅骷傻狡洚a(chǎn)品或項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)師使用。
為了滿足沖浪的要求，同時(shí)保持高質(zhì)量的壓力數(shù)據(jù)，PPS與紅牛工程師合作，經(jīng)歷了多次設(shè)計(jì)迭代。
與大多數(shù)電容式觸摸傳感器不同，PPS傳感器不受濕度影響。然而，它們不防水，所以公司提供了護(hù)套，以保護(hù)觸覺(jué)陣列。
雙方的工程師還合作為數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)創(chuàng)建了一個(gè)小型的3D打印防水外殼。為了便于安置住房，紅牛高性能組直接與RIP Curl，一個(gè)主要沖浪戰(zhàn)利品制造商，創(chuàng)建一個(gè)定制口袋正好低于踝關(guān)節(jié)屈曲點(diǎn)，以免干擾沖浪的技術(shù)。
在整個(gè)過(guò)程中，拉森對(duì)壓力剖面系統(tǒng)采用的測(cè)試程序及其制造能力印象尤為深刻。
拉森說(shuō)：“壓力剖面圖有一個(gè)我經(jīng)歷過(guò)的更嚴(yán)格的測(cè)試程序，這意味著很多來(lái)自美國(guó)宇航局和波音公司這樣的地方。”。“看到將這種精密度和工藝水平投入到測(cè)量沖浪者足部壓力的傳感器中，令人印象深刻。”
PPS傳感器已經(jīng)在紅牛贊助的沖浪者在墨西哥的沖浪科學(xué)技術(shù)營(yíng)地和世界冠軍米克-范寧在低矮棧橋的一次會(huì)議上投入使用。該系統(tǒng)成功地捕捉并存儲(chǔ)了數(shù)小時(shí)的沖浪數(shù)據(jù)，為世界級(jí)精英沖浪者如何用腳控制沖浪板提供了獨(dú)特的視角。
拉森設(shè)想，下一步該項(xiàng)目的發(fā)展是與PPS合作，將觸覺(jué)陣列傳感器嵌入沖浪板甲板，不僅收集腳的壓力分布，還收集位置。到目前為止，沖浪者的腳位置只通過(guò)不太精確的視頻觀看來(lái)評(píng)估。
沖浪板的足底壓力傳感器。
壓腳器紅牛高性能團(tuán)隊(duì)考慮的觸覺(jué)陣列技術(shù)的其他應(yīng)用包括：將其融入到翼裝中，以便更好地了解空氣動(dòng)力蒙皮上的氣流和氣壓分布；山地自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員手套或手柄，以確定抓地力、制動(dòng)時(shí)間和硬度；以及在滑板的甲板上確定滑冰運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行特定技巧和動(dòng)作時(shí)的壓力分布。
“能夠在這些應(yīng)用程序中看到壓力信號(hào)是一種改變游戲規(guī)則的教育工具，”拉爾森說(shuō)。“有了傳感器陣列的能力，你的大腦可以游蕩，你開(kāi)始意識(shí)到當(dāng)遇到壓力時(shí)，幾乎沒(méi)有什么東西是它無(wú)法測(cè)量的。”
足底壓力數(shù)據(jù)采集軟件。
足底壓力數(shù)據(jù)采集軟件
