可穿戴技術(shù)中的舒適度和壓力測量
sensors-online-logo-press-release.jpg傳感器
消費者對服裝的要求越來越高，不僅僅是對合身性的要求，而且是對功能性的要求。畢竟，舒適感在決定一個人是否喜歡某個產(chǎn)品方面起著重要作用。
現(xiàn)在，形式和合身的問題已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)服裝的范疇，延伸到更專業(yè)的產(chǎn)品，如胸罩、手套、塑形鞋、壓縮長襪、尿布和眼鏡等，進入了新興的可穿戴技術(shù)市場，其健身帶、智能手表和耳機可收集生物特征信息或與移動設(shè)備交互。
在如此大的風(fēng)險下，可穿戴設(shè)備制造商正越來越多地投資于復(fù)雜的壓力映射研究，以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，創(chuàng)造舒適度和貼合度，從而獲得最大的市場份額。
測量壓力
對于長時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，測量壓力的大小可能很困難，因為大多數(shù)人通常很難確定靜態(tài)壓力。也就是說，人體對變化的壓力比恒定的負荷更敏感。相反，通過將電容傳感器技術(shù)集成到測試和開發(fā)中，可穿戴制造商可以捕捉和量化用戶在穿著設(shè)計時感受到的壓力，以優(yōu)化貼合度和功能。
電容式觸覺傳感器技術(shù)
電容式觸覺傳感器包括由可壓縮介質(zhì)結(jié)構(gòu)隔開的兩個電極。當(dāng)施加壓力時，間隙減小，電容增大。與電阻技術(shù)不同，這兩個電極從不接觸。因此，電容式傳感器即使承受多個重復(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)還有幾個額外的優(yōu)勢，包括在重復(fù)性和耐久性方面更高的穩(wěn)定性，以及能夠精確測量極低水平的壓力。這可能是一個重要的考慮，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量壓力，這些陣列可以測量數(shù)千個力點，以創(chuàng)建高分辨率地圖，也可以使用微型力傳感器測量離散點的壓力。
開發(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，同時提供準(zhǔn)確的壓力測量。幸運的是，來自領(lǐng)先的傳感器制造商的觸覺陣列選項可以與各種柔軟的、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試儀之間的帶子中。
例如，考慮一下胸罩，這是一個很關(guān)鍵的合適部位。一個配備觸覺壓力傳感器的人體模型可能是公司改善文胸設(shè)計的一個解決方案。
觸覺壓力傳感技術(shù)的另一個合乎邏輯的用途是Shapewer，一種設(shè)計用來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，而不會過度收縮。
觸覺壓力傳感器技術(shù)也有助于開發(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重的血栓。頭戴式耳機和其他頭盔是其他潛在的應(yīng)用，可以受益于壓力映射。
對于頭盔來說，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在噪聲衰減方面的差異，因此舒適度和舒適度在決定購買什么產(chǎn)品時可以發(fā)揮重要作用。
職業(yè)體育
在職業(yè)體育運動中，可穿戴技術(shù)在運動員的監(jiān)控和實時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），運動研究的局限性正通過紅牛高性能集團（redbull High Performance group）來推動。該小組與紅牛贊助的運動員社區(qū)和科學(xué)家社區(qū)合作進行研究，旨在探索精英表現(xiàn)的特點和特點，以擴大對人類潛能真正能力的集體理解。“一種方法是利用最先進的技術(shù)從地球上最偉大的運動員那里收集信息，不僅可以洞察他們的表現(xiàn)，還可以將任何核心知識應(yīng)用到更廣泛的社區(qū)中，使每個人的生活都變得更好，”紅牛高績效的技術(shù)專家布蘭登·拉森說。拉森是一名機械工程師，曾在美國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)項目，該項目旨在推進沖浪時收集數(shù)據(jù)的技術(shù)，以提供見解和探索性能改進。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)_浪板上來控制它的。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要利用沖浪靴鞋墊中的傳感器進行高分辨率壓力測繪。
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繪傳感器和電子設(shè)備。
由于水對信號的干擾，船上無線數(shù)據(jù)采集也是不可能的。在仔細審查了市場上的可用選項后，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，這種設(shè)計要求手指或觸筆與單個電極相互作用。取而代之的是，傳感器是由兩個內(nèi)置電極設(shè)計的，電極之間由一個專有的可壓縮介質(zhì)矩陣隔開，介質(zhì)矩陣的作用就像彈簧一樣。
為了構(gòu)建其觸覺陣列傳感器，PPS將電極布置成正交的重疊條。在電極重疊的每個點形成一個不同的電容器。通過有選擇地掃描一行和一列，測量該位置的電容，從而測量局部壓力。
TactArray傳感器具有高達8192個集成傳感元件，同時測量0.01 psi至700 psi的壓力。
對于不需要陣列的應(yīng)用，PPS公司剛剛開發(fā)了新的單元件、可穿戴的單觸點力傳感器，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毫米可穿戴單點力傳感器，具有柔軟、可拉伸和符合多曲面的特點，不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，可用于人體。
可穿戴單觸點傳感器是一個完整的交鑰匙解決方案，帶有模擬輸出接口板。OpenSourceArduino和DAQ軟件也可供希望開發(fā)傳感器或?qū)鞲衅骷傻狡洚a(chǎn)品或項目中的設(shè)計師使用。
為了滿足沖浪的要求，同時保持高質(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，所以公司提供了護套，以保護觸覺陣列。
雙方的工程師還合作為數(shù)據(jù)采集計算機創(chuàng)建了一個小型的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，一個主要沖浪戰(zhàn)利品制造商，創(chuàng)建一個定制口袋正好低于踝關(guān)節(jié)屈曲點，以免干擾沖浪的技術(shù)。
在整個過程中，拉森對壓力剖面系統(tǒng)采用的測試程序及其制造能力印象尤為深刻。
拉森說：“壓力剖面圖有一個我經(jīng)歷過的更嚴格的測試程序，這意味著很多來自美國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)營地和世界冠軍米克-范寧在低矮棧橋的一次會議上投入使用。該系統(tǒng)成功地捕捉并存儲了數(shù)小時的沖浪數(shù)據(jù)，為世界級精英沖浪者如何用腳控制沖浪板提供了獨特的視角。
拉森設(shè)想，下一步該項目的發(fā)展是與PPS合作，將觸覺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不太精確的視頻觀看來評估。
沖浪板的足底壓力傳感器。
壓腳器紅牛高性能團隊考慮的觸覺陣列技術(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力蒙皮上的氣流和氣壓分布；山地自行車運動員手套或手柄，以確定抓地力、制動時間和硬度；以及在滑板的甲板上確定滑冰運動員在進行特定技巧和動作時的壓力分布。
“能夠在這些應(yīng)用程序中看到壓力信號是一種改變游戲規(guī)則的教育工具，”拉爾森說。“有了傳感器陣列的能力，你的大腦可以游蕩，你開始意識到當(dāng)遇到壓力時，幾乎沒有什么東西是它無法測量的。”
足底壓力數(shù)據(jù)采集軟件。
足底壓力數(shù)據(jù)采集軟件
