Używamy plików cookie, aby ulepszyć Twoje wrażenia. Kontynuując przeglądanie tej witryny, wyrażasz zgodę na używanie przez nas plików cookie. Dodatkowe informacje.
Noszone czujniki ciśnienia mogą pomóc w monitorowaniu zdrowia człowieka i umożliwieniu interakcji człowiek-komputer. Trwają prace nad stworzeniem czujników ciśnienia o uniwersalnej konstrukcji i wysokiej czułości na naprężenia mechaniczne.
Badanie: Piezoelektryczny przetwornik ciśnienia tekstylnego zależny od wzoru splotu, oparty na elektroprzędzonych nanowłókienach z polifluorku winylidenu, z 50 dyszami. Źródło zdjęcia: African Studio/Shutterstock.com
Artykuł opublikowany w czasopiśmie „npj Flexible Electronics” opisuje produkcję piezoelektrycznych przetworników ciśnienia do tkanin z wykorzystaniem osnowy z politereftalanu etylenu (PET) i wątku z polifluorku winylidenu (PVDF). Wydajność opracowanego czujnika ciśnienia w odniesieniu do pomiaru ciśnienia na podstawie wzoru splotu została zademonstrowana na tkaninie o długości około 2 metrów.
Wyniki pokazują, że czułość czujnika ciśnienia zoptymalizowanego z wykorzystaniem konstrukcji 2/2 canard jest o 245% wyższa niż w przypadku konstrukcji 1/1 canard. Dodatkowo, do oceny działania zoptymalizowanych tkanin wykorzystano różne dane wejściowe, w tym zginanie, ściskanie, marszczenie, skręcanie i różne ruchy człowieka. W niniejszej pracy czujnik ciśnienia oparty na tkance z matrycą pikselową wykazuje stabilne właściwości percepcyjne i wysoką czułość.
Ryż. 1. Przygotowanie nici PVDF i tkanin wielofunkcyjnych. a Schemat procesu elektroprzędzenia z 50 dyszami, stosowanego do produkcji mat z nanowłókien PVDF ułożonych w linii, w którym pręty miedziane są umieszczone równolegle na taśmie przenośnika, a poszczególne kroki mają na celu przygotowanie trzech struktur plecionych z czterowarstwowych monofilamentowych włókien. b Obraz SEM i rozkład średnic ułożonych włókien PVDF. c Obraz SEM przędzy czteronitkowej. d Wytrzymałość na rozciąganie i odkształcenie przy zerwaniu przędzy czteronitkowej w funkcji skrętu. e Dyfraktogram rentgenowski przędzy czteronitkowej pokazujący obecność faz alfa i beta. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R i in. (2022)
Szybki rozwój inteligentnych robotów i przenośnych urządzeń elektronicznych doprowadził do powstania wielu nowych urządzeń bazujących na elastycznych czujnikach ciśnienia, a ich zastosowania w elektronice, przemyśle i medycynie rozwijają się w szybkim tempie.
Piezoelektryczność to ładunek elektryczny generowany w materiale poddanym naprężeniom mechanicznym. Piezoelektryczność w materiałach asymetrycznych pozwala na liniową, odwracalną zależność między naprężeniem mechanicznym a ładunkiem elektrycznym. Dlatego też, gdy element materiału piezoelektrycznego ulega fizycznemu odkształceniu, powstaje ładunek elektryczny i odwrotnie.
Urządzenia piezoelektryczne mogą wykorzystywać wolne źródło mechaniczne do zapewnienia alternatywnego źródła zasilania dla podzespołów elektronicznych o niskim poborze mocy. Rodzaj materiału i struktura urządzenia to kluczowe parametry dla produkcji urządzeń dotykowych opartych na sprzężeniu elektromechanicznym. Oprócz wysokonapięciowych materiałów nieorganicznych, w urządzeniach noszonych badano również mechanicznie elastyczne materiały organiczne.
Polimery przetwarzane w nanowłókna metodą elektroprzędzenia są szeroko stosowane jako urządzenia do magazynowania energii piezoelektrycznej. Piezoelektryczne nanowłókna polimerowe ułatwiają tworzenie struktur opartych na tkaninach do zastosowań w urządzeniach noszonych, zapewniając generację elektromechaniczną opartą na elastyczności mechanicznej w różnych środowiskach.
W tym celu powszechnie stosuje się polimery piezoelektryczne, w tym PVDF i jego pochodne, które charakteryzują się silną piezoelektrycznością. Włókna PVDF są ciągnione i przędzone w tkaniny do zastosowań piezoelektrycznych, takich jak czujniki i generatory.
Rysunek 2. Tkaniny wielkopowierzchniowe i ich właściwości fizyczne. Zdjęcie dużego wzoru wątku 2/2 o wymiarach do 195 cm x 50 cm. b Obraz SEM wzoru wątku 2/2, składającego się z jednego wątku PVDF przeplatanego dwoma bazami PET. c Moduł sprężystości i odkształcenie przy zerwaniu w różnych tkaninach z krawędziami wątku 1/1, 2/2 i 3/3. d to kąt zwisu zmierzony dla tkaniny. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R i in. (2022)
W niniejszej pracy generatory tkanin na bazie nanowłókien PVDF są konstruowane w sekwencyjnym procesie elektroprzędzenia z 50 dyszami, w którym zastosowanie 50 dysz ułatwia produkcję mat z nanowłókien za pomocą obrotowego przenośnika taśmowego. Z przędzy PET powstają różne struktury splotu, w tym sploty wątkowe 1/1 (płócienne), 2/2 i 3/3.
Wcześniejsze prace donosiły o wykorzystaniu miedzi do pozycjonowania włókien w postaci wyrównanych drutów miedzianych na bębnach odbiorczych włókien. Jednak obecne prace polegają na zastosowaniu równoległych prętów miedzianych rozmieszczonych w odstępach 1,5 cm na taśmie przenośnika, co pomaga w pozycjonowaniu dysz przędzalniczych w oparciu o oddziaływania elektrostatyczne między naładowanymi włóknami a ładunkami na powierzchni włókien przymocowanych do włókna miedzianego.
W przeciwieństwie do wcześniej opisanych czujników pojemnościowych lub piezorezystancyjnych, proponowany w niniejszym artykule czujnik nacisku tkanek reaguje na szeroki zakres sił wejściowych, od 0,02 do 694 niutonów. Ponadto, proponowany czujnik nacisku tkaniny zachował 81,3% pierwotnej wartości wejściowej po pięciu standardowych praniach, co świadczy o jego trwałości.
Ponadto wartości czułości oceniające wyniki napięcia i prądu dla dzianiny ściągaczowej 1/1, 2/2 i 3/3 wykazały wysoką czułość napięciową wynoszącą odpowiednio 83 i 36 mV/N przy nacisku na ściągacz 2/2 i 3/3. Czujniki wątku 3 wykazały odpowiednio o 245% i 50% wyższą czułość dla tych czujników nacisku w porównaniu z czujnikiem nacisku wątku 1/1 o wartości 24 mV/N.
Rice. 3. Rozszerzone zastosowanie czujnika nacisku na całą tkaninę. a Przykład czujnika nacisku wkładki wykonanego z 2/2 wątku prążkowanego materiału umieszczonego pod dwiema okrągłymi elektrodami w celu wykrywania ruchu przedniej części stopy (tuż pod palcami) i pięty. b Schematyczne przedstawienie każdego etapu poszczególnych kroków w procesie chodzenia: lądowanie pięty, uziemienie, kontakt palców i unoszenie nogi. c Sygnały wyjściowe napięcia w odpowiedzi na każdą część kroku chodu w celu analizy chodu oraz d Wzmocnione sygnały elektryczne związane z każdą fazą chodu. e Schemat czujnika nacisku na całą tkankę z tablicą do 12 prostokątnych komórek pikselowych z liniami przewodzącymi wzorowanymi w celu wykrywania pojedynczych sygnałów z każdego piksela. f Trójwymiarowa mapa sygnału elektrycznego generowanego przez naciśnięcie palcem każdego piksela. g Sygnał elektryczny jest wykrywany tylko w pikselu naciśniętym palcem, a w innych pikselach nie jest generowany żaden sygnał boczny, co potwierdza brak przesłuchu. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R i in. (2022)
Podsumowując, niniejsze badanie prezentuje wysoce czuły i przenośny czujnik ciśnienia tkanek, wykorzystujący piezoelektryczne filamenty z nanowłókien PVDF. Wyprodukowane czujniki ciśnienia charakteryzują się szerokim zakresem sił wejściowych, od 0,02 do 694 niutonów.
Pięćdziesiąt dysz zastosowano w jednym prototypie elektrycznej przędzarki, a ciągłą matę z nanowłókien wytworzono za pomocą przenośnika wsadowego opartego na prętach miedzianych. W warunkach przerywanego ściskania, wyprodukowana tkanina z rąbkiem wątku 2/2 wykazała czułość 83 mV/N, czyli o około 245% wyższą niż tkanina z rąbkiem wątku 1/1.
Proponowane, tkane czujniki ciśnienia monitorują sygnały elektryczne, poddając je ruchom fizjologicznym, takim jak skręcanie, zginanie, ściskanie, bieganie i chodzenie. Ponadto, te tekstylne czujniki ciśnienia są porównywalne z konwencjonalnymi tkaninami pod względem trwałości, zachowując około 81,3% swojej pierwotnej wydajności nawet po 5 standardowych praniach. Co więcej, wyprodukowany czujnik tkankowy jest skuteczny w systemie opieki zdrowotnej, generując sygnały elektryczne na podstawie ciągłych fragmentów chodu osoby.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR i in. (2022). Piezoelektryczny czujnik ciśnienia z tkaniny oparty na elektroprzędzonych nanowłókienach z polifluorku winylidenu z 50 dyszami, w zależności od wzoru splotu. Elastyczna elektronika npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
Zastrzeżenie: Poglądy wyrażone w niniejszym dokumencie są poglądami autora w jego imieniu i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy firmy AZoM.com Limited działającej jako AZoNetwork, właściciela i operatora tej strony internetowej. Niniejsze zastrzeżenie stanowi część warunków korzystania z tej strony internetowej.
Bhavna Kaveti jest pisarką naukową z Hajdarabadu w Indiach. Ukończyła studia magisterskie i doktoranckie w Vellore Institute of Technology w Indiach, a następnie uzyskała tytuł doktora chemii organicznej i medycznej na Uniwersytecie Guanajuato w Meksyku. Jej badania naukowe dotyczą rozwoju i syntezy cząsteczek bioaktywnych opartych na heterocyklach. Posiada doświadczenie w syntezie wieloetapowej i wieloskładnikowej. W trakcie studiów doktoranckich pracowała nad syntezą różnych cząsteczek peptydomimetycznych opartych na heterocyklach, które mogą potencjalnie zwiększać funkcjonalizację aktywności biologicznej. Pisząc rozprawy doktorskie i artykuły naukowe, rozwijała swoją pasję do pisania prac naukowych i komunikacji.
Cavity, Buffner. (11 sierpnia 2022 r.). Czujnik ciśnienia w całości wykonany z materiału, zaprojektowany do noszenia na ciele w formie urządzenia do monitorowania stanu zdrowia. AZonano. Pobrano 21 października 2022 r. z https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. „Czujnik ciśnienia obejmujący wszystkie tkanki, zaprojektowany do noszenia na ciele i monitorowania stanu zdrowia”. AZonano.21 października 2022 r.21 października 2022 r.
Cavity, Buffner. „Czujnik ciśnienia obejmujący wszystkie tkanki, zaprojektowany do noszenia na ciele w celu monitorowania stanu zdrowia”. AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (Stan na 21 października 2022 r.).
Cavity, Buffner. 2022. Czujnik ciśnienia wykonany w całości z materiału, zaprojektowany do noszenia na ciele w celu monitorowania stanu zdrowia. AZoNano, dostęp 21 października 2022 r., https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
W tym wywiadzie AZoNano rozmawia z profesorem André Nelem o nowatorskim badaniu, w którym bierze udział, a które opisuje opracowanie nanonośnika w postaci „szklanej bańki”, który może pomóc lekom wnikać do komórek raka trzustki.
W tym wywiadzie AZoNano rozmawia z King Kongiem Lee z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley o jego nagrodzonej Nagrodą Nobla technologii: pęsecie optycznej.
W tym wywiadzie rozmawiamy z firmą SkyWater Technology o stanie branży półprzewodników, o tym, w jaki sposób nanotechnologia pomaga kształtować tę branżę, a także o ich nowym partnerstwie.
Inoveno PE-550 to najlepiej sprzedająca się maszyna do elektroprzędzenia/natryskiwania przeznaczona do ciągłej produkcji nanowłókien.
Filmetrics R54 Zaawansowane narzędzie do mapowania rezystancji powierzchniowej dla płytek półprzewodnikowych i kompozytowych.