Używamy plików cookie, aby poprawić Twoje doświadczenia. Kontynuując przeglądanie tej witryny, zgadzasz się na używanie przez nas plików cookie. Dodatkowe informacje.
Noszone czujniki ciśnienia mogą pomóc monitorować zdrowie człowieka i realizować interakcję człowiek-komputer. Trwają prace nad stworzeniem czujników ciśnienia o uniwersalnej konstrukcji urządzenia i wysokiej czułości na naprężenia mechaniczne.
Badanie: Zależny od wzoru splotu piezoelektryczny przetwornik ciśnienia tekstylnego oparty na elektroprzędnych nanowłókienach z polifluorku winylidenu z 50 dyszami. Źródło zdjęcia: African Studio/Shutterstock.com
Artykuł opublikowany w czasopiśmie npj Flexible Electronics donosi o produkcji 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 jest demonstrowana na skali tkaniny o długości około 2 metrów.
Wyniki pokazują, że czułość czujnika ciśnienia zoptymalizowanego przy użyciu konstrukcji canard 2/2 jest o 245% wyższa niż w przypadku konstrukcji canard 1/1. Ponadto, różne dane wejściowe zostały użyte do oceny wydajności zoptymalizowanych tkanin, w tym zginania, ściskania, marszczenia, skręcania i różnych ruchów człowieka. W tej pracy czujnik ciśnienia oparty na tkance z matrycą pikseli czujnika wykazuje stabilne cechy percepcyjne i wysoką czułość.
Ryż. 1. Przygotowanie nici PVDF i tkanin wielofunkcyjnych. a Schemat procesu elektroprzędzenia z 50 dyszami, stosowanego do produkcji wyrównanych mat z nanowłókien PVDF, gdzie pręty miedziane są umieszczane równolegle na taśmie przenośnika, a kroki polegają na przygotowaniu trzech splecionych struktur z czterowarstwowych włókien monofilamentowych. b Obraz SEM i rozkład średnic wyrównanych włókien PVDF. c Obraz SEM przędzy czterowarstwowej. d Wytrzymałość na rozciąganie i odkształcenie przy zerwaniu przędzy czterowarstwowej jako funkcja skrętu. e Wzór dyfrakcji rentgenowskiej przędzy czterowarstwowej 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 przyczynił się 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 na materiale poddanym naprężeniom mechanicznym. Piezoelektryczność w materiałach asymetrycznych umożliwia liniową odwracalną zależność między naprężeniem mechanicznym a ładunkiem elektrycznym. Dlatego też, gdy kawałek materiału piezoelektrycznego jest fizycznie odkształcany, powstaje ładunek elektryczny i odwrotnie.
Urządzenia piezoelektryczne mogą wykorzystywać wolne źródło mechaniczne, aby zapewnić alternatywne źródło zasilania dla podzespołów elektronicznych, które zużywają mało energii. Rodzaj materiału i struktura urządzenia są kluczowymi parametrami dla produkcji urządzeń dotykowych opartych na sprzężeniu elektromechanicznym. Oprócz wysokonapięciowych materiałów nieorganicznych, mechanicznie elastyczne materiały organiczne zostały również zbadane w urządzeniach noszonych.
Polimery przetworzone w nanowłókna metodą elektroprzędzenia są szeroko stosowane jako piezoelektryczne urządzenia magazynujące energię. Piezoelektryczne polimerowe nanowłókna ułatwiają tworzenie struktur projektowych opartych na tkaninach do zastosowań noszonych, zapewniając generację elektromechaniczną opartą na sprężystości mechanicznej w różnych środowiskach.
W tym celu powszechnie stosuje się polimery piezoelektryczne, w tym PVDF i jego pochodne, które mają silną piezoelektryczność. Te włókna PVDF są ciągnione i przędzone w tkaniny do zastosowań piezoelektrycznych, w tym czujników i generatorów.
Rysunek 2. Tkaniny o dużej powierzchni 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 dwiema podstawami PET. c Moduł i odkształcenie przy zerwaniu w różnych tkaninach z krawędziami wątku 1/1, 2/2 i 3/3. d to kąt zwisu mierzony 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 włókien nanowłókien PVDF są konstruowane przy użyciu sekwencyjnego procesu elektroprzędzenia 50-strumieniowego, w którym użycie 50 dysz ułatwia produkcję mat z nanowłókien przy użyciu obrotowego przenośnika taśmowego. Różne struktury splotów są tworzone przy użyciu przędzy PET, w tym 1/1 (plain), 2/2 i 3/3 żeberka wątku.
Poprzednie prace donosiły o wykorzystaniu miedzi do wyrównywania włókien w formie wyrównanych drutów miedzianych na bębnach zbierających włókna. Jednak obecne prace składają się z równoległych prętów miedzianych rozmieszczonych w odstępach 1,5 cm na taśmie przenośnika, aby pomóc w wyrównywaniu dysz przędzalniczych na podstawie oddziaływań elektrostatycznych między naładowanymi włóknami przychodzącymi a ładunkami na powierzchni włókien przymocowanych do włókna miedzianego.
W przeciwieństwie do wcześniej opisanych czujników pojemnościowych lub piezorezystancyjnych, proponowany w tym artykule czujnik ciśnienia w tkankach reaguje na szeroki zakres sił wejściowych od 0,02 do 694 niutonów. Ponadto proponowany czujnik ciśnienia w tkaninie zachował 81,3% swojego pierwotnego wejścia po pięciu standardowych praniach, co wskazuje na trwałość czujnika ciśnienia.
Ponadto wartości czułości oceniające wyniki napięcia i prądu dla dzianiny ściągaczowej 1/1, 2/2 i 3/3 wykazały wysoką czułość napięciową wynoszącą 83 i 36 mV/N na nacisk ściągacza 2/2 i 3/3. 3 czujniki wątku 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 tkaniny prążkowanej 2/2, 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 indywidualnych 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 żaden sygnał boczny nie jest generowany w innych pikselach, co potwierdza brak przesłuchu. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R i in. (2022)
Podsumowując, badanie to demonstruje wysoce czuły i nadający się do noszenia czujnik ciśnienia tkanek, wykorzystujący nanowłókna piezoelektryczne PVDF. Wytworzone czujniki ciśnienia mają szeroki zakres sił wejściowych od 0,02 do 694 niutonów.
Pięćdziesiąt dysz zastosowano w jednym prototypie elektrycznej maszyny przędzalniczej, a ciągłą matę nanowłókien wyprodukowano przy użyciu przenośnika wsadowego opartego na prętach miedzianych. Przy przerywanym ściskaniu wytworzona tkanina z obszyciem wątku 2/2 wykazała czułość 83 mV/N, co jest około 245% więcej niż tkanina z obszyciem wątku 1/1.
Proponowane całkowicie tkane czujniki ciśnienia monitorują sygnały elektryczne, poddając je ruchom fizjologicznym, w tym skręcaniu, zginaniu, ściskaniu, bieganiu i chodzeniu. Ponadto te tekstylne wskaźniki ciśnienia są porównywalne z konwencjonalnymi tkaninami pod względem trwałości, zachowując około 81,3% swojej pierwotnej wydajności nawet po 5 standardowych praniach. Ponadto wyprodukowany czujnik tkankowy jest skuteczny w systemie opieki zdrowotnej, generując sygnały elektryczne na podstawie ciągłych segmentów chodzenia osoby.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR i in. (2022). Piezoelektryczny czujnik ciśnienia tkaninowy na bazie elektroprzędzonych nanowłókien 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 tym miejscu są poglądami autora w jego charakterze osobistym i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, właściciela i operatora tej witryny. Niniejsze zastrzeżenie jest częścią warunków korzystania z tej witryny.
Bhavna Kaveti jest pisarką naukową z Hajdarabadu w Indiach. Posiada tytuł magistra i doktora nauk medycznych z Vellore Institute of Technology w Indiach. w zakresie chemii organicznej i medycznej z University of Guanajuato w Meksyku. Jej praca badawcza jest związana z rozwojem i syntezą cząsteczek bioaktywnych opartych na heterocyklach i ma doświadczenie w syntezie wieloetapowej i wieloskładnikowej. Podczas badań doktorskich pracowała nad syntezą różnych cząsteczek peptydomimetycznych opartych na heterocyklach, które mają potencjał do dalszej funkcjonalizacji aktywności biologicznej. Podczas pisania rozpraw i prac badawczych eksplorowała swoją pasję do pisania naukowego i komunikacji.
Cavity, Buffner. (11 sierpnia 2022). Czujnik ciśnienia w całości wykonany z tkaniny zaprojektowany do noszenia na ciele w celu monitorowania 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 w celu monitorowania 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 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 tkaniny przeznaczony 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 rozwój nanonośnika w postaci „szklanej bańki”, który może pomóc lekom wnikać do komórek raka trzustki.
W tym wywiadzie AZoNano rozmawia z King Kong Lee z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley o jego nagrodzonej Noblem technologii: pęsetach optycznych.
W tym wywiadzie rozmawiamy ze SkyWater Technology o stanie branży półprzewodników, o tym, w jaki sposób nanotechnologia pomaga kształtować tę branżę, oraz o ich nowym partnerstwie.
Inoveno PE-550 to najlepiej sprzedająca się maszyna do elektroprzędzenia/natryskiwania służąca do ciągłej produkcji nanowłókien.
Filmtrics R54 Zaawansowane narzędzie do mapowania rezystancji powierzchniowej dla płytek półprzewodnikowych i kompozytowych.