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I sensori di pressione indossabili possono aiutare a monitorare la salute umana e realizzare l'interazione uomo-computer.Sono in corso sforzi per creare sensori di pressione con un design del dispositivo universale e un'elevata sensibilità alle sollecitazioni meccaniche.
Studio: Trasduttore di pressione piezoelettrico tessile dipendente dal modello di tessitura basato su nanofibre di fluoruro di polivinilidene elettrofilate con 50 ugelli.Credito immagine: Studio africano/Shutterstock.com
Un articolo pubblicato sulla rivista npj Flexible Electronics riporta la fabbricazione di trasduttori di pressione piezoelettrici per tessuti utilizzando fili di ordito in polietilene tereftalato (PET) e fili di trama in fluoruro di polivinilidene (PVDF).Le prestazioni del sensore di pressione sviluppato in relazione alla misurazione della pressione basata sul modello di tessitura sono dimostrate su una scala di tessuto di circa 2 metri.
I risultati mostrano che la sensibilità di un sensore di pressione ottimizzato utilizzando il design 2/2 canard è superiore del 245% rispetto a quella del design 1/1 canard.Inoltre, sono stati utilizzati vari input per valutare le prestazioni dei tessuti ottimizzati, tra cui flessione, schiacciamento, grinza, torsione e vari movimenti umani.In questo lavoro, un sensore di pressione basato su tessuto con una matrice di pixel del sensore presenta caratteristiche percettive stabili e alta sensibilità.
Riso.1. Preparazione di fili PVDF e tessuti multifunzionali.un diagramma di un processo di elettrofilatura a 50 ugelli utilizzato per produrre tappetini allineati di nanofibre PVDF, in cui le barre di rame sono posizionate in parallelo su un nastro trasportatore e le fasi consistono nella preparazione di tre strutture intrecciate da filamenti monofilamento a quattro strati.b Immagine SEM e distribuzione del diametro delle fibre PVDF allineate.c Immagine SEM di un filato a quattro capi.d Resistenza alla trazione e deformazione a rottura di un filato a quattro capi in funzione della torsione.e Schema di diffrazione ai raggi X di un filato a quattro capi che mostra la presenza di fasi alfa e beta.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
Il rapido sviluppo di robot intelligenti e dispositivi elettronici indossabili ha dato origine a molti nuovi dispositivi basati su sensori di pressione flessibili e le loro applicazioni nell'elettronica, nell'industria e nella medicina sono in rapido sviluppo.
La piezoelettricità è una carica elettrica generata su un materiale sottoposto a stress meccanico.La piezoelettricità nei materiali asimmetrici consente una relazione reversibile lineare tra stress meccanico e carica elettrica.Pertanto, quando un pezzo di materiale piezoelettrico viene deformato fisicamente, si crea una carica elettrica e viceversa.
I dispositivi piezoelettrici possono utilizzare una fonte meccanica libera per fornire una fonte di alimentazione alternativa per i componenti elettronici che consumano poca energia.Il tipo di materiale e la struttura del dispositivo sono parametri fondamentali per la produzione di dispositivi touch basati su accoppiamento elettromeccanico.Oltre ai materiali inorganici ad alta tensione, nei dispositivi indossabili sono stati esplorati anche materiali organici meccanicamente flessibili.
I polimeri trasformati in nanofibre mediante metodi di elettrofilatura sono ampiamente utilizzati come dispositivi di accumulo di energia piezoelettrica.Le nanofibre polimeriche piezoelettriche facilitano la creazione di strutture di progettazione basate su tessuto per applicazioni indossabili fornendo la generazione elettromeccanica basata sull'elasticità meccanica in una varietà di ambienti.
A tale scopo sono ampiamente utilizzati polimeri piezoelettrici, tra cui PVDF e suoi derivati, che hanno una forte piezoelettricità.Queste fibre PVDF vengono trafilate e filate in tessuti per applicazioni piezoelettriche, inclusi sensori e generatori.
Figura 2. Tessuti di grandi dimensioni e loro proprietà fisiche.Fotografia di un grande motivo a coste 2/2 di trama fino a 195 cm x 50 cm.b Immagine SEM di un motivo di trama 2/2 costituito da una trama in PVDF interfogliata con due basi in PET.c Modulo e deformazione a rottura in vari tessuti con lembi di trama 1/1, 2/2 e 3/3.d è l'angolo di sospensione misurato per il tessuto.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
Nel presente lavoro, i generatori di tessuto basati su filamenti di nanofibre PVDF sono costruiti utilizzando un processo di elettrofilatura sequenziale a 50 getti, in cui l'uso di 50 ugelli facilita la produzione di tappetini in nanofibra utilizzando un nastro trasportatore a nastro rotante.Varie strutture di trama vengono create utilizzando il filato PET, comprese le nervature di trama 1/1 (liscia), 2/2 e 3/3.
Il lavoro precedente ha riportato l'uso del rame per l'allineamento delle fibre sotto forma di fili di rame allineati sui tamburi di raccolta delle fibre.Tuttavia, il lavoro attuale consiste in barre di rame parallele distanziate di 1,5 cm l'una dall'altra su un nastro trasportatore per aiutare ad allineare le filiere in base alle interazioni elettrostatiche tra le fibre cariche in entrata e le cariche sulla superficie delle fibre attaccate alla fibra di rame.
A differenza dei sensori capacitivi o piezoresistivi precedentemente descritti, il sensore di pressione tissutale proposto in questo documento risponde a un'ampia gamma di forze di input da 0,02 a 694 Newton.Inoltre, il sensore di pressione del tessuto proposto ha mantenuto l'81,3% del suo input originale dopo cinque lavaggi standard, indicando la durata del sensore di pressione.
Inoltre, i valori di sensibilità che valutano i risultati di tensione e corrente per la lavorazione a maglia di nervature 1/1, 2/2 e 3/3 hanno mostrato una sensibilità ad alta tensione di 83 e 36 mV/N alla pressione di nervature 2/2 e 3/3.3 sensori di trama hanno dimostrato rispettivamente il 245% e il 50% in più di sensibilità per questi sensori di pressione, rispetto al sensore di pressione di trama 1/1 da 24 mV/N.
Riso.3. Applicazione estesa del sensore di pressione a panno intero.a Esempio di un sensore di pressione del sottopiede in tessuto a coste a 2/2 trama inserito sotto due elettrodi circolari per rilevare il movimento dell'avampiede (appena sotto le dita) e del tallone.b Rappresentazione schematica di ogni fase delle singole fasi del processo di deambulazione: atterraggio del tallone, appoggio a terra, contatto con le dita e sollevamento della gamba.c Segnali di uscita in tensione in risposta a ciascuna parte del passo dell'andatura per l'analisi dell'andatura e d Segnali elettrici amplificati associati a ciascuna fase dell'andatura.e Schema di un sensore di pressione del tessuto intero con una matrice di fino a 12 celle di pixel rettangolari con linee conduttive modellate per rilevare i singoli segnali da ciascun pixel.f Una mappa 3D del segnale elettrico generato premendo un dito su ciascun pixel.g Un segnale elettrico viene rilevato solo nel pixel premuto con il dito e nessun segnale laterale viene generato in altri pixel, a conferma dell'assenza di diafonia.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
In conclusione, questo studio dimostra un sensore di pressione tissutale altamente sensibile e indossabile che incorpora filamenti piezoelettrici in nanofibra PVDF.I sensori di pressione prodotti hanno un'ampia gamma di forze di ingresso da 0,02 a 694 Newton.
Cinquanta ugelli sono stati utilizzati su un prototipo di filatoio elettrico ed è stato prodotto un tappeto continuo di nanofibre utilizzando un trasportatore batch basato su barre di rame.Sotto compressione intermittente, il tessuto prodotto con orlo a 2/2 trama ha mostrato una sensibilità di 83 mV/N, che è circa il 245% superiore rispetto al tessuto con orlo a 1/1 trama.
I sensori di pressione interamente intessuti proposti monitorano i segnali elettrici sottoponendoli a movimenti fisiologici, tra cui torsioni, piegamenti, schiacciamenti, corsa e camminata.Inoltre, questi manometri per tessuti sono paragonabili ai tessuti convenzionali in termini di durata, conservando circa l'81,3% della loro resa originale anche dopo 5 lavaggi standard.Inoltre, il sensore tissutale fabbricato è efficace nel sistema sanitario generando segnali elettrici basati su segmenti continui del cammino di una persona.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR e altri.(2022).Sensore di pressione piezoelettrico del tessuto basato su nanofibre di fluoruro di polivinilidene elettrofilate con 50 ugelli, a seconda del modello di tessitura.Elettronica flessibile npj.https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti è una scrittrice scientifica di Hyderabad, in India.Ha conseguito MSc e MD presso il Vellore Institute of Technology, India.in chimica organica e medicinale presso l'Università di Guanajuato, Messico.Il suo lavoro di ricerca riguarda lo sviluppo e la sintesi di molecole bioattive basate su eterocicli, e ha esperienza nella sintesi multi-step e multi-componente.Durante la sua ricerca di dottorato, ha lavorato alla sintesi di varie molecole peptidomimetiche legate e fuse basate su eterociclo che dovrebbero avere il potenziale per funzionalizzare ulteriormente l'attività biologica.Mentre scriveva dissertazioni e articoli di ricerca, ha esplorato la sua passione per la scrittura scientifica e la comunicazione.
Cavità, Buffner.(11 agosto 2022).Sensore di pressione interamente in tessuto progettato per il monitoraggio della salute indossabile.AZonano.Estratto il 21 ottobre 2022 da https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavità, Buffner."Un sensore di pressione di tutti i tessuti progettato per il monitoraggio della salute indossabile".AZonano.21 ottobre 2022 .21 ottobre 2022 .
Cavità, Buffner."Un sensore di pressione di tutti i tessuti progettato per il monitoraggio della salute indossabile".AZonano.https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.(A partire dal 21 ottobre 2022).
Cavità, Buffner.2022. Sensore di pressione interamente in tessuto progettato per il monitoraggio della salute indossabile.AZoNano, consultato il 21 ottobre 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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