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I sensori di pressione indossabili possono aiutare a monitorare la salute umana e realizzare l'interazione umana-computer. Sono in corso sforzi per creare sensori di pressione con una progettazione universale del dispositivo e un'elevata sensibilità allo stress meccanico.
Studio: trasduttore di pressione piezoelettrica tessile dipendente dal modello di tessitura basato su nanofibre di fluoruro di polivinilidene elettrospun con 50 ugelli. Credito immagine: African Studio/Shutterstock.com
Un articolo pubblicato sulla rivista NPJ Flexible Electronics Reports sulla fabbricazione di trasduttori di pressione piezoelettrica per tessuti usando filati di trama del polietilene tereftalato (PET) e filati di trama di polivinilidene (PVDF). Le prestazioni del sensore di pressione sviluppato in relazione alla misurazione della pressione in base al modello di trama sono dimostrate su una scala di stoffa di circa 2 metri.
I risultati mostrano che la sensibilità di un sensore di pressione ottimizzato utilizzando il design Canard 2/2 è superiore del 245% a quella del design canard 1/1. Inoltre, sono stati utilizzati vari input per valutare le prestazioni dei tessuti ottimizzati, tra cui flessione, spremitura, rughe, torsione e vari movimenti umani. In questo lavoro, un sensore di pressione a base di tessuto con un array di pixel sensore presenta caratteristiche percettive stabili e alta sensibilità.
Riso. 1. Preparazione di thread PVDF e tessuti multifunzionali. Un diagramma di un processo di elettrospinning da 50 pozzetti utilizzato per produrre stuoie allineate di nanofibre PVDF, in cui le aste di rame sono posizionate in parallelo su una cintura del trasportatore e i gradini sono per preparare tre strutture intrecciate da filamenti di monofilamenti a quattro strati. B SEM Immagine e diametro Distribuzione delle fibre PVDF allineate. C Immagine di un filo a quattro strati. D resistenza alla trazione e tensione alla rottura di un filo a quattro strati in funzione della torsione. Modello di diffrazione dei raggi X di un filo a quattro strati 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 in elettronica, industria e medicina si stanno rapidamente sviluppando.
La piezoelettricità è una carica elettrica generata su un materiale sottoposto a sollecitazione meccanica. La piezoelettricità nei materiali asimmetrici consente una relazione reversibile lineare tra sollecitazione meccanica e carica elettrica. Pertanto, quando un pezzo di materiale piezoelettrico viene deformato fisicamente, viene creata 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 potenza. Il tipo di materiale e struttura del dispositivo sono parametri chiave per la produzione di dispositivi touch basati sull'accoppiamento elettromeccanico. Oltre ai materiali inorganici ad alta tensione, sono stati esplorati anche materiali organici meccanicamente flessibili in dispositivi indossabili.
I polimeri elaborati in nanofibre con metodi di elettrospinning sono ampiamente utilizzati come dispositivi di accumulo di energia piezoelettrica. Le nanofibre di polimero piezoelettrico facilitano la creazione di strutture di design a base di tessuto per applicazioni indossabili fornendo una generazione elettromeccanica basata sull'elasticità meccanica in una varietà di ambienti.
A tale scopo, i polimeri piezoelettrici sono ampiamente utilizzati, tra cui PVDF e i suoi derivati, che hanno una forte piezoelettricità. Queste fibre PVDF vengono disegnate e trasmesse in tessuti per applicazioni piezoelettriche tra cui sensori e generatori.
Figura 2. Tessuti di grandi aree e loro proprietà fisiche. Fotografia di un grande motivo a costola di trama 2/2 fino a 195 cm x 50 cm. B SEM Immagine di un modello di trama 2/2 costituito da una trama PVDF interleata con due basi di animali domestici. M Modulo e tensione in pausa in vari tessuti con bordi di trama 1/1, 2/2 e 3/3. D è l'angolo sospeso 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 tessuti basati su filamenti di nanofibre PVDF sono costruiti utilizzando un processo sequenziale di elettrospinning da 50 jet, in cui l'uso di 50 ugelli facilita la produzione di tappetini in nanofibra usando un nastro trasportatore rotante. Varie strutture di trama vengono create utilizzando filati per animali domestici, tra cui nervature di trama 1/1 (semplice), 2/2 e 3/3.
Precedenti lavori hanno riportato l'uso di rame per l'allineamento delle fibre sotto forma di fili di rame allineati sui tamburi di raccolta di fibre. Tuttavia, l'attuale lavoro è costituito da aste di rame parallele distanziate di 1,5 cm su una cintura del trasportatore per aiutare ad allineare le spinnerse in base alle interazioni elettrostatiche tra fibre caricate in arrivo e 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 una vasta 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 della tensione e della corrente per la maglieria a costola 1/1, 2/2 e 3/3 hanno mostrato una sensibilità ad alta tensione di 83 e 36 mV/N a 2/2 e 3/3 di pressione delle costole. 3 sensori di trama hanno dimostrato la sensibilità del 245% e 50% superiore per questi sensori di pressione, rispettivamente, rispetto al sensore di pressione di trama da 24 mV/n 1/1.
Riso. 3. Applicazione ampliata del sensore di pressione a livello completo. Un esempio di un sensore di pressione per sola realizzato in tessuto a coste di trama 2/2 inserita sotto due elettrodi circolari per rilevare l'avampiede (appena sotto le dita dei piedi) e il movimento del tallone. B Rappresentazione schematica di ogni fase dei singoli passi nel processo di camminata: atterraggio del tallone, messa a terra, contatto con le dita e sollevamento delle gambe. Segnali di uscita della tensione C in risposta a ciascuna parte della fase dell'andatura per l'analisi dell'andatura e segnali elettrici amplificati D associati a ciascuna fase dell'andatura. E Schema di un sensore di pressione del tessuto completo con una matrice di fino a 12 cellule di pixel rettangolari con linee conduttive modellate per rilevare 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 pressato dalle dita e nessun segnale laterale viene generato in altri pixel, confermando che non esiste un crosstalk. © 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 fabbricati hanno una vasta gamma di forze di ingresso da 0,02 a 694 newton.
Cinquanta ugelli sono stati utilizzati su un prototipo di rotazione elettrica e un tappetino continuo di nanofibre è stato prodotto utilizzando un trasportatore batch basato su aste di rame. Sotto la compressione intermittente, il tessuto di orlo a trama 2/2 fabbricato ha mostrato una sensibilità di 83 mV/N, che è di circa il 245% superiore al tessuto di orlo trapunto 1/1.
I sensori di pressione integrale proposti monitorano i segnali elettrici sottoponendoli a movimenti fisiologici, tra cui torsione, flessione, spremitura, corsa e camminata. Inoltre, questi manometri in tessuto sono paragonabili ai tessuti convenzionali in termini di durata, mantenendo circa l'81,3% della resa originale anche dopo 5 lavaggi standard. Inoltre, il sensore di tessuto fabbricato è efficace nel sistema sanitario generando segnali elettrici basati su segmenti continui della camminata di una persona.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al. (2022). Sensore di pressione piezoelettrica in tessuto basato su nanofibre di fluoruro di polivinilidene elettrospun con 50 ugelli, a seconda del modello di trama. Elettronica flessibile NPJ. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti è uno scrittore scientifico di Hyderabad, in India. Ha conseguito MSC e MD dal Vellore Institute of Technology, in India. in chimica organica e medicinale presso l'Università di Guanajuato, in Messico. Il suo lavoro di ricerca è correlato allo sviluppo e alla sintesi di molecole bioattive basate su eterocicli e ha esperienza nella sintesi a più fasi e multi-componente. Durante la sua ricerca di dottorato, ha lavorato alla sintesi di varie molecole peptidomimetiche legate e fuse a base di eterociclo che dovrebbero avere il potenziale per funzionalizzare ulteriormente l'attività biologica. Durante la scrittura di tesi e documenti di ricerca, ha esplorato la sua passione per la scrittura e la comunicazione scientifica.
Cavità, Buffner. (11 agosto 2022). Sensore di pressione in tessuto completo 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 per tutti i tessuti progettato per il monitoraggio della salute indossabile". Azonano.21 ottobre 2022.21 ottobre 2022.
Cavità, Buffner. "Un sensore di pressione per 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 a tutto tondo 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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