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I sensori di pressione indossabili possono contribuire a monitorare la salute umana e a realizzare l'interazione uomo-computer. Sono in corso sforzi per creare sensori di pressione con un design universale e un'elevata sensibilità alle sollecitazioni meccaniche.
Studio: Trasduttore di pressione piezoelettrico tessile dipendente dal modello di tessitura, basato su nanofibre di polivinilidenfluoruro elettrofilate con 50 ugelli. Crediti immagine: African Studio/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 polivinilidenfluoruro (PVDF). Le prestazioni del sensore di pressione sviluppato in relazione alla misurazione della pressione basata sul modello di tessitura vengono 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 canard 2/2 è superiore del 245% rispetto a quella del design canard 1/1. Inoltre, sono stati utilizzati diversi 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 tessuti con una matrice di pixel del sensore mostra caratteristiche percettive stabili e un'elevata sensibilità.
Riso. 1. Preparazione di fili e tessuti multifunzionali in PVDF. a Diagramma di un processo di elettrofilatura a 50 ugelli utilizzato per produrre materassini allineati di nanofibre di PVDF, in cui barre di rame vengono posizionate parallelamente su un nastro trasportatore e le fasi consistono nel preparare tre strutture intrecciate da filamenti monofilamento a quattro strati. b Immagine SEM e distribuzione del diametro delle fibre di 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 Modello di diffrazione dei 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 di dispositivi elettronici indossabili ha dato vita a molti nuovi dispositivi basati su sensori di pressione flessibili, e le loro applicazioni in elettronica, industria e medicina si stanno sviluppando rapidamente.
La piezoelettricità è una carica elettrica generata su un materiale sottoposto a stress meccanico. La piezoelettricità nei materiali asimmetrici consente una relazione lineare e reversibile 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 sorgente meccanica libera per fornire una fonte di alimentazione alternativa ai componenti elettronici a basso consumo energetico. Il tipo di materiale e la struttura del dispositivo sono parametri chiave per la produzione di dispositivi touch basati sull'accoppiamento elettromeccanico. Oltre ai materiali inorganici ad alta tensione, anche i materiali organici meccanicamente flessibili sono stati esplorati nei dispositivi indossabili.
I polimeri trasformati in nanofibre mediante metodi di elettrofilatura sono ampiamente utilizzati come dispositivi piezoelettrici di accumulo di energia. Le nanofibre polimeriche piezoelettriche 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 questo scopo, i polimeri piezoelettrici sono ampiamente utilizzati, tra cui il PVDF e i suoi derivati, che presentano una forte piezoelettricità. Queste fibre di PVDF vengono trafilate e filate per creare tessuti destinati ad applicazioni piezoelettriche, tra cui sensori e generatori.
Figura 2. Tessuti di grandi dimensioni e loro proprietà fisiche. Fotografia di un ampio schema a coste di trama 2/2 fino a 195 cm x 50 cm. b Immagine SEM di uno schema a trama 2/2 costituito da una trama in PVDF intercalata con due basi in PET. c Modulo e deformazione a rottura in vari tessuti con bordi di trama 1/1, 2/2 e 3/3. d è l'angolo di caduta 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, generatori di tessuto basati su filamenti di nanofibre di PVDF vengono realizzati utilizzando un processo di elettrofilatura sequenziale a 50 getti, in cui l'utilizzo di 50 ugelli facilita la produzione di materassini di nanofibre tramite un nastro trasportatore rotante. Utilizzando il filato di PET, vengono create diverse strutture di trama, tra cui nervature di trama 1/1 (liscia), 2/2 e 3/3.
Lavori precedenti hanno riportato l'uso del rame per l'allineamento delle fibre, sotto forma di fili di rame allineati su tamburi di raccolta. Tuttavia, il lavoro attuale prevede l'utilizzo di barre di rame parallele distanziate di 1,5 cm su un nastro trasportatore per facilitare l'allineamento delle filiere in base alle interazioni elettrostatiche tra le fibre cariche in arrivo 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 articolo risponde a un'ampia gamma di forze di input, da 0,02 a 694 Newton. Inoltre, il sensore di pressione tissutale proposto ha mantenuto l'81,3% del suo input originale dopo cinque lavaggi standard, a dimostrazione della sua durevolezza.
Inoltre, i valori di sensibilità che valutano i risultati di tensione e corrente per la lavorazione a coste 1/1, 2/2 e 3/3 hanno mostrato un'elevata sensibilità alla tensione di 83 e 36 mV/N alla pressione delle coste 2/2 e 3/3. I 3 sensori di trama hanno dimostrato una sensibilità rispettivamente del 245% e del 50% più elevata per questi sensori di pressione, rispetto al sensore di pressione della trama 1/1 da 24 mV/N.
Riso. 3. Applicazione estesa del sensore di pressione a tessuto intero. a Esempio di un sensore di pressione per soletta realizzato in tessuto a coste a trama 2/2 inserito sotto due elettrodi circolari per rilevare il movimento dell'avampiede (appena sotto le dita) e del tallone. b Rappresentazione schematica di ogni fase dei singoli passaggi del processo di camminata: atterraggio del tallone, messa a terra, contatto delle dita e sollevamento della gamba. c Segnali di uscita in tensione in risposta a ciascuna parte della fase del passo per l'analisi del passo e d Segnali elettrici amplificati associati a ciascuna fase del passo. e Schema di un sensore di pressione a tessuto intero con una matrice fino a 12 celle di pixel rettangolari con linee conduttive disposte in modo da 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 dal dito e nessun segnale laterale viene generato negli 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 la realizzazione di un sensore di pressione tissutale altamente sensibile e indossabile, che incorpora filamenti piezoelettrici in nanofibre di PVDF. I sensori di pressione prodotti presentano un'ampia gamma di forze di input, da 0,02 a 694 Newton.
Sono stati utilizzati cinquanta ugelli su un prototipo di filatoio elettrico e un tappeto continuo di nanofibre è stato prodotto utilizzando un trasportatore a lotti basato su barre di rame. Sotto compressione intermittente, il tessuto orlato a trama 2/2 prodotto ha mostrato una sensibilità di 83 mV/N, circa il 245% superiore a quella del tessuto orlato a trama 1/1.
I sensori di pressione interamente tessuti proposti monitorano i segnali elettrici sottoponendoli a movimenti fisiologici, tra cui torsioni, piegamenti, compressioni, corsa e camminata. Inoltre, questi misuratori di pressione in tessuto sono paragonabili ai tessuti convenzionali in termini di durata, mantenendo circa l'81,3% della loro resa originale anche dopo 5 lavaggi standard. Infine, il sensore in tessuto prodotto 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 piezoelettrico in tessuto basato su nanofibre di polivinilidenfluoruro elettrofilate con 50 ugelli, a seconda del tipo di trama. 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 una laurea magistrale e una laurea in medicina presso il Vellore Institute of Technology, in India, e una laurea in chimica organica e farmaceutica presso l'Università di Guanajuato, in 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 il suo dottorato di ricerca, ha lavorato alla sintesi di diverse molecole peptidomimetiche legate e fuse a base di eterocicli, che si prevede abbiano il potenziale per funzionalizzare ulteriormente l'attività biologica. Mentre scriveva tesi di laurea e articoli di ricerca, ha coltivato la sua passione per la scrittura e la comunicazione scientifica.
Cavity, Buffner. (11 agosto 2022). Sensore di pressione interamente in tessuto progettato per il monitoraggio della salute tramite dispositivi indossabili. AZonano. Consultato il 21 ottobre 2022 da https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. "Un sensore di pressione per tutti i tessuti progettato per il monitoraggio della salute indossabile". AZonano.21 ottobre 2022 .21 ottobre 2022 .
Cavity, 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. (Aggiornato al 21 ottobre 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Sensore di pressione interamente in tessuto progettato per il monitoraggio della salute tramite dispositivi indossabili. AZoNano, consultato il 21 ottobre 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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