Na zlepšenie vášho zážitku používame súbory cookie. Pokračovaním v prehliadaní tejto stránky súhlasíte s používaním súborov cookie. Ďalšie informácie.
Nositeľné tlakové senzory môžu pomôcť monitorovať ľudské zdravie a realizovať interakciu medzi človekom a počítačom. Pokračujú snahy o vytvorenie tlakových senzorov s univerzálnym dizajnom zariadenia a vysokou citlivosťou na mechanické namáhanie.
Štúdia: Piezoelektrický prevodník tlaku závislý od vzoru väzby na báze elektrostaticky spriadaných polyvinylidénfluoridových nanovlákien s 50 tryskami. Zdroj obrázka: African Studio/Shutterstock.com
Článok publikovaný v časopise npj Flexible Electronics informuje o výrobe piezoelektrických tlakových prevodníkov pre tkaniny s použitím osnovných priadzí z polyetyléntereftalátu (PET) a útkových priadzí z polyvinylidénfluoridu (PVDF). Výkon vyvinutého tlakového senzora vo vzťahu k meraniu tlaku na základe vzoru väzby je demonštrovaný na tkanine s dĺžkou približne 2 metre.
Výsledky ukazujú, že citlivosť tlakového senzora optimalizovaného pomocou dizajnu 2/2 canard je o 245 % vyššia ako citlivosť dizajnu 1/1 canard. Okrem toho sa na vyhodnotenie výkonu optimalizovaných tkanín použili rôzne vstupy vrátane ohybu, stláčania, krčenia, krútenia a rôznych ľudských pohybov. V tejto práci vykazuje tlakový senzor na báze tkaniva s poľom pixelov senzora stabilné percepčné charakteristiky a vysokú citlivosť.
Ryža. 1. Príprava PVDF nití a multifunkčných tkanín. a Schéma procesu elektrostatického zvlákňovania s 50 tryskami používaného na výrobu zarovnaných rohoží z PVDF nanovlákien, kde sú medené tyče umiestnené paralelne na dopravnom páse a kroky spočívajú v príprave troch pletených štruktúr zo štvorvrstvových monofilných vlákien. b SEM snímok a rozloženie priemeru zarovnaných PVDF vlákien. c SEM snímok štvorvrstvovej priadze. d Pevnosť v ťahu a napätie pri pretrhnutí štvorvrstvovej priadze ako funkcia skrútenia. e Röntgenový difrakčný obraz štvorvrstvovej priadze znázorňujúci prítomnosť alfa a beta fáz. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R a kol. (2022)
Rýchly vývoj inteligentných robotov a nositeľných elektronických zariadení viedol k vzniku mnohých nových zariadení založených na flexibilných tlakových senzoroch a ich aplikácie v elektronike, priemysle a medicíne sa rýchlo rozvíjajú.
Piezoelektrina je elektrický náboj generovaný na materiáli, ktorý je vystavený mechanickému namáhaniu. Piezoelektrina v asymetrických materiáloch umožňuje lineárny reverzibilný vzťah medzi mechanickým namáhaním a elektrickým nábojom. Preto, keď sa kus piezoelektrického materiálu fyzicky deformuje, vytvorí sa elektrický náboj a naopak.
Piezoelektrické zariadenia môžu využívať voľný mechanický zdroj na zabezpečenie alternatívneho zdroja energie pre elektronické súčiastky, ktoré spotrebúvajú málo energie. Typ materiálu a štruktúra zariadenia sú kľúčovými parametrami pre výrobu dotykových zariadení založených na elektromechanickom prepojení. Okrem vysokonapäťových anorganických materiálov sa v nositeľných zariadeniach skúmali aj mechanicky flexibilné organické materiály.
Polyméry spracované na nanovlákna metódami elektrospinningu sa široko používajú ako piezoelektrické zariadenia na ukladanie energie. Piezoelektrické polymérne nanovlákna uľahčujú vytváranie dizajnových štruktúr na báze tkanín pre nositeľné aplikácie tým, že poskytujú elektromechanickú generáciu založenú na mechanickej elasticite v rôznych prostrediach.
Na tento účel sa široko používajú piezoelektrické polyméry vrátane PVDF a jeho derivátov, ktoré majú silnú piezoelektrinu. Tieto PVDF vlákna sa ťahajú a spriadajú do tkanín pre piezoelektrické aplikácie vrátane senzorov a generátorov.
Obrázok 2. Veľkoplošné tkaniny a ich fyzikálne vlastnosti. Fotografia veľkého vzoru 2/2 útkových rebier do rozmerov 195 cm x 50 cm. b SEM snímka vzoru 2/2 útkových rebier pozostávajúceho z jedného PVDF útku preloženého s dvoma PET základmi. c Modul a napätie pri pretrhnutí v rôznych tkaninách s 1/1, 2/2 a 3/3 útkovými okrajmi. d je uhol zavesenia meraný pre tkaninu. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R a kol. (2022)
V predloženej práci sú generátory tkanín na báze PVDF nanovlákien konštruované pomocou sekvenčného 50-tryskového elektrospinningového procesu, kde použitie 50 trysiek uľahčuje výrobu nanovlákien pomocou rotujúceho pásového dopravníka. Pomocou PET priadze sa vytvárajú rôzne väzobné štruktúry vrátane 1/1 (hladkých), 2/2 a 3/3 útkových rebier.
Predchádzajúce práce uvádzali použitie medi na zarovnanie vlákien vo forme zarovnaných medených drôtov na bubnoch na zber vlákien. Súčasná práca však spočíva v použití rovnobežných medených tyčí umiestnených 1,5 cm od seba na dopravnom páse, ktoré pomáhajú zarovnať zvlákňovacie trysky na základe elektrostatických interakcií medzi prichádzajúcimi nabitými vláknami a nábojmi na povrchu vlákien pripojených k medenému vláknu.
Na rozdiel od predtým opísaných kapacitných alebo piezorezistívnych senzorov, senzor tlaku tkaniva navrhnutý v tomto článku reaguje na široký rozsah vstupných síl od 0,02 do 694 Newtonov. Okrem toho si navrhovaný senzor tlaku tkaniny zachoval 81,3 % svojho pôvodného vstupu po piatich štandardných praniach, čo naznačuje odolnosť senzora tlaku.
Okrem toho hodnoty citlivosti vyhodnocujúce výsledky napätia a prúdu pre pletenie 1/1, 2/2 a 3/3 rebra ukázali vysokú citlivosť na napätie 83 a 36 mV/N na tlak 2/2 a 3/3 rebra. 3 senzory útku preukázali o 245 % a 50 % vyššiu citlivosť pre tieto senzory tlaku v porovnaní so senzorom tlaku útku 24 mV/N 1/1.
Ryža. 3. Rozšírené použitie snímača tlaku na celú látku. a Príklad snímača tlaku stielky vyrobeného z 2/2 útkovej rebrovanej látky vloženej pod dve kruhové elektródy na detekciu pohybu prednej časti chodidla (tesne pod prstami) a päty. b Schematické znázornenie každej fázy jednotlivých krokov v procese chôdze: doskok na pätu, uzemnenie, kontakt s prstami a zdvihnutie nohy. c Výstupné napäťové signály v reakcii na každú časť kroku chôdze pre analýzu chôdze a d Zosilnené elektrické signály spojené s každou fázou chôdze. e Schéma snímača tlaku na celú tkanivu s poľom až 12 obdĺžnikových pixelových buniek s vodivými čiarami vzorovanými na detekciu jednotlivých signálov z každého pixelu. f 3D mapa elektrického signálu generovaného stlačením prsta na každý pixel. g Elektrický signál sa deteguje iba v pixeli stlačenom prstom a v ostatných pixeloch sa negeneruje žiadny bočný signál, čo potvrdzuje, že nedochádza k presluchu. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R a kol. (2022)
Záverom možno povedať, že táto štúdia demonštruje vysoko citlivý a nositeľný senzor tlaku tkaniva s použitím piezoelektrických vlákien z PVDF nanofibríl. Vyrobené senzory tlaku majú široký rozsah vstupných síl od 0,02 do 694 Newtonov.
Na jednom prototype elektrického spriadacieho stroja sa použilo päťdesiat trysiek a pomocou dávkového dopravníka na báze medených tyčí sa vyrobila súvislá rohož z nanovlákien. Pri prerušovanom stlačení vykazovala vyrobená tkanina s 2/2 útkovým lemom citlivosť 83 mV/N, čo je približne o 245 % vyššia citlivosť ako tkanina s 1/1 útkovým lemom.
Navrhované celotkané tlakové senzory monitorujú elektrické signály tým, že ich vystavujú fyziologickým pohybom vrátane krútenia, ohýbania, stláčania, behu a chôdze. Okrem toho sú tieto tlakomery na tkaniny porovnateľné s konvenčnými tkaninami z hľadiska odolnosti a zachovávajú si približne 81,3 % svojej pôvodnej priepustnosti aj po 5 štandardných praniach. Okrem toho je vyrobený tkanivový senzor účinný v systéme zdravotnej starostlivosti tým, že generuje elektrické signály na základe nepretržitých segmentov chôdze osoby.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR a kol. (2022). Piezoelektrický snímač tlaku na báze textílií na báze elektrostaticky spriadaných nanovlákien z polyvinylidénfluoridu s 50 tryskami, v závislosti od vzoru väzby. Flexibilná elektronika npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
Vyhlásenie o vylúčení zodpovednosti: Názory vyjadrené v tomto dokumente sú názormi autora vyjadrenými osobne a nemusia nevyhnutne odrážať názory spoločnosti AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, vlastníka a prevádzkovateľa tejto webovej stránky. Toto vyhlásenie o vylúčení zodpovednosti je súčasťou podmienok používania tejto webovej stránky.
Bhavna Kaveti je vedecká spisovateľka z Hajdarábádu v Indii. Je držiteľkou titulov MSc a MD z Technologického inštitútu Vellore v Indii. Získala titul v odbore organická a medicínska chémia z Univerzity v Guanajuato v Mexiku. Jej výskumná práca sa týka vývoja a syntézy bioaktívnych molekúl na báze heterocyklov a má skúsenosti s viacstupňovou a viaczložkovou syntézou. Počas doktorandského výskumu pracovala na syntéze rôznych viazaných a kondenzovaných peptidomimetických molekúl na báze heterocyklov, u ktorých sa očakáva potenciál ďalej funkcionalizovať biologickú aktivitu. Pri písaní dizertačných a výskumných prác sa venovala svojej vášni pre vedecké písanie a komunikáciu.
Cavity, Buffner. (11. augusta 2022). Celotextilný snímač tlaku navrhnutý na monitorovanie zdravia v nositeľných zariadeniach. AZonano. Získané 21. októbra 2022 z https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. „Snímač tlaku celého tkaniva určený na monitorovanie zdravia v nositeľných zariadeniach“. AZonano.21. októbra 2022.21. októbra 2022.
Cavity, Buffner. „Snímač tlaku celého tkaniva určený na monitorovanie zdravia v nositeľných zariadeniach“. AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (K 21. októbru 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Celotextilný tlakový senzor určený na monitorovanie zdravia v nositeľných zariadeniach. AZoNano, prístup 21. októbra 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
V tomto rozhovore sa AZoNano rozpráva s profesorom Andrém Nelom o inovatívnej štúdii, na ktorej sa podieľa a ktorá opisuje vývoj nanonosiča „sklenenej bubliny“, ktorý môže pomôcť liekom preniknúť do buniek rakoviny pankreasu.
V tomto rozhovore sa AZoNano rozpráva s King Kongom Leeom z UC Berkeley o jeho technológii, optickej pinzete, ktorá získala Nobelovu cenu.
V tomto rozhovore sa so spoločnosťou SkyWater Technology rozprávame o stave polovodičového priemyslu, o tom, ako nanotechnológia pomáha formovať toto odvetvie, a o ich novom partnerstve.
Inoveno PE-550 je najpredávanejší elektrospinningový/striekací stroj na kontinuálnu výrobu nanovlákien.
Filmetrics R54 Pokročilý nástroj na mapovanie vrstvového odporu pre polovodičové a kompozitné doštičky.