Pro zlepšení vašeho zážitku používáme soubory cookie. Pokračováním v prohlížení těchto stránek souhlasíte s používáním souborů cookie. Další informace.
Nositelné tlakové senzory mohou pomoci monitorovat lidské zdraví a realizovat interakci mezi člověkem a počítačem. Probíhá úsilí o vytvoření tlakových senzorů s univerzálním designem zařízení a vysokou citlivostí na mechanické namáhání.
Studie: Piezoelektrický snímač tlaku pro textilie závislý na vzoru vazby, založený na elektrostaticky zvlákněných nanovláken polyvinylidenfluoridu s 50 tryskami. Zdroj obrázku: African Studio/Shutterstock.com
Článek publikovaný v časopise npj Flexible Electronics popisuje výrobu piezoelektrických tlakových snímačů pro tkaniny s použitím osnovních přízí z polyethylentereftalátu (PET) a útkových přízí z polyvinylidenfluoridu (PVDF). Výkon vyvinutého tlakového snímače ve vztahu k měření tlaku na základě vzoru vazby je demonstrován na tkanině o délce přibližně 2 metry.
Výsledky ukazují, že citlivost tlakového senzoru optimalizovaného s použitím konstrukce 2/2 canard je o 245 % vyšší než citlivost konstrukce 1/1 canard. Kromě toho byly k vyhodnocení výkonu optimalizovaných tkanin použity různé vstupy, včetně ohybu, stlačování, zvrásnění, kroucení a různých lidských pohybů. V této práci vykazuje tlakový senzor na bázi tkáně s polem pixelů senzoru stabilní percepční charakteristiky a vysokou citlivost.
Rýže. 1. Příprava PVDF nití a multifunkčních tkanin. a Schéma procesu elektrostatického zvlákňování s 50 tryskami používaného k výrobě uspořádaných rohoží z PVDF nanovláken, kde jsou měděné tyče umístěny paralelně na dopravním pásu a kroky spočívají v přípravě tří pletených struktur ze čtyřvrstvých monofilních vláken. b SEM snímek a rozložení průměru uspořádaných PVDF vláken. c SEM snímek čtyřvrstvé příze. d Pevnost v tahu a deformace při přetržení čtyřvrstvé příze v závislosti na kroucení. e Rentgenový difrakční obrazec čtyřvrstvé příze ukazující přítomnost alfa a beta fází. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R a kol. (2022)
Rychlý vývoj inteligentních robotů a nositelných elektronických zařízení vedl ke vzniku mnoha nových zařízení založených na flexibilních tlakových senzorech a jejich aplikace v elektronice, průmyslu a medicíně se rychle rozvíjejí.
Piezoelektřina je elektrický náboj generovaný na materiálu, který je vystaven mechanickému namáhání. Piezoelektřina v asymetrických materiálech umožňuje lineární reverzibilní vztah mezi mechanickým namáháním a elektrickým nábojem. Proto když je kus piezoelektrického materiálu fyzicky deformován, vzniká elektrický náboj a naopak.
Piezoelektrická zařízení mohou využívat volný mechanický zdroj jako alternativní zdroj energie pro elektronické součástky s nízkou spotřebou energie. Typ materiálu a struktura zařízení jsou klíčovými parametry pro výrobu dotykových zařízení založených na elektromechanické vazbě. Kromě vysokonapěťových anorganických materiálů byly v nositelných zařízeních zkoumány také mechanicky flexibilní organické materiály.
Polymery zpracované do nanovláken metodami elektrospinningu se široce používají jako piezoelektrická zařízení pro ukládání energie. Piezoelektrická polymerní nanovlákna usnadňují vytváření konstrukčních struktur na bázi tkanin pro nositelné aplikace tím, že poskytují elektromechanické generování založené na mechanické elasticitě v různých prostředích.
Pro tento účel se široce používají piezoelektrické polymery, včetně PVDF a jeho derivátů, které mají silnou piezoelektrickou energii. Tato PVDF vlákna se táhnou a spřádají do tkanin pro piezoelektrické aplikace, včetně senzorů a generátorů.
Obrázek 2. Velkoplošné tkaniny a jejich fyzikální vlastnosti. Fotografie velkého vzoru útkových žeber 2/2 o rozměrech až 195 cm x 50 cm. b SEM snímek vzoru útkových žeber 2/2 sestávajícího z jednoho útku PVDF proloženého dvěma PET bázemi. c Modul a napětí při přetržení v různých tkaninách s okraji útku 1/1, 2/2 a 3/3. d je úhel zavěšení měřený pro tkaninu. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R a kol. (2022)
V předkládané práci jsou generátory tkanin na bázi nanovlákenných filamentů PVDF konstruovány pomocí sekvenčního 50tryskového elektrospinningového procesu, kde použití 50 trysek usnadňuje výrobu nanovlákenných rohoží pomocí rotujícího pásového dopravníku. Z PET příze jsou vytvořeny různé vazební struktury, včetně útkových žeber 1/1 (hladké), 2/2 a 3/3.
Předchozí práce uváděly použití mědi pro vyrovnání vláken ve formě vyrovnaných měděných drátů na bubnech pro sběr vláken. Současná práce však spočívá v použití rovnoběžných měděných tyčí umístěných od sebe 1,5 cm na dopravním pásu, které pomáhají vyrovnávat zvlákňovací trysky na základě elektrostatických interakcí mezi přicházejícími nabitými vlákny a náboji na povrchu vláken připojených k měděnému vláknu.
Na rozdíl od dříve popsaných kapacitních nebo piezorezistivních senzorů reaguje senzor tlaku tkáně navržený v tomto článku na široký rozsah vstupních sil od 0,02 do 694 Newtonů. Navržený senzor tlaku tkaniny si navíc po pěti standardních praních zachoval 81,3 % svého původního vstupního tlaku, což svědčí o jeho trvanlivosti.
Kromě toho hodnoty citlivosti vyhodnocující výsledky napětí a proudu pro pletení 1/1, 2/2 a 3/3 žebra ukázaly vysokou citlivost na napětí 83 a 36 mV/N na tlak 2/2 a 3/3 žebra. 3 útkové senzory vykazovaly o 245 %, respektive 50 % vyšší citlivost u těchto tlakových senzorů ve srovnání se senzorem tlaku útku 24 mV/N pro pletení 1/1.
Rýže. 3. Rozšířené použití tlakového senzoru na celou látku. a Příklad tlakového senzoru stélky vyrobeného z žebrované látky s 2/2 útkem, vloženého pod dvě kruhové elektrody pro detekci pohybu přední části chodidla (těsně pod prsty) a paty. b Schematické znázornění každé fáze jednotlivých kroků v procesu chůze: doskok paty, uzemnění, kontakt špičky a zvedání nohy. c Výstupní napěťové signály v reakci na každou část kroku chůze pro analýzu chůze a d Zesílené elektrické signály spojené s každou fází chůze. e Schéma tlakového senzoru na celou tkáň s polem až 12 obdélníkových pixelových buněk s vodivými čarami vzorovanými pro detekci jednotlivých signálů z každého pixelu. f 3D mapa elektrického signálu generovaného stisknutím prstu na každý pixel. g Elektrický signál je detekován pouze v pixelu stisknutém prstem a v ostatních pixelech není generován žádný boční signál, což potvrzuje, že nedochází k žádnému přeslechu. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R a kol. (2022)
Závěrem lze říci, že tato studie demonstruje vysoce citlivý a nositelný senzor tlaku tkáně s použitím piezoelektrických vláken z PVDF nanovláken. Vyráběné senzory tlaku mají široký rozsah vstupních sil od 0,02 do 694 Newtonů.
Na jednom prototypu elektrického spřádacího stroje bylo použito padesát trysek a pomocí dávkového dopravníku na bázi měděných tyčí byla vyrobena kontinuální rohož z nanovláken. Za přerušovaného stlačení vykazovala vyrobená tkanina s útkovým lemem 2/2 citlivost 83 mV/N, což je asi o 245 % více než tkanina s útkovým lemem 1/1.
Navrhované celotkané tlakové senzory monitorují elektrické signály tím, že je vystavují fyziologickým pohybům, včetně kroucení, ohýbání, mačkání, běhu a chůze. Tyto textilní tlakoměry jsou navíc srovnatelné s běžnými tkaninami, pokud jde o odolnost, a zachovávají si přibližně 81,3 % své původní nosnosti i po 5 standardních praních. Vyrobený tkáňový senzor je navíc účinný ve zdravotnickém systému tím, že generuje elektrické signály na základě nepřetržitých segmentů chůze osoby.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR a kol. (2022). Textilní piezoelektrický tlakový senzor založený na elektrostaticky zvlákněných nanovláken polyvinylidenfluoridu s 50 tryskami, v závislosti na vzoru vazby. Flexibilní elektronika npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
Prohlášení o vyloučení odpovědnosti: Názory zde vyjádřené vyjadřují názory autora vyjadřujícího se k jeho osobnímu zastoupení a nemusí nutně odrážet názory společnosti AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, vlastníka a provozovatele těchto webových stránek. Toto prohlášení o vyloučení odpovědnosti je součástí podmínek používání těchto webových stránek.
Bhavna Kaveti je vědecká spisovatelka z Hajdarábádu v Indii. Je držitelkou titulů MSc a MD z Vellore Institute of Technology v Indii a v oboru organické a medicinální chemie z University of Guanajuato v Mexiku. Její výzkumná práce se týká vývoje a syntézy bioaktivních molekul na bázi heterocyklů a má zkušenosti s vícestupňovou a vícesložkovou syntézou. Během svého doktorského výzkumu se věnovala syntéze různých vázaných a kondenzovaných peptidomimetických molekul na bázi heterocyklů, u kterých se očekává potenciál pro další funkcionalizaci biologické aktivity. Při psaní disertačních a výzkumných prací se věnovala své vášni pro vědecké psaní a komunikaci.
Cavity, Buffner. (11. srpna 2022). Celotlaký snímač tlaku navržený pro monitorování zdraví v nositelném zařízení. AZonano. Získáno 21. října 2022 z https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Dutina, Buffner. „Snímač tlaku všech tkání určený pro monitorování zdraví v nositelném zařízení“. AZonano.21. října 2022.21. října 2022.
Cavity, Buffner. „Snímač tlaku všech tkání určený pro monitorování zdraví v nositelném zařízení“. AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (K 21. říjnu 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Celotextilní tlakový senzor určený pro monitorování zdraví v nositelném zařízení. AZoNano, přístup 21. října 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
V tomto rozhovoru AZoNano hovoří s profesorem André Nelem o inovativní studii, na které se podílí a která popisuje vývoj nanonosiče ve formě „skleněné bubliny“, jenž může pomoci lékům proniknout do buněk rakoviny slinivky břišní.
V tomto rozhovoru AZoNano hovoří s Kingem Kongem Leeem z Kalifornské univerzity v Berkeley o jeho technologii, optické pinzetě, která získala Nobelovu cenu.
V tomto rozhovoru si s firmou SkyWater Technology povídáme o stavu polovodičového průmyslu, o tom, jak nanotechnologie pomáhá toto odvětví formovat, a o jejich novém partnerství.
Inoveno PE-550 je nejprodávanější elektrospinningový/stříkací stroj pro kontinuální výrobu nanovláken.
Filmetrics R54 Pokročilý nástroj pro mapování plošného odporu polovodičových a kompozitních destiček.