Ми використовуємо файли cookie для покращення вашого досвіду. Продовжуючи перегляд цього сайту, ви погоджуєтеся на використання нами файлів cookie. Додаткова інформація.
Носимі датчики тиску можуть допомогти контролювати здоров'я людини та реалізувати взаємодію людини з комп'ютером. Тривають зусилля зі створення датчиків тиску з універсальним дизайном пристрою та високою чутливістю до механічного впливу.
Дослідження: П'єзоелектричний перетворювач тиску на текстиль, що залежить від візерунка переплетення, на основі електроформованих нановолокон полівініліденфториду з 50 соплами. Автор зображення: African Studio/Shutterstock.com
У статті, опублікованій у журналі npj Flexible Electronics, повідомляється про виготовлення п'єзоелектричних датчиків тиску для тканин з використанням ниток основи з поліетилентерефталату (ПЕТ) та ниток утка з полівініліденфториду (ПВДФ). Характеристики розробленого датчика тиску стосовно вимірювання тиску на основі візерунка переплетення продемонстровано на масштабі тканини приблизно 2 метри.
Результати показують, що чутливість датчика тиску, оптимізованого за допомогою конструкції «канард» 2/2, на 245% вища, ніж у конструкції «канард» 1/1. Крім того, для оцінки характеристик оптимізованих тканин використовувалися різні вхідні дані, включаючи згинання, стискання, зморщування, скручування та різні рухи людини. У цій роботі датчик тиску на основі тканини з масивом пікселів датчика демонструє стабільні перцептивні характеристики та високу чутливість.
Рис. 1. Підготовка ниток PVDF та багатофункціональних тканин. a Схема процесу електроформування з 50 соплами, що використовується для виробництва вирівняних матів з нановолокон PVDF, де мідні стрижні розміщуються паралельно на конвеєрній стрічці, а кроки полягають у підготовці трьох плетених структур з чотиришарових монофіламентних ниток. b Зображення SEM та розподіл діаметрів вирівняних волокон PVDF. c Зображення SEM чотиришарової пряжі. d Міцність на розрив та деформація при розриві чотиришарової пряжі як функція скручування. e Рентгенівська дифрактограма чотиришарової пряжі, що показує наявність альфа- та бета-фаз. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Швидкий розвиток інтелектуальних роботів та носимих електронних пристроїв призвів до появи багатьох нових пристроїв на основі гнучких датчиків тиску, і їх застосування в електроніці, промисловості та медицині швидко розвивається.
П'єзоелектрика — це електричний заряд, що генерується на матеріалі, який піддається механічному напруженню. П'єзоелектрика в асиметричних матеріалах допускає лінійну оборотну залежність між механічним напруженням та електричним зарядом. Тому, коли шматок п'єзоелектричного матеріалу фізично деформується, створюється електричний заряд, і навпаки.
П'єзоелектричні пристрої можуть використовувати вільне механічне джерело живлення для забезпечення альтернативного джерела живлення електронних компонентів, які споживають мало енергії. Тип матеріалу та структура пристрою є ключовими параметрами для виробництва сенсорних пристроїв на основі електромеханічного зв'язку. Окрім високовольтних неорганічних матеріалів, також досліджувалися механічно гнучкі органічні матеріали в носимих пристроях.
Полімери, перероблені в нановолокна методами електроформування, широко використовуються як п'єзоелектричні пристрої накопичення енергії. П'єзоелектричні полімерні нановолокна сприяють створенню тканинних конструкцій для носіння, забезпечуючи електромеханічну генерацію на основі механічної еластичності в різних середовищах.
Для цієї мети широко використовуються п'єзоелектричні полімери, включаючи PVDF та його похідні, які мають сильну п'єзоелектрику. Ці волокна PVDF витягуються та прядуться у тканини для п'єзоелектричних застосувань, включаючи датчики та генератори.
Рисунок 2. Тканини великої площі та їх фізичні властивості. Фотографія великого візерунка ребер 2/2 утоку розміром до 195 см x 50 см. b SEM-зображення візерунка 2/2 утоку, що складається з одного утоку з PVDF, прокладеного двома основами з PET. c Модуль пружності та деформація при розриві в різних тканинах з краями утоку 1/1, 2/2 та 3/3. d – кут підвішування, виміряний для тканини. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R та ін. (2022)
У цій роботі генератори тканин на основі нановолокнистих філаментів PVDF побудовані за допомогою послідовного 50-струминного процесу електроформування, де використання 50 сопел сприяє виробництву нановолокнистих матів за допомогою обертової стрічкової конвеєрної стрічки. З використанням ПЕТ-пряжі створюються різні структури переплетення, включаючи ребра качка 1/1 (плоский), 2/2 та 3/3.
У попередніх роботах повідомлялося про використання міді для вирівнювання волокон у вигляді вирівняних мідних дротів на барабанах для збору волокон. Однак поточна робота полягає у використанні паралельних мідних стрижнів, розташованих на відстані 1,5 см один від одного на конвеєрній стрічці, що допомагає вирівнювати фільєри на основі електростатичної взаємодії між вхідними зарядженими волокнами та зарядами на поверхні волокон, прикріплених до мідного волокна.
На відміну від раніше описаних ємнісних або п'єзорезистивних датчиків, датчик тиску тканин, запропонований у цій статті, реагує на широкий діапазон вхідних сил від 0,02 до 694 Ньютона. Крім того, запропонований датчик тиску тканини зберіг 81,3% свого початкового вхідного значення після п'яти стандартних прань, що свідчить про довговічність датчика тиску.
Крім того, значення чутливості, що оцінювали результати напруги та струму для в'язання ребра 1/1, 2/2 та 3/3, показали високу чутливість до напруги 83 та 36 мВ/Н до тиску ребра 2/2 та 3/3. 3 датчики утка продемонстрували на 245% та 50% вищу чутливість для цих датчиків тиску відповідно порівняно з датчиком тиску утка 24 мВ/Н для в'язання ребра 1/1.
Рис. 3. Розширене застосування датчика тиску на всю тканину. a Приклад датчика тиску устілки, виготовленого з ребристої тканини з 2/2 качка, вставленого під два кругові електроди для виявлення руху передньої частини стопи (трохи нижче пальців ніг) та п'яти. b Схематичне зображення кожного етапу окремих кроків у процесі ходьби: приземлення на п'яту, заземлення, контакт пальців ніг та підняття ноги. c Вихідні сигнали напруги у відповідь на кожну частину кроку ходьби для аналізу ходи та d Підсилені електричні сигнали, пов'язані з кожною фазою ходи. e Схема датчика тиску на всю тканину з масивом до 12 прямокутних піксельних комірок з провідними лініями, нанесеними на кожен піксель. f 3D-карта електричного сигналу, що генерується натисканням пальцем на кожен піксель. g Електричний сигнал виявляється лише в пікселі, на який натискається пальцем, і в інших пікселях не генерується бічний сигнал, що підтверджує відсутність перехресних перешкод. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R та ін. (2022)
На завершення, це дослідження демонструє високочутливий та зручний у носінні датчик тиску тканин, що містить п'єзоелектричні нитки з нановолокна PVDF. Виготовлені датчики тиску мають широкий діапазон вхідних сил від 0,02 до 694 Ньютонів.
На одному прототипі електричної прядильної машини було використано п'ятдесят сопел, а безперервний килимок з нановолокон було виготовлено за допомогою конвеєра періодичної дії на основі мідних стрижнів. При періодичному стисканні виготовлена ​​тканина з підгинанням утока 2/2 показала чутливість 83 мВ/Н, що приблизно на 245% вище, ніж тканина з підгинання утока 1/1.
Запропоновані повністю ткані датчики тиску контролюють електричні сигнали, піддаючи їх фізіологічним рухам, включаючи скручування, згинання, стискання, біг та ходьбу. Крім того, ці тканинні манометри тиску порівнянні зі звичайними тканинами за міцністю, зберігаючи приблизно 81,3% своєї початкової пружності навіть після 5 стандартних прань. Крім того, виготовлений тканинний датчик ефективний у системі охорони здоров'я, генеруючи електричні сигнали на основі безперервних сегментів ходьби людини.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR та ін. (2022). Тканинний п'єзоелектричний датчик тиску на основі електроформованих нановолокон полівініліденфториду з 50 соплами, залежно від візерунка плетіння. Гнучка електроніка npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
Застереження: Висловлені тут погляди належать автору в його особистій якості та не обов'язково відображають погляди AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, власника та оператора цього веб-сайту. Це застереження є частиною умов використання цього веб-сайту.
Бхавна Каветі — наукова письменниця з Хайдарабаду, Індія. Вона має ступінь магістра та доктора медицини Веллорського технологічного інституту, Індія. Здобула ступінь магістра та доктора медицини з органічної та медичної хімії в Університеті Гуанахуато, Мексика. Її дослідницька робота пов'язана з розробкою та синтезом біоактивних молекул на основі гетероциклів, і вона має досвід багатостадійного та багатокомпонентного синтезу. Під час докторської дисертації вона працювала над синтезом різних зв'язаних та конденсованих пептидоміметиків на основі гетероциклів, які, як очікується, матимуть потенціал для подальшої функціоналізації біологічної активності. Під час написання дисертацій та дослідницьких робіт вона розвивала свою пристрасть до наукового письма та комунікації.
Cavity, Buffner. (11 серпня 2022 р.). Повністю тканинний датчик тиску, розроблений для моніторингу здоров'я в носимих пристроях. AZonano. Отримано 21 жовтня 2022 р. з https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. «Датчик тиску на всі тканини, розроблений для моніторингу здоров'я, що носить пристрій». AZonano.21 жовтня 2022 року.21 жовтня 2022 року.
Cavity, Buffner. «Датчик тиску всіх тканин, розроблений для моніторингу здоров'я, що носить пристрій». AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (Станом на 21 жовтня 2022 р.).
Cavity, Buffner. 2022. Датчик тиску з тканини, розроблений для моніторингу здоров'я, що носиться. AZoNano, дата звернення: 21 жовтня 2022 р., https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
У цьому інтерв'ю AZoNano розмовляє з професором Андре Нелем про інноваційне дослідження, в якому він бере участь, яке описує розробку наноносія у формі «скляної бульбашки», що може допомогти лікам проникати в клітини раку підшлункової залози.
У цьому інтерв'ю AZoNano розмовляє з Кінгом Конгом Лі з Каліфорнійського університету в Берклі про його технологію, що отримала Нобелівську премію, – оптичний пінцет.
У цьому інтерв'ю ми поговоримо зі SkyWater Technology про стан напівпровідникової промисловості, як нанотехнології допомагають формувати галузь, та їхнє нове партнерство.
Inoveno PE-550 – це найпопулярніша машина для електроформування/розпилення для безперервного виробництва нановолокна.
Filmetrics R54 Розширений інструмент для картографування опору шарів для напівпровідникових та композитних пластин.