Za izboljšanje vaše izkušnje uporabljamo piškotke. Z nadaljnjim brskanjem po tej strani se strinjate z našo uporabo piškotkov. Dodatne informacije.
Nosljivi senzorji tlaka lahko pomagajo spremljati zdravje ljudi in uresničevati interakcijo med človekom in računalnikom. V teku so prizadevanja za izdelavo senzorjev tlaka z univerzalno zasnovo naprave in visoko občutljivostjo na mehanske obremenitve.
Študija: Tekstilni piezoelektrični pretvornik tlaka, odvisen od vzorca tkanja, na osnovi elektrospredenih poliviniliden fluoridnih nanovlaken s 50 šobami. Avtor slike: African Studio/Shutterstock.com
Članek, objavljen v reviji npj Flexible Electronics, poroča o izdelavi piezoelektričnih pretvornikov tlaka za tkanine z uporabo osnovnih niti iz polietilen tereftalata (PET) in votkovnih niti iz poliviniliden fluorida (PVDF). Delovanje razvitega senzorja tlaka v povezavi z merjenjem tlaka na podlagi vzorca tkanja je prikazano na tkanini velikosti približno 2 metra.
Rezultati kažejo, da je občutljivost tlačnega senzorja, optimiziranega z zasnovo 2/2 canard, za 245 % višja kot pri zasnovi 1/1 canard. Poleg tega so bili za oceno delovanja optimiziranih tkanin uporabljeni različni vhodni podatki, vključno z upogibanjem, stiskanjem, gubanjem, zvijanjem in različnimi človeškimi gibi. V tem delu tlačni senzor na osnovi tkiva z matriko senzorskih pikslov kaže stabilne zaznavne značilnosti in visoko občutljivost.
Riž. 1. Priprava PVDF niti in večnamenskih tkanin. a Diagram postopka elektrospredanja s 50 šobami, ki se uporablja za izdelavo poravnanih podlog iz PVDF nanovlaken, kjer so bakrene palice vzporedno nameščene na tekočem traku, koraki pa so priprava treh pletenih struktur iz štirislojnih monofilamentnih filamentov. b SEM slika in porazdelitev premera poravnanih PVDF vlaken. c SEM slika štirislojne preje. d Natezna trdnost in deformacija pri pretrganju štirislojne preje kot funkcija zasuka. e Rentgenski difrakcijski vzorec štirislojne preje, ki prikazuje prisotnost alfa in beta faz. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Hiter razvoj inteligentnih robotov in nosljivih elektronskih naprav je privedel do številnih novih naprav, ki temeljijo na fleksibilnih senzorjih tlaka, njihova uporaba v elektroniki, industriji in medicini pa se hitro razvija.
Piezoelektričnost je električni naboj, ki nastane na materialu, ki je izpostavljen mehanski obremenitvi. Piezoelektričnost v asimetričnih materialih omogoča linearno reverzibilno razmerje med mehansko napetostjo in električnim nabojem. Zato se pri fizični deformaciji kosa piezoelektričnega materiala ustvari električni naboj in obratno.
Piezoelektrične naprave lahko uporabljajo prosti mehanski vir kot alternativni vir napajanja za elektronske komponente, ki porabijo malo energije. Vrsta materiala in struktura naprave sta ključna parametra za proizvodnjo naprav na dotik, ki temeljijo na elektromehanski sklopitvi. Poleg visokonapetostnih anorganskih materialov so bili v nosljivih napravah raziskani tudi mehansko fleksibilni organski materiali.
Polimeri, predelani v nanovlakna z metodami elektrospinninga, se pogosto uporabljajo kot piezoelektrične naprave za shranjevanje energije. Piezoelektrična polimerna nanovlakna omogočajo ustvarjanje struktur na osnovi tkanin za nosljive aplikacije, saj zagotavljajo elektromehansko generacijo, ki temelji na mehanski elastičnosti v različnih okoljih.
V ta namen se pogosto uporabljajo piezoelektrični polimeri, vključno s PVDF in njegovimi derivati, ki imajo močno piezoelektričnost. Ta PVDF vlakna se vlečejo in spredejo v tkanine za piezoelektrične aplikacije, vključno s senzorji in generatorji.
Slika 2. Tkanine velike površine in njihove fizikalne lastnosti. Fotografija velikega vzorca 2/2 votkovnih reber do 195 cm x 50 cm. b SEM slika vzorca 2/2 votkovnih reber, ki je sestavljen iz enega PVDF votka, prepletenega z dvema PET osnovama. c Modul in deformacija pri pretrgu v različnih tkaninah z 1/1, 2/2 in 3/3 votkovnimi robovi. d je kot obešanja, izmerjen za tkanino. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
V tem delu so generatorji tkanin na osnovi PVDF nanofibranih filamentov izdelani z uporabo zaporednega 50-curkovnega elektrospredalnega postopka, kjer uporaba 50 šob olajša izdelavo nanofibranih preprog z vrtečim se transportnim trakom. Z uporabo PET preje so ustvarjene različne strukture tkanja, vključno z 1/1 (enakomernimi), 2/2 in 3/3 votkovnimi rebri.
V prejšnjih delih so poročali o uporabi bakra za poravnavo vlaken v obliki poravnanih bakrenih žic na bobnih za zbiranje vlaken. Vendar pa trenutno delo vključuje vzporedne bakrene palice, razporejene 1,5 cm narazen na tekočem traku, ki pomagajo pri poravnavi predilnih šob na podlagi elektrostatičnih interakcij med vhodnimi nabitimi vlakni in naboji na površini vlaken, pritrjenih na bakreno vlakno.
Za razliko od prej opisanih kapacitivnih ali piezoresistivnih senzorjev se senzor tlaka tkiva, predlagan v tem članku, odziva na širok razpon vhodnih sil od 0,02 do 694 Newtonov. Poleg tega je predlagani senzor tlaka tkiva po petih standardnih pranjih ohranil 81,3 % prvotnega vhodnega signala, kar kaže na vzdržljivost senzorja tlaka.
Poleg tega so vrednosti občutljivosti, ki so ocenjevale rezultate napetosti in toka za pletenje rebrastega reza 1/1, 2/2 in 3/3, pokazale visoko občutljivost na napetost 83 in 36 mV/N na tlak rebrastega reza 2/2 in 3/3. 3 senzorji votka so pokazali 245 % oziroma 50 % večjo občutljivost za te senzorje tlaka v primerjavi s senzorjem tlaka votka 1/1 z 24 mV/N.
Riža. 3. Razširjena uporaba senzorja tlaka v celoti iz blaga. a Primer senzorja tlaka v vložku, izdelanega iz 2/2 votkovne rebraste tkanine, vstavljenega pod dve krožni elektrodi za zaznavanje gibanja sprednjega dela stopala (tik pod prsti) in pete. b Shematski prikaz vsake faze posameznih korakov v procesu hoje: pristanek pete, ozemljitev, stik s prsti in dvig noge. c Izhodni napetostni signali kot odziv na vsak del koraka hoje za analizo hoje in d Ojačani električni signali, povezani z vsako fazo hoje. e Shematski prikaz senzorja tlaka v celoti iz tkiva z nizom do 12 pravokotnih slikovnih celic s prevodnimi linijami, oblikovanimi za zaznavanje posameznih signalov iz vsake slikovne pike. f 3D-zemljevid električnega signala, ki nastane s pritiskom prsta na vsako slikovno piko. g Električni signal se zazna samo v slikovni piki, na katero je pritisnjen prst, v drugih slikovnih pikah pa se ne ustvari stranski signal, kar potrjuje, da ni presluha. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Skratka, ta študija prikazuje zelo občutljiv in nosljiv senzor tlaka tkiva, ki vključuje piezoelektrične filamente iz PVDF nanovlaken. Proizvedeni senzorji tlaka imajo širok razpon vhodnih sil od 0,02 do 694 Newtonov.
Na enem prototipnem električnem predilnem stroju je bilo uporabljenih petdeset šob, neprekinjena podloga iz nanovlaken pa je bila izdelana z uporabo šaržnega transporterja na osnovi bakrenih palic. Pri občasnem stiskanju je izdelana tkanina z 2/2 votkovnim robom pokazala občutljivost 83 mV/N, kar je približno 245 % več kot tkanina z 1/1 votkovnim robom.
Predlagani senzorji tlaka iz tkanine spremljajo električne signale tako, da jih izpostavljajo fiziološkim gibom, vključno z zvijanjem, upogibanjem, stiskanjem, tekom in hojo. Poleg tega so ti merilniki tlaka v tkaninah primerljivi s konvencionalnimi tkaninami glede vzdržljivosti, saj ohranijo približno 81,3 % prvotne nosilnosti tudi po 5 standardnih pranjih. Poleg tega je izdelani senzor tkiva učinkovit v zdravstvenem sistemu, saj ustvarja električne signale na podlagi neprekinjenih segmentov hoje osebe.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR in sod. (2022). Piezoelektrični senzor tlaka v tkanini na osnovi elektrospredenih nanovlaken poliviniliden fluorida s 50 šobami, odvisno od vzorca tkanja. Fleksibilna elektronika npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
Izjava o omejitvi odgovornosti: Mnenja, izražena tukaj, so stališča avtorja v njegovem osebnem imenu in ne odražajo nujno stališč družbe AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, lastnika in upravljavca tega spletnega mesta. Ta izjava o omejitvi odgovornosti je del pogojev uporabe tega spletnega mesta.
Bhavna Kaveti je znanstvena pisateljica iz Hyderabada v Indiji. Magistrirala je in doktorirala iz organske in medicinske kemije na Tehnološkem inštitutu Vellore v Indiji. Diplomirala je iz organske in medicinske kemije na Univerzi v Guanajuatu v Mehiki. Njeno raziskovalno delo je povezano z razvojem in sintezo bioaktivnih molekul na osnovi heterociklov, ima pa izkušnje z večstopenjsko in večkomponentno sintezo. Med doktorskim raziskovanjem se je ukvarjala s sintezo različnih vezanih in kondenziranih peptidomimetičnih molekul na osnovi heterociklov, za katere se pričakuje, da imajo potencial za nadaljnjo funkcionalizacijo biološke aktivnosti. Med pisanjem disertacij in raziskovalnih člankov je raziskovala svojo strast do znanstvenega pisanja in komunikacije.
Cavity, Buffner. (11. avgust 2022). Senzor tlaka v celoti iz tkanine, zasnovan za nosljivo spremljanje zdravja. AZonano. Pridobljeno 21. oktobra 2022 s https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. »Senzor tlaka v celotnem tkivu, zasnovan za nosljivo spremljanje zdravja«. AZonano.21. oktober 2022.21. oktober 2022.
Cavity, Buffner. »Senzor tlaka v vseh tkivih, zasnovan za nosljivo spremljanje zdravja«. AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (Od 21. oktobra 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Senzor tlaka iz blaga, zasnovan za nosljivo spremljanje zdravja. AZoNano, dostopano 21. oktobra 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
V tem intervjuju se AZoNano pogovarja s profesorjem Andréjem Nelom o inovativni študiji, v kateri sodeluje in ki opisuje razvoj nanonosilcev v obliki "steklenega mehurčka", ki lahko pomagajo zdravilom vstopiti v celice raka trebušne slinavke.
V tem intervjuju se AZoNano pogovarja s King Kongom Leejem z Univerze v Kaliforniji, Berkeley, o svoji tehnologiji, optični pinceti, za katero je prejel Nobelovo nagrado.
V tem intervjuju se s SkyWater Technology pogovarjamo o stanju polprevodniške industrije, o tem, kako nanotehnologija pomaga oblikovati industrijo, in o njihovem novem partnerstvu.
Inoveno PE-550 je najbolje prodajan stroj za elektrospredenje/pršenje za neprekinjeno proizvodnjo nanovlaken.
Filmetrics R54 Napredno orodje za kartiranje upornosti plošč za polprevodniške in kompozitne rezine.
Čas objave: 21. oktober 2022