Мы используем файлы cookie для улучшения вашего опыта. Продолжая просмотр этого сайта, вы соглашаетесь на использование нами файлов cookie. Дополнительная информация.
Носимые датчики давления могут помочь контролировать здоровье человека и реализовать взаимодействие человека с компьютером. Ведутся работы по созданию датчиков давления с универсальной конструкцией и высокой чувствительностью к механическим воздействиям.
Исследование: текстильный пьезоэлектрический датчик давления, зависящий от плетения ткани, на основе электропрядильных поливинилиденфторидных нановолокон с 50 соплами. Изображение предоставлено: African Studio/Shutterstock.com
В статье, опубликованной в журнале npj Flexible Electronics, сообщается о создании пьезоэлектрических датчиков давления для тканей с использованием полиэтилентерефталатных (ПЭТ) нитей основы и поливинилиденфторидных (ПВДФ) нитей утка. Характеристики разработанного датчика давления при измерении давления на основе структуры переплетения продемонстрированы на ткани размером около 2 метров.
Результаты показывают, что чувствительность датчика давления, оптимизированного с использованием конструкции «утка» 2/2, на 245% выше, чем у конструкции «утка» 1/1. Кроме того, для оценки характеристик оптимизированных тканей использовались различные входные данные, включая сгибание, сжатие, сминание, скручивание и различные движения человека. В данной работе датчик давления на основе ткани с пиксельной матрицей демонстрирует стабильные характеристики восприятия и высокую чувствительность.
Рис. 1. Приготовление нитей ПВДФ и многофункциональных тканей. а. Схема процесса электропрядения с 50 соплами, используемого для производства выровненных матов из нановолокон ПВДФ, где медные стержни размещаются параллельно на конвейерной ленте, а этапы включают в себя приготовление трех плетеных структур из четырехслойных моноволокон. б. Изображение СЭМ и распределение диаметров выровненных волокон ПВДФ. в. Изображение СЭМ четырехслойной пряжи. г. Прочность на разрыв и деформация при разрыве четырехслойной пряжи в зависимости от крутки. д. Рентгеновская дифракционная картина четырехслойной пряжи, показывающая наличие альфа- и бета-фаз. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Стремительное развитие интеллектуальных роботов и носимых электронных устройств привело к появлению множества новых устройств на основе гибких датчиков давления, а их применение в электронике, промышленности и медицине стремительно развивается.
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, генерируемый материалом, подвергающимся механическому напряжению. Пьезоэлектричество в асимметричных материалах обеспечивает линейную обратимую зависимость между механическим напряжением и электрическим зарядом. Следовательно, при физической деформации пьезоэлектрического материала возникает электрический заряд, и наоборот.
Пьезоэлектрические устройства могут использовать свободный механический источник питания для обеспечения альтернативного источника питания для электронных компонентов с низким энергопотреблением. Тип материала и структура устройства являются ключевыми параметрами для производства сенсорных устройств на основе электромеханической связи. Помимо высоковольтных неорганических материалов, в носимых устройствах также исследуются механически гибкие органические материалы.
Полимеры, переработанные в нановолокна методом электропрядения, широко используются в качестве пьезоэлектрических накопителей энергии. Пьезоэлектрические полимерные нановолокна облегчают создание тканевых конструкций для носимых устройств, обеспечивая электромеханическую генерацию энергии, основанную на механической упругости в различных средах.
Для этой цели широко используются пьезоэлектрические полимеры, включая ПВДФ и его производные, обладающие сильным пьезоэлектрическим эффектом. Волокна ПВДФ вытягиваются и прядутся в ткани для пьезоэлектрических применений, включая датчики и генераторы.
Рисунок 2. Ткани большой площади и их физические свойства. Фотография большого узора с ребром 2/2 утка размером до 195 см x 50 см. b Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, узора 2/2 утка, состоящего из одного утка из ПВДФ, перемежающегося с двумя основаниями из ПЭТ. c Модуль упругости и деформация при разрыве различных тканей с ребрами 1/1, 2/2 и 3/3 утка. d — угол нависания, измеренный для ткани. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
В настоящей работе генераторы ткани на основе нитей ПВДФ-нановолокон созданы с использованием последовательного процесса электропрядения с 50 струями, где использование 50 сопел обеспечивает производство нановолокнистых матов с использованием вращающегося ленточного конвейера. С использованием ПЭТ-нити созданы различные структуры переплетения, включая 1/1 (гладкое), 2/2 и 3/3 уточные рубчики.
В предыдущих исследованиях сообщалось об использовании меди для выравнивания волокон в виде выровненных медных проволок на барабанах для сбора волокон. Однако в текущей работе используются параллельные медные стержни, расположенные на расстоянии 1,5 см друг от друга на конвейерной ленте, что способствует выравниванию фильер за счёт электростатического взаимодействия между поступающими заряженными волокнами и зарядами на поверхности волокон, прикреплённых к медному волокну.
В отличие от ранее описанных емкостных или пьезорезистивных датчиков, предлагаемый в данной статье датчик давления ткани реагирует на широкий диапазон прикладываемых усилий от 0,02 до 694 ньютонов. Кроме того, предлагаемый датчик давления ткани сохранил 81,3% исходного значения после пяти стандартных стирок, что свидетельствует о его долговечности.
Кроме того, значения чувствительности, оценивающие результаты напряжения и тока для вязания ребра 1/1, 2/2 и 3/3, показали высокую чувствительность напряжения 83 и 36 мВ/Н к давлению ребра 2/2 и 3/3. Датчики 3 утка продемонстрировали чувствительность на 245% и 50% выше для этих датчиков давления соответственно по сравнению с датчиком давления утка 1/1 с показателем 24 мВ/Н.
Рис. 3. Расширенное применение датчика давления на всю ткань. a Пример датчика давления стельки, изготовленного из ребристой ткани с поперечным плетением 2/2, вставленного под два круглых электрода для определения движения передней части стопы (сразу под пальцами) и пятки. b Схематическое изображение каждого этапа отдельных шагов в процессе ходьбы: приземление на пятку, заземление, контакт носка и подъем ноги. c Выходные сигналы напряжения в ответ на каждую часть шага походки для анализа походки и d Усиленные электрические сигналы, связанные с каждой фазой походки. e Схема датчика давления на всю ткань с массивом до 12 прямоугольных пиксельных ячеек с проводящими линиями, выполненными с возможностью обнаружения отдельных сигналов от каждого пикселя. f Трехмерная карта электрического сигнала, генерируемого при нажатии пальцем на каждый пиксель. g Электрический сигнал обнаруживается только в пикселе, на который нажал палец, и никакой побочный сигнал не генерируется в других пикселях, что подтверждает отсутствие перекрестных помех. © Ким, Д.Б., Хан, Дж., Сун, СМ., Ким, М.С., Чой, Б.К., Пак, С.Дж., Хонг, Х.Р. и др. (2022)
В заключение отметим, что данное исследование демонстрирует высокочувствительный и носимый датчик давления ткани, включающий пьезоэлектрические нити из нановолокон ПВДФ. Изготовленные датчики давления имеют широкий диапазон входного усилия от 0,02 до 694 ньютонов.
На одном прототипе электрической прядильной машины использовалось 50 сопел, а непрерывный мат из нановолокон был изготовлен с помощью конвейера периодического действия на основе медных прутков. При прерывистом сжатии изготовленная ткань с подгибом 2/2 показала чувствительность 83 мВ/Н, что примерно на 245% выше, чем ткань с подгибом 1/1.
Предлагаемые датчики давления из цельнотканых материалов контролируют электрические сигналы, подвергая их воздействию физиологических движений, включая скручивание, изгиб, сжатие, бег и ходьбу. Кроме того, эти тканевые датчики давления сопоставимы с обычными тканями по долговечности, сохраняя примерно 81,3% от первоначального значения даже после пяти стандартных стирок. Кроме того, изготовленный тканевый датчик эффективен в системе здравоохранения, генерируя электрические сигналы на основе непрерывных отрезков ходьбы человека.
Ким, Д.Б., Хан, Дж., Сун, С.М., Ким, М.С., Чой, Б.К., Пак, С.Дж., Хонг, Х.Р. и др. (2022). Тканевый пьезоэлектрический датчик давления на основе электропрядильных поливинилиденфторидных нановолокон с 50 соплами в зависимости от рисунка плетения. Гибкая электроника npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
Отказ от ответственности: Выраженные здесь взгляды принадлежат автору и не обязательно отражают точку зрения компании AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, владельца и оператора данного веб-сайта. Данный отказ от ответственности является частью условий использования данного веб-сайта.
Бхавна Кавети — научный писатель из Хайдарабада, Индия. Она получила степени магистра и доктора наук в Технологическом институте Веллора (Индия) и степень доктора медицины в области органической и медицинской химии в Университете Гуанахуато (Мексика). Её исследовательская работа связана с разработкой и синтезом биоактивных молекул на основе гетероциклов, и у неё есть опыт многостадийного и многокомпонентного синтеза. В докторантуре она работала над синтезом различных связанных и конденсированных пептидомиметических молекул на основе гетероциклов, которые, как ожидается, обладают потенциалом для дальнейшего повышения биологической активности. Работая над диссертациями и исследовательскими работами, она нашла своё призвание в научном письме и коммуникации.
Кавити, Баффнер. (11 августа 2022 г.). Датчик давления, полностью выполненный из ткани, предназначен для носимых устройств мониторинга состояния здоровья. AZonano. Получено 21 октября 2022 г. с сайта https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Кавити, Баффнер. «Датчик давления во всех тканях, разработанный для носимых устройств мониторинга здоровья». AZonano.21 октября 2022 г.21 октября 2022 г.
Кавити, Баффнер. «Датчик давления во всех тканях, разработанный для носимых устройств для мониторинга состояния здоровья». AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (По состоянию на 21 октября 2022 г.).
Кавити, Баффнер. 2022. Датчик давления, изготовленный из цельной ткани, предназначенный для носимых устройств мониторинга состояния здоровья. AZoNano, дата обращения: 21 октября 2022 г., https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
В этом интервью AZoNano беседует с профессором Андре Нелем об инновационном исследовании, в котором он принимает участие. В исследовании описывается разработка наноносителя в виде «стеклянного пузыря», который может помочь лекарствам проникать в клетки рака поджелудочной железы.
В этом интервью AZoNano беседует с Кинг-Конгом Ли из Калифорнийского университета в Беркли о его технологии, удостоенной Нобелевской премии, — оптическом пинцете.
В этом интервью мы побеседуем с представителями SkyWater Technology о состоянии полупроводниковой промышленности, о том, как нанотехнологии помогают формировать отрасль, а также об их новом партнерстве.
Inoveno PE-550 — самая продаваемая машина электропрядения/распыления для непрерывного производства нановолокон.
Filmetrics R54 Расширенный инструмент для картирования сопротивления слоев полупроводниковых и композитных пластин.