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. Продолжаются работы по созданию датчиков давления с универсальной конструкцией устройства и высокой чувствительностью к механическим нагрузкам.
Исследование: текстильный пьезоэлектрический датчик давления, зависящий от плетения, на основе электропряденых поливинилиденфторидных нановолокон с 50 соплами. Кредит изображения: African Studio/Shutterstock.com
В статье, опубликованной в журнале npj Flexible Electronics, сообщается об изготовлении пьезоэлектрических датчиков давления для тканей с использованием полиэтилентерефталатных (ПЭТ) нитей основы и поливинилиденфторидных (ПВДФ) уточных нитей. Эффективность разработанного датчика давления в отношении измерения давления на основе рисунка переплетения продемонстрирована на ткани размером около 2 метров.
Результаты показывают, что чувствительность датчика давления, оптимизированного с использованием конструкции 2/2 canard, на 245% выше, чем у конструкции 1/1 canard. Кроме того, для оценки производительности оптимизированных тканей использовались различные входные данные, включая сгибание, сдавливание, сморщивание, скручивание и различные движения человека. В этой работе датчик давления на основе ткани с пиксельной матрицей датчика демонстрирует стабильные перцептивные характеристики и высокую чувствительность.
Рис. 1. Подготовка нитей ПВДФ и многофункциональных тканей. a Схема процесса электропрядения с 50 соплами, используемого для производства выровненных матов из нановолокон ПВДФ, где медные стержни размещаются параллельно на конвейерной ленте, а этапы заключаются в подготовке трех плетеных структур из четырехслойных моноволокон. b Изображение СЭМ и распределение диаметров выровненных волокон ПВДФ. c Изображение СЭМ четырехслойной пряжи. d Прочность на разрыв и деформация при разрыве четырехслойной пряжи в зависимости от крутки. e 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, и их применение в электронике, промышленности и медицине стремительно развивается.
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, генерируемый на материале, который подвергается механическому напряжению. Пьезоэлектричество в асимметричных материалах допускает линейную обратимую связь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Поэтому, когда кусок пьезоэлектрического материала физически деформируется, создается электрический заряд, и наоборот.
Пьезоэлектрические устройства могут использовать свободный механический источник для обеспечения альтернативного источника питания для электронных компонентов, потребляющих мало энергии. Тип материала и структура устройства являются ключевыми параметрами для производства сенсорных устройств на основе электромеханической связи. Помимо высоковольтных неорганических материалов, механически гибкие органические материалы также были исследованы в носимых устройствах.
Полимеры, переработанные в нановолокна методами электропрядения, широко используются в качестве пьезоэлектрических накопителей энергии. Пьезоэлектрические полимерные нановолокна облегчают создание структур дизайна на основе тканей для носимых приложений, обеспечивая электромеханическую генерацию на основе механической эластичности в различных средах.
Для этой цели широко используются пьезоэлектрические полимеры, включая ПВДФ и его производные, которые обладают сильным пьезоэлектричеством. Эти 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 рисунка утка 2/2 размером до 195 см x 50 см. b Изображение SEM рисунка утка 2/2, состоящего из одного утка PVDF, перемежающегося с двумя основаниями PET. c Модуль и деформация при разрыве в различных тканях с кромками утка 1/1, 2/2 и 3/3. 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 тканей на основе нитей нановолокон ПВДФ сконструированы с использованием последовательного 50-струйного процесса электропрядения, где использование 50 форсунок облегчает производство нановолоконных матов с использованием вращающегося ленточного конвейера. Различные структуры переплетения созданы с использованием пряжи ПЭТ, включая 1/1 (гладкая), 2/2 и 3/3 уточные ребра.
В предыдущей работе сообщалось об использовании меди для выравнивания волокон в виде выровненных медных проводов на барабанах для сбора волокон. Однако текущая работа состоит из параллельных медных стержней, расположенных на расстоянии 1,5 см друг от друга на конвейерной ленте, чтобы помочь выровнять фильеры на основе электростатических взаимодействий между входящими заряженными волокнами и зарядами на поверхности волокон, прикрепленных к медному волокну.
В отличие от ранее описанных емкостных или пьезорезистивных датчиков, датчик давления ткани, предложенный в этой статье, реагирует на широкий диапазон входных сил от 0,02 до 694 Ньютонов. Кроме того, предложенный датчик давления ткани сохранил 81,3% своего первоначального входного значения после пяти стандартных стирок, что свидетельствует о долговечности датчика давления.
Кроме того, значения чувствительности, оценивающие результаты напряжения и тока для вязания резинкой 1/1, 2/2 и 3/3, показали высокую чувствительность напряжения 83 и 36 мВ/Н к давлению резинки 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 ребристого материала 2/2 утка, вставленного под два круглых электрода для обнаружения движения передней части стопы (чуть ниже пальцев) и пятки. b Схематическое изображение каждой стадии 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 из 12 прямоугольных пиксельных ячеек с проводящими линиями, расположенными для 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 нажат палец, и в других пикселях не генерируется побочный сигнал, 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, это исследование демонстрирует высокочувствительный и носимый датчик давления ткани, включающий пьезоэлектрические нити из нановолокон PVDF. Изготовленные датчики давления имеют широкий диапазон входных сил от 0,02 до 694 Ньютонов.
На одном прототипе электрической прядильной машины было использовано пятьдесят сопел, а непрерывный мат из нановолокон был изготовлен с использованием пакетного конвейера на основе медных стержней. При прерывистом сжатии изготовленная ткань с подгибом по утку 2/2 показала чувствительность 83 мВ/Н, что примерно на 245% выше, чем ткань с подгибом по утку 1/1.
Предлагаемые датчики давления из цельной ткани контролируют электрические сигналы, подвергая их физиологическим движениям, включая скручивание, изгиб, сдавливание, бег и ходьбу. Кроме того, эти датчики давления из ткани сопоставимы с обычными тканями по долговечности, сохраняя примерно 81,3% своего первоначального выхода даже после 5 стандартных стирок. Кроме того, изготовленный датчик из ткани эффективен в системе здравоохранения, генерируя электрические сигналы на основе непрерывных сегментов ходьбы человека.
Ким, ДБ, Хан, Дж., Сунг, СМ, Ким, МС, Чой, БК, Парк, СДж, Хонг, ХР и др. (2022). Пьезоэлектрический датчик давления ткани на основе электропряденых 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: Мнения, выраженные здесь, принадлежат автору в его личном качестве и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью условий использования этого веб-сайта.
Бхавна Кавети — научный писатель из Хайдарабада, Индия. Имеет степень магистра и доктора медицины Технологического института Веллора, Индия. по органической и медицинской химии Университета Гуанахуато, Мексика. Ее исследовательская работа связана с разработкой и синтезом биоактивных молекул на основе гетероциклов, и у нее есть опыт многоэтапного и многокомпонентного синтеза. Во время своего докторского исследования она работала над синтезом различных связанных и слитых пептидомиметических молекул на основе гетероциклов, которые, как ожидается, будут иметь потенциал для дальнейшей функционализации биологической активности. Во время написания диссертаций и исследовательских работ она исследовала свою страсть к научному письму и коммуникации.
Cavity, Buffner. (11 августа 2022 г.). Датчик давления из цельной ткани, предназначенный для носимого мониторинга 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 носимого мониторинга здоровья». AZonano.21 октября 2022 г.21 октября 2022 г.
Кавити, Баффнер. «Датчик давления на все ткани, предназначенный для носимого мониторинга здоровья». AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (По состоянию на 21 октября 2022 г.).
Cavity, Buffner. 2022. Датчик давления, полностью покрытый тканью, предназначенный для носимого мониторинга 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 поговорим 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.