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Los sensores de presión portátiles pueden ayudar a monitorear la salud humana y realizar la interacción humana-computadora. Los esfuerzos están en curso para crear sensores de presión con un diseño de dispositivo universal y alta sensibilidad al estrés mecánico.
Estudio: transductor de presión piezoeléctrica textil dependiente del patrón de tejido basado en nanofibras de fluoruro de polivinilideno electrohilado con 50 boquillas. Crédito de la imagen: African Studio/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista NPJ Flexible Electronics informa sobre la fabricación de transductores de presión piezoeléctrica para telas que utilizan hilos de urdimbre de tereftalato de polietileno (PET) e hilados de trama de fluoruro de polivinilideno (PVDF). El rendimiento del sensor de presión desarrollado en relación con la medición de la presión basada en el patrón de tejido se demuestra en una escala de tela de aproximadamente 2 metros.
Los resultados muestran que la sensibilidad de un sensor de presión optimizado utilizando el diseño de Canard 2/2 es 245% más alta que la del diseño de 1/1 Canard. Además, se utilizaron varias entradas para evaluar el rendimiento de las telas optimizadas, que incluyen flexión, exprimción, arrugas, torceduras y diversos movimientos humanos. En este trabajo, un sensor de presión basado en el tejido con una matriz de píxeles del sensor exhibe características perceptivas estables y alta sensibilidad.
Arroz. 1. Preparación de hilos de PVDF y telas multifuncionales. Un diagrama de un proceso de electrohille de 50 nozillas utilizado para producir esteras alineadas de nanofibras de PVDF, donde las varillas de cobre se colocan en paralelo en una cinta transportadora, y los pasos son preparar tres estructuras trenzadas de los filamentos monofilamentados de cuatro capas. B SEM Imagen y distribución de diámetro de fibras PVDF alineadas. C SEM Imagen de un hilo de cuatro capas. D resistencia a la tracción y tensión en la ruptura de un hilo de cuatro capas en función del giro. E Patrón de difracción de rayos X de un hilo de cuatro capas que muestra la presencia de fases alfa y beta. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
El rápido desarrollo de robots inteligentes y dispositivos electrónicos portátiles ha dado lugar a muchos dispositivos nuevos basados ​​en sensores de presión flexibles, y sus aplicaciones en electrónica, industria y medicina se están desarrollando rápidamente.
La piezoelectricidad es una carga eléctrica generada en un material que está sujeto a estrés mecánico. La piezoelectricidad en materiales asimétricos permite una relación reversible lineal entre el estrés mecánico y la carga eléctrica. Por lo tanto, cuando un trozo de material piezoeléctrico se deforma físicamente, se crea una carga eléctrica y viceversa.
Los dispositivos piezoeléctricos pueden usar una fuente mecánica gratuita para proporcionar una fuente de energía alternativa para componentes electrónicos que consumen poca potencia. El tipo de material y estructura del dispositivo son parámetros clave para la producción de dispositivos táctiles basados ​​en el acoplamiento electromecánico. Además de los materiales inorgánicos de alto voltaje, los materiales orgánicos mecánicamente flexibles también se han explorado en dispositivos portátiles.
Los polímeros procesados ​​en nanofibras mediante métodos de electrohilado se utilizan ampliamente como dispositivos de almacenamiento de energía piezoeléctrica. Las nanofibras de polímeros piezoeléctricos facilitan la creación de estructuras de diseño basadas en telas para aplicaciones portátiles al proporcionar una generación electromecánica basada en la elasticidad mecánica en una variedad de entornos.
Para este propósito, los polímeros piezoeléctricos se usan ampliamente, incluidos PVDF y sus derivados, que tienen una fuerte piezoelectricidad. Estas fibras de PVDF se dibujan y giran en telas para aplicaciones piezoeléctricas, incluidos sensores y generadores.
Figura 2. Tejidos de área grande y sus propiedades físicas. Fotografía de un gran patrón de costilla de 2/2 hasta 195 cm x 50 cm. B SEM Imagen de un patrón de trama 2/2 que consiste en una trama de PVDF entrelazada con dos bases de mascotas. C módulo y tensión en la ruptura en varias telas con bordes de trama 1/1, 2/2 y 3/3. D es el ángulo colgante medido para la tela. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
En el presente trabajo, los generadores de tela basados ​​en filamentos de nanofibra de PVDF se construyen utilizando un proceso secuencial de electrohilado de 50 jetos, donde el uso de 50 boquillas facilita la producción de esteras de nanofibra utilizando una cinta transportadora de cinta giratoria. Varias estructuras de tejido se crean usando hilo de mascotas, incluidas las costillas de trama 1/1 (lisas), 2/2 y 3/3.
El trabajo previo ha informado el uso de cobre para la alineación de fibra en forma de cables de cobre alineados en los tambores de recolección de fibra. Sin embargo, el trabajo actual consiste en varillas de cobre paralelas espaciadas a 1,5 cm de distancia en una cinta transportadora para ayudar a alinear los spinnerets en función de las interacciones electrostáticas entre las fibras cargadas entrantes y las cargas en la superficie de las fibras unidas a la fibra de cobre.
A diferencia de los sensores capacitivos o piezoresistivos descritos anteriormente, el sensor de presión tisular propuesto en este documento responde a una amplia gama de fuerzas de entrada de 0.02 a 694 Newtons. Además, el sensor de presión de tela propuesto retuvo el 81.3% de su entrada original después de cinco lavados estándar, lo que indica la durabilidad del sensor de presión.
Además, los valores de sensibilidad que evalúan los resultados de voltaje y corriente para el tejido de costilla 1/1, 2/2 y 3/3 mostraron una sensibilidad de alta tensión de 83 y 36 mV/N a la presión de costilla 2/2 y 3/3. 3 sensores de trama demostraron un 245% y un 50% de sensibilidad mayor para estos sensores de presión, respectivamente, en comparación con el sensor de presión de trama de 24 mV/N 1/1.
Arroz. 3. Aplicación ampliada del sensor de presión de ropa completa. Un ejemplo de un sensor de presión de plantilla hecho de tela acanalada 2/2 de trama insertada bajo dos electrodos circulares para detectar el antepié (justo debajo de los dedos de los pies) y el movimiento del talón. B Representación esquemática de cada etapa de los pasos individuales en el proceso de caminar: aterrizaje del talón, conexión a tierra, contacto con los pies y elevación de piernas. c Señales de salida de voltaje en respuesta a cada parte del paso de la marcha para el análisis de la marcha y las señales eléctricas amplificadas D asociadas con cada fase de la marcha. E esquema de un sensor de presión de tejido completo con una serie de hasta 12 células de píxeles rectangulares con líneas conductoras estampadas para detectar señales individuales de cada píxel. F Un mapa 3D de la señal eléctrica generada presionando un dedo en cada píxel. G Una señal eléctrica solo se detecta en el píxel prensado con los dedos, y no se genera señal lateral en otros píxeles, lo que confirma que no hay diafonía. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
En conclusión, este estudio demuestra un sensor de presión tisular altamente sensible y portátil que incorpora filamentos piezoeléctricos de nanofibra PVDF. Los sensores de presión fabricados tienen una amplia gama de fuerzas de entrada de 0.02 a 694 Newtons.
Se usaron cincuenta boquillas en un prototipo de máquina de hilado eléctrico, y se produjo una alfombra continua de nanofibras utilizando un transportador de lotes basado en varillas de cobre. Bajo compresión intermitente, la tela de dobladillo de trama 2/2 fabricada mostró una sensibilidad de 83 mV/N, que es aproximadamente 245% más alta que la tela de dobladillo 1/1.
Los sensores de presión todos tejidos propuestos monitorean las señales eléctricas al someterlas a movimientos fisiológicos, que incluyen torsión, flexión, apretación, carrera y caminata. Además, estos medidores de presión de tela son comparables a las telas convencionales en términos de durabilidad, reteniendo aproximadamente el 81.3% de su rendimiento original incluso después de 5 lavados estándar. Además, el sensor de tejido fabricado es efectivo en el sistema de salud al generar señales eléctricas basadas en segmentos continuos de la caminata de una persona.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al. (2022). Sensor de presión piezoeléctrica de tela basado en nanofibras de fluoruro de polivinilideno electrohilado con 50 boquillas, dependiendo del patrón de tejido. Electrónica flexible NPJ. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti es escritor científico de Hyderabad, India. Ella posee MSC y MD del Instituto Vellore de Tecnología, India. en química orgánica y medicinal de la Universidad de Guanajuato, México. Su trabajo de investigación está relacionado con el desarrollo y la síntesis de moléculas bioactivas basadas en heterociclos, y tiene experiencia en síntesis de múltiples pasos y múltiples componentes. Durante su investigación doctoral, trabajó en la síntesis de varias moléculas peptidomiméticas unidas y fusionadas basadas en heterociclos que se espera que tengan el potencial de funcionalizar aún más la actividad biológica. Mientras escribía disertaciones y trabajos de investigación, exploró su pasión por la escritura científica y la comunicación.
Cavidad, Buffner. (11 de agosto de 2022). Sensor de presión de tela completo diseñado para monitoreo de salud portátil. Azonano. Consultado el 21 de octubre de 2022 de https://www.azonano.com/news.aspx?newsid=39544.
Cavidad, Buffner. "Un sensor de presión de todo el tejido diseñado para el monitoreo de la salud portátil". Azonano.21 de octubre de 2022.21 de octubre de 2022.
Cavidad, Buffner. "Un sensor de presión de todo el tejido diseñado para el monitoreo de la salud portátil". Azonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsid=39544. (A partir del 21 de octubre de 2022).
Cavidad, Buffner. 2022. Sensor de presión de toda la tela diseñado para monitoreo de salud portátil. Azonano, consultado el 21 de octubre de 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsid=39544.
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