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Los sensores de presión portátiles pueden ayudar a monitorear la salud humana y realizar la interacción humano-computadora.Se están realizando esfuerzos para crear sensores de presión con un diseño de dispositivo universal y alta sensibilidad al estrés mecánico.
Estudio: transductor de presión piezoeléctrico textil dependiente del patrón de tejido basado en nanofibras de fluoruro de polivinilideno electrohiladas con 50 boquillas.Haber de imagen: Estudio africano/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista npj Flexible Electronics informa sobre la fabricación de transductores de presión piezoeléctricos para telas utilizando hilos de urdimbre de tereftalato de polietileno (PET) e hilos de trama de fluoruro de polivinilideno (PVDF).El rendimiento del sensor de presión desarrollado en relación con la medición de 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 con el diseño de canard 2/2 es un 245 % mayor que la del diseño de canard 1/1.Además, se usaron varias entradas para evaluar el rendimiento de las telas optimizadas, incluida la flexión, la compresión, el arrugamiento, la torsión y varios movimientos humanos.En este trabajo, un sensor de presión basado en tejido con una matriz de píxeles del sensor exhibe características de percepción estables y alta sensibilidad.
Arroz.1. Elaboración de hilos de PVDF y tejidos multifuncionales.Diagrama de un proceso de electrohilado de 50 boquillas 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 a partir de filamentos de monofilamento de cuatro capas.b Imagen SEM y distribución del diámetro de las fibras de PVDF alineadas.c Imagen SEM de un hilo de cuatro cabos.d Resistencia a la tracción y deformación a la rotura de un hilo de cuatro cabos en función de la torsión.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 se somete a tensión mecánica.La piezoelectricidad en materiales asimétricos permite una relación lineal reversible entre la tensión mecánica y la carga eléctrica.Por lo tanto, cuando una pieza 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 los componentes electrónicos que consumen poca energía.El tipo de material y la estructura del dispositivo son parámetros clave para la producción de dispositivos táctiles basados ​​en acoplamiento electromecánico.Además de los materiales inorgánicos de alto voltaje, también se han explorado materiales orgánicos mecánicamente flexibles en dispositivos portátiles.
Los polímeros procesados ​​en nanofibras mediante métodos de electrohilado se utilizan ampliamente como dispositivos piezoeléctricos de almacenamiento de energía.Las nanofibras de polímeros piezoeléctricos facilitan la creación de estructuras de diseño basadas en tejidos para aplicaciones portátiles al proporcionar generación electromecánica basada en la elasticidad mecánica en una variedad de entornos.
Para este propósito, los polímeros piezoeléctricos se usan ampliamente, incluido el PVDF y sus derivados, que tienen una fuerte piezoelectricidad.Estas fibras de PVDF se estiran y se hilan en telas para aplicaciones piezoeléctricas, incluidos sensores y generadores.
Figura 2. Tejidos de gran área y sus propiedades físicas.Fotografía de un gran patrón de canalé de trama 2/2 de hasta 195 cm x 50 cm.b Imagen SEM de un patrón de trama 2/2 que consta de una trama de PVDF intercalada con dos bases de PET.c Módulo y deformación a la rotura en varios tejidos con bordes de trama de 1/1, 2/2 y 3/3.d es el ángulo de suspensión 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, se construyen generadores de telas a base de filamentos de nanofibras de PVDF mediante un proceso de electrohilado secuencial de 50 chorros, donde el uso de 50 boquillas facilita la producción de mallas de nanofibras utilizando una cinta transportadora rotatoria.Se crean varias estructuras de tejido usando hilo de PET, incluyendo costillas de trama 1/1 (liso), 2/2 y 3/3.
Trabajos anteriores informaron sobre el uso de cobre para la alineación de fibras en forma de cables de cobre alineados en tambores de recolección de fibras.Sin embargo, el trabajo actual consiste en varillas de cobre paralelas separadas 1,5 cm en una cinta transportadora para ayudar a alinear las hileras según 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 piezorresistivos o capacitivos 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 costillas de 1/1, 2/2 y 3/3 mostraron una sensibilidad de alto voltaje de 83 y 36 mV/N a una presión de costilla de 2/2 y 3/3.3 sensores de trama demostraron una sensibilidad un 245 % y un 50 % mayor para estos sensores de presión, respectivamente, en comparación con el sensor de presión de trama 1/1 de 24 mV/N.
Arroz.3. Aplicación ampliada del sensor de presión de tela completa.a Ejemplo de un sensor de presión de plantilla hecho de tela acanalada de 2/2 trama insertada debajo de dos electrodos circulares para detectar el movimiento del antepié (justo debajo de los dedos) y del talón.b Representación esquemática de cada etapa de los pasos individuales en el proceso de caminar: aterrizaje con el talón, contacto con el suelo, contacto con los dedos del pie y elevación de la pierna.c Señales de salida de voltaje en respuesta a cada parte del paso de la marcha para el análisis de la marcha y d Señales eléctricas amplificadas asociadas con cada fase de la marcha.e Esquema de un sensor de presión de tejido completo con una matriz de hasta 12 celdas de píxeles rectangulares con líneas conductoras modeladas para detectar señales individuales de cada píxel.f Un mapa 3D de la señal eléctrica generada al presionar un dedo en cada píxel.g Solo se detecta una señal eléctrica en el píxel presionado con el dedo y no se genera ninguna 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 nanofibras de PVDF.Los sensores de presión fabricados tienen una amplia gama de fuerzas de entrada de 0,02 a 694 Newtons.
Se utilizaron cincuenta boquillas en un prototipo de máquina de hilar eléctrica y se produjo una estera continua de nanofibras utilizando un transportador por lotes basado en varillas de cobre.Bajo compresión intermitente, el tejido fabricado con dobladillo de trama 2/2 mostró una sensibilidad de 83 mV/N, que es aproximadamente un 245% más alta que el tejido con dobladillo de trama 1/1.
Los sensores de presión totalmente tejidos propuestos monitorean las señales eléctricas al someterlas a movimientos fisiológicos, que incluyen torcer, doblar, apretar, correr y caminar.Además, estos manómetros de tela son comparables a las telas convencionales en términos de durabilidad, conservando aproximadamente el 81,3 % de su rendimiento original incluso después de 5 lavados estándar.Además, el sensor de tejido fabricado es eficaz en el sistema sanitario al generar señales eléctricas basadas en segmentos continuos de la marcha de una persona.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al.(2022).Sensor de presión piezoeléctrico de tejido basado en nanofibras de fluoruro de polivinilideno electrohiladas con 50 boquillas, según el patrón de tejido.Electrónica flexible npj.https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti es una escritora científica de Hyderabad, India.Tiene una maestría y un doctorado en medicina del Vellore Institute of Technology, India.en química orgánica y medicinal de la Universidad de Guanajuato, México.Su trabajo de investigación está relacionado con el desarrollo y síntesis de moléculas bioactivas basadas en heterociclos, y tiene experiencia en síntesis multipaso y multicomponente.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 y la comunicación científica.
Cavidad, Buffner.(11 de agosto de 2022).Sensor de presión de tejido completo diseñado para el control de la salud portátil.AZonano.Recuperado el 21 de octubre de 2022 de https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavidad, Buffner.“Un sensor de presión de todos los tejidos diseñado para el control de la salud portátil”.AZonano.21 de octubre de 2022 .21 de octubre de 2022 .
Cavidad, Buffner.“Un sensor de presión de todos los tejidos diseñado para el control de la salud portátil”.AZonano.https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.(Al 21 de octubre de 2022).
Cavidad, Buffner.2022. Sensor de presión totalmente de tela diseñado para el control de la salud portátil.AZoNano, consultado el 21 de octubre de 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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