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Los sensores de presión portátiles pueden ayudar a monitorizar la salud humana y facilitar la interacción persona-computadora. Se está trabajando para crear sensores de presión con un diseño 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. 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 piezoeléctricos para tejidos 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 la presión basada en el patrón del 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 canard 2/2 es un 245 % superior a la del diseño canard 1/1. Además, se utilizaron diversas entradas para evaluar el rendimiento de los tejidos optimizados, incluyendo flexión, compresión, arrugamiento, torsión y diversos movimientos humanos. En este trabajo, un sensor de presión basado en tejido con una matriz de píxeles del sensor exhibe características perceptuales estables y alta sensibilidad.
Arroz. 1. Preparación de hilos de PVDF y tejidos multifuncionales. a Diagrama de un proceso de electrohilado con 50 boquillas utilizado para producir esteras alineadas de nanofibras de PVDF, donde se colocan varillas de cobre en paralelo sobre una cinta transportadora. Los pasos consisten en preparar tres estructuras trenzadas a partir de filamentos monofilamento de cuatro capas. b Imagen de SEM y distribución del diámetro de las fibras de PVDF alineadas. c Imagen de SEM de un hilo de cuatro capas. d Resistencia a la tracción y deformación a la rotura de un hilo de cuatro capas en función de la torsión. e Patrón de difracción de rayos X de un hilo de cuatro capas que muestra la presencia de las 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 la electrónica, la industria y la medicina se están desarrollando rápidamente.
La piezoelectricidad es una carga eléctrica generada en un material sometido a tensión mecánica. En materiales asimétricos, la piezoelectricidad 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 utilizar una fuente mecánica libre para proporcionar una fuente de alimentación alternativa a componentes electrónicos de bajo consumo. 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 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 tejidos para aplicaciones portátiles, al proporcionar generación electromecánica basada en la elasticidad mecánica en diversos entornos.
Para este fin, se utilizan ampliamente polímeros piezoeléctricos, como el PVDF y sus derivados, que poseen una alta piezoelectricidad. Estas fibras de PVDF se estiran e hilan para formar tejidos destinados a aplicaciones piezoeléctricas, como sensores y generadores.
Figura 2. Tejidos de gran superficie y sus propiedades físicas. Fotografía de un patrón de trama 2/2 de gran tamaño, de hasta 195 cm x 50 cm. b Imagen SEM de un patrón de trama 2/2 compuesto por una trama de PVDF intercalada con dos bases de PET. c Módulo y deformación a la rotura en varios tejidos con bordes de trama 1/1, 2/2 y 3/3. d es el ángulo de suspensión medido para el tejido. © 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 tejidos basados ​​en filamentos de nanofibras de PVDF mediante un proceso de electrohilado secuencial de 50 chorros, donde el uso de 50 boquillas facilita la producción de esteras de nanofibras mediante una cinta transportadora giratoria. Se crean diversas estructuras de tejido con hilo de PET, incluyendo tramas lisas 1/1, 2/2 y 3/3.
Trabajos previos han reportado el uso de cobre para la alineación de fibras mediante alambres de cobre alineados en tambores recolectores de fibra. Sin embargo, el trabajo actual consiste en varillas de cobre paralelas, espaciadas 1,5 cm entre sí, en una cinta transportadora para facilitar la alineación de las hileras, basándose en las interacciones electrostáticas entre las fibras cargadas entrantes y las cargas en la superficie de las fibras adheridas a la fibra de cobre.
A diferencia de los sensores capacitivos o piezoresistivos descritos previamente, el sensor de presión tisular propuesto en este artículo responde a un amplio rango de fuerzas de entrada, desde 0,02 hasta 694 Newtons. Además, el sensor de presión tisular propuesto retuvo el 81,3 % de su entrada original después de cinco lavados estándar, lo que indica su durabilidad.
Además, los valores de sensibilidad que evalúan los resultados de voltaje y corriente para el tejido de punto de costilla 1/1, 2/2 y 3/3 mostraron una alta sensibilidad de voltaje de 83 y 36 mV/N a la presión de costilla 2/2 y 3/3. 3 sensores de trama demostraron una sensibilidad 245% y 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 expandida de un sensor de presión de tela completa. a Ejemplo de un sensor de presión de plantilla hecho de tela acanalada de trama 2/2 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 del talón, contacto con el suelo, contacto con los dedos 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 diseñadas 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 y otros (2022)
En conclusión, este estudio demuestra un sensor de presión tisular portátil y altamente sensible que incorpora filamentos piezoeléctricos de nanofibras de PVDF. Los sensores de presión fabricados ofrecen un amplio rango de fuerzas de entrada, desde 0,02 hasta 694 Newtons.
Se utilizaron cincuenta boquillas en un prototipo de hilado eléctrico, y se produjo una estera continua de nanofibras mediante un transportador por lotes basado en varillas de cobre. Bajo compresión intermitente, el tejido de trama 2/2 con dobladillo fabricado mostró una sensibilidad de 83 mV/N, aproximadamente un 245 % superior a la del tejido de trama 1/1 con dobladillo.
Los sensores de presión de tejido integral propuestos monitorizan señales eléctricas al someterlos a movimientos fisiológicos, como torcerse, doblarse, apretarse, correr y caminar. Además, estos manómetros de tela son comparables a los tejidos convencionales en cuanto a durabilidad, conservando aproximadamente el 81,3 % de su rendimiento original incluso después de cinco 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 para tejidos basado en nanofibras de fluoruro de polivinilideno electrohiladas con 50 boquillas, según el patrón del 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. Obtuvo una maestría y un doctorado en medicina por el Instituto Tecnológico Vellore, India. Es licenciada en química orgánica y medicinal por la Universidad de Guanajuato, México. Su investigación se centra en el desarrollo y la síntesis de moléculas bioactivas basadas en heterociclos, y cuenta con experiencia en síntesis multietapa y multicomponente. Durante su doctorado, trabajó en la síntesis de diversas moléculas peptidomiméticas unidas y fusionadas basadas en heterociclos, que se espera tengan el potencial de funcionalizar aún más la actividad biológica. Mientras escribía tesis doctorales y artículos de investigación, exploró su pasión por la escritura y la comunicación científica.
Cavity, Buffner. (11 de agosto de 2022). Sensor de presión de tejido completo diseñado para monitorización de la salud mediante dispositivos portátiles. AZonano. Consultado el 21 de octubre de 2022 en https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. «Un sensor de presión tisular diseñado para monitorizar la salud mediante dispositivos portátiles». AZonano.21 de octubre de 2022 .21 de octubre de 2022 .
Cavity, Buffner. «Un sensor de presión de tejido completo diseñado para la monitorización de la salud mediante dispositivos portátiles». AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (Al 21 de octubre de 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Sensor de presión de tela diseñado para monitorización de la salud mediante dispositivos portátiles. AZoNano, consultado el 21 de octubre de 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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