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Los sensores de presión portátiles pueden ayudar a monitorear la salud humana y realizar la interacción hombre-máquina. Se están realizando continuos esfuerzos para lograr sensores de presión con versatilidad en las estructuras del dispositivo y alta sensibilidad bajo el estímulo mecánico.
Estudio: Sensores de presión piezoeléctricos dependientes del patrón de tejido basados en nanofibras de fluoruro de polivinilideno electrohiladas con 50 boquillas. Crédito: Africa Studio/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista npj Electrónica flexible informó sobre la fabricación de sensores de presión piezoeléctricos a partir de telas utilizando hilos de urdimbre de tereftalato de polietileno (PET) e hilos de trama de poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF). El rendimiento de detección de presión basado en patrones tejidos de los sensores de presión desarrollados se demostró utilizando una escala de tela de aproximadamente 2 metros.
Los resultados mostraron que los sensores de presión optimizados con un patrón de costilla de trama de 2/2 tenían una sensibilidad un 245 % mayor que con un patrón de 1/1. Además, se aplicaron varias fuentes de entrada, como doblar, presionar, aplastar, torcer y varios movimientos humanos para evaluar el rendimiento del tejido optimizado. En este trabajo, los sensores de presión basados en tejidos con unidades de píxeles táctiles dispuestos demostraron un rendimiento de detección estable con alta sensibilidad.
Figura 1. Producción de hilos de PVDF y tejidos polivalentes. a Esquema del proceso de electrohilado de 50 chorros para producir una estera de nanofibras de PVDF alineada con las varillas de Cu colocadas en paralelo en el transportador, con los pasos para producir tres estructuras tejidas a partir de hilos de cuatro capas hechos de un solo filamento. b Imagen SEM de las fibras de PVDF tal como están alineadas con la distribución del diámetro de la fibra. C Imagen SEM de un hilo cuádruple. es decir Resistencia a la tracción y alargamiento a la rotura del hilo cuádruple en función del grado de torsión. mi Patrón XRD del hilo de cuatro capas que indica la presencia de fases α y β. © Kim DB, Han J, Sung SM, Kim MS, Choi BK, Park SJ, Hong HR et al. (2022)
Sensores de presión piezoeléctricos
El rápido crecimiento de los robots inteligentes y los dispositivos electrónicos portátiles ha dado lugar a varios dispositivos novedosos basados en sensores de presión flexibles con un desarrollo de alta velocidad para sus aplicaciones electrónicas, industriales y sanitarias.
La piezoelectricidad es la carga generada a través de materiales sometidos a tensión mecánica. La piezoelectricidad en materiales asimétricos permite una relación lineal y reversible entre la tensión mecánica y la carga eléctrica. Entonces, cuando una pieza de material piezoeléctrico sufre una deformación física, se crea la carga eléctrica y viceversa.
Los dispositivos piezoeléctricos pueden utilizar una fuente mecánica gratuita y ofrecer una alternativa energética de bajo consumo para los componentes electrónicos. El tipo de materiales y la estructura del dispositivo son parámetros críticos en la fabricación de dispositivos sensores basados en acoplamiento electromecánico. Además de los materiales inorgánicos altamente piezoeléctricos, también se han investigado materiales orgánicos con flexibilidad mecánica en dispositivos portátiles.
Los polímeros, en forma de nanofibras electrohiladas, se utilizan a gran escala como recolectores de energía piezoeléctrica. Las nanofibras de polímeros piezoeléctricos ayudan a crear una estructura de dispositivo basada en tela para aplicaciones portátiles que garantizan la generación de energía electromecánica basada en la resistencia mecánica en diversos entornos.
Para este propósito, los polímeros piezoeléctricos, incluido el PVDF y sus derivados, están ampliamente disponibles y exhiben una fuerte piezoelectricidad. Estas fibras de PVDF se fabricaron estirando y retorciendo hilos para aplicaciones piezoeléctricas, incluidos sensores y generadores.
Figura 2. Tejidos a gran escala y sus propiedades físicas. a Fotografía de la tela a gran escala en el patrón de canalé de trama 2/2, que alcanza un tamaño de 195 cm × 50 cm. b Imagen SEM de un patrón de costillas de trama de 2/2 que consiste en el cruce alterno de un hilo de trama de PVDF con dos hilos de urdimbre de PET. C Módulo y alargamiento a la rotura de varias telas con patrones de costilla de trama de 1/1, 2/2 y 3/3. es decir Ángulos de suspensión medidos para las telas. © Kim DB, Han J, Sung SM, Kim MS, Choi BK, Park SJ, Hong HR et al. (2022)
Sensores de presión piezoeléctricos dependientes del patrón de tejido para tejidos
En el presente trabajo, se construyó un generador de tejido a base de hilo de nanofibras de PVDF en un proceso de electrohilado secuencial de 50 boquillas, con el uso de 50 boquillas que ayudaron a producir una estera de nanofibras utilizando un transportador con una correa giratoria. Se crearon varias estructuras de tejido utilizando hilos de PET, incluidos patrones de costilla de trama 1/1 (simple), 2/2 y 3/3.
Trabajos anteriores reportaron el uso de cobre para la alineación de fibra en forma de alambres de cobre dispuestos en un tambor de colectores de fibra. Sin embargo, el presente trabajo involucra varillas de cobre paralelas alineadas en el transportador con una separación de 1,5 centímetros, lo que ayudó a alinear las fibras hiladas en función de las interacciones electrostáticas entre la fibra cargada entrante y la carga en la superficie de la fibra unida al cobre.
A diferencia de los sensores piezorresistivos o capacitivos informados anteriormente, los sensores de presión de tela propuestos en el presente trabajo reaccionaron a una amplia gama de fuerzas de entrada de 0,02 a 694 Newtons. Además, los sensores de presión textiles propuestos retuvieron el 81,3 % de la entrada inicial después de cinco lavados estándar, lo que indica la durabilidad de los sensores de presión.
Además, la evaluación de los valores de sensibilidad para los resultados de voltaje y corriente de los patrones de costillas de trama tejidas de 1/1, 2/2 y 3/3 reveló una sensibilidad de alto voltaje de 83 y 36 milivoltios por Newton para 2/2 y Sensores de presión de nervadura de 3/3 disparos, que confirman una sensibilidad mejorada del 245 % y 50 % de estos sensores de presión, respectivamente, en comparación con los 24 milivoltios por newton de los sensores de presión de nervadura de 1/1 disparo.
figura 3 Aplicaciones avanzadas de sensores de presión de todo tipo de tela. a Ejemplo de un sensor de presión de la plantilla de un zapato fabricado con tejido acanalado de trama 2/2 insertado bajo dos electrodos circulares para detectar los movimientos de la parte delantera (justo debajo de los dedos) y del talón. b Representaciones esquemáticas de cada etapa de un solo paso al caminar: contacto con el talón, apoyo, contacto con los dedos del pie y elevación de la pierna. C Salida de señales de voltaje en respuesta a cada parte de un paso para caminar para el análisis de la marcha y es decir las señales eléctricas aumentadas se correlacionaron con cada paso en un paso. mi Esquema de sensores de presión totalmente de tela con una matriz de hasta 12 unidades de píxeles en forma de caja numeradas, con trazas conductoras modeladas para capturar una señal separada de cada píxel. F Gráficos tridimensionales de señales eléctricas generadas por la presión de los dedos en cada píxel. GRAMO Las señales eléctricas se detectan solo en el píxel presionado con el dedo sin generar señales laterales en otros píxeles, lo que confirma que no hay diafonía. © Kim DB, Han J, Sung SM, Kim MS, Choi BK, Park SJ, Hong HR et al. (2022)
Conclusión
En resumen, en este estudio se demostraron sensores de presión basados en tejidos altamente sensibles y portátiles que utilizan hilo piezoeléctrico de nanofibras de PVDF. Los sensores de presión producidos tenían una amplia gama de fuerzas de entrada de 0,02 a 694 Newtons.
Se utilizaron cincuenta boquillas en un solo prototipo de electrospinner y se produjo una estera continua de nanofibras con un transportador intermitente basado en varillas de cobre. Bajo compresión periódica, la tela producida con un patrón de nervios de trama de 2/2 exhibió una sensibilidad de 83 milivoltios por Newton, que era aproximadamente un 245% mayor que el caso con nervios de trama de 1/1.
Los sensores de presión de tejido completo propuestos se monitorearon en busca de señales eléctricas al someterlos a movimientos fisiológicos, que incluyen torcerse, doblarse, crujir, correr y caminar. Además, estos sensores de presión de la tela eran comparables a la tela normal en términos de durabilidad, conservando aproximadamente el 81,3 % del rendimiento inicial incluso después de cinco lavados estándar. Además, el sensor de tejido fabricado resultó eficaz en los sistemas sanitarios para generar señales eléctricas basadas en segmentos secuenciales de la marcha humana.
Relación
Kim DB, Han J, Sung SM, Kim MS, Choi BK, Park SJ, Hong HR et al. (2022). Sensores de presión piezoeléctricos dependientes del patrón de tejido basados en nanofibras de fluoruro de polivinilideno electrohiladas con 50 boquillas. npj Electrónica flexible. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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