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Les capteurs de pression portables peuvent aider à surveiller la santé humaine et à réaliser une interaction homme-ordinateur.Des efforts sont en cours pour créer des capteurs de pression avec une conception de dispositif universelle et une sensibilité élevée aux contraintes mécaniques.
Étude : Transducteur de pression piézoélectrique textile dépendant du motif de tissage basé sur des nanofibres de fluorure de polyvinylidène électrofilées avec 50 buses.Crédit d'image : Studio africain/Shutterstock.com
Un article publié dans la revue npj Flexible Electronics rend compte de la fabrication de transducteurs de pression piézoélectriques pour tissus utilisant des fils de chaîne en polyéthylène téréphtalate (PET) et des fils de trame en polyfluorure de vinylidène (PVDF).La performance du capteur de pression développé par rapport à la mesure de pression basée sur le motif de tissage est démontrée sur une échelle de tissu d'environ 2 mètres.
Les résultats montrent que la sensibilité d'un capteur de pression optimisé à l'aide de la conception canard 2/2 est supérieure de 245 % à celle de la conception canard 1/1.De plus, diverses entrées ont été utilisées pour évaluer les performances des tissus optimisés, y compris la flexion, la compression, le froissement, la torsion et divers mouvements humains.Dans ce travail, un capteur de pression à base de tissu avec un réseau de pixels de capteur présente des caractéristiques de perception stables et une sensibilité élevée.
Riz.1. Préparation de fils PVDF et de tissus multifonctionnels.un schéma d'un processus d'électrofilage à 50 buses utilisé pour produire des tapis alignés de nanofibres de PVDF, où des tiges de cuivre sont placées en parallèle sur une bande transporteuse, et les étapes consistent à préparer trois structures tressées à partir de filaments monofilaments à quatre couches.b Image MEB et distribution des diamètres des fibres PVDF alignées.c Image MEB d'un fil à quatre brins.d Résistance à la traction et déformation à la rupture d'un fil à quatre brins en fonction de la torsion.e Diagramme de diffraction des rayons X d'un fil à quatre brins montrant la présence de phases alpha et bêta.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
Le développement rapide des robots intelligents et des appareils électroniques portables a donné naissance à de nombreux nouveaux appareils basés sur des capteurs de pression flexibles, et leurs applications dans l'électronique, l'industrie et la médecine se développent rapidement.
La piézoélectricité est une charge électrique générée sur un matériau soumis à une contrainte mécanique.La piézoélectricité dans les matériaux asymétriques permet une relation réversible linéaire entre la contrainte mécanique et la charge électrique.Par conséquent, lorsqu'un morceau de matériau piézoélectrique est physiquement déformé, une charge électrique est créée, et vice versa.
Les dispositifs piézoélectriques peuvent utiliser une source mécanique libre pour fournir une source d'alimentation alternative pour les composants électroniques qui consomment peu d'énergie.Le type de matériau et la structure du dispositif sont des paramètres clés pour la réalisation de dispositifs tactiles basés sur le couplage électromécanique.En plus des matériaux inorganiques à haute tension, des matériaux organiques mécaniquement flexibles ont également été explorés dans des dispositifs portables.
Les polymères transformés en nanofibres par des méthodes d'électrofilage sont largement utilisés comme dispositifs de stockage d'énergie piézoélectrique.Les nanofibres polymères piézoélectriques facilitent la création de structures de conception à base de tissu pour des applications portables en fournissant une génération électromécanique basée sur l'élasticité mécanique dans une variété d'environnements.
A cet effet, les polymères piézoélectriques sont largement utilisés, notamment le PVDF et ses dérivés, qui présentent une forte piézoélectricité.Ces fibres PVDF sont étirées et filées en tissus pour des applications piézoélectriques, notamment des capteurs et des générateurs.
Figure 2. Tissus de grande surface et leurs propriétés physiques.Photographie d'un grand motif côtes 2/2 trame jusqu'à 195 cm x 50 cm.b Image MEB d'un motif de trame 2/2 composé d'une trame PVDF entrelacée avec deux bases PET.c Module et déformation à la rupture dans divers tissus avec des bords de trame 1/1, 2/2 et 3/3.d est l'angle de suspension mesuré pour le tissu.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
Dans le présent travail, des générateurs de tissu à base de filaments de nanofibres PVDF sont construits à l'aide d'un processus d'électrofilage séquentiel à 50 jets, où l'utilisation de 50 buses facilite la production de tapis de nanofibres à l'aide d'une bande transporteuse à courroie rotative.Diverses structures de tissage sont créées à l'aide de fil PET, y compris des nervures de trame 1/1 (uni), 2/2 et 3/3.
Des travaux antérieurs ont signalé l'utilisation de cuivre pour l'alignement des fibres sous la forme de fils de cuivre alignés sur des tambours de collecte de fibres.Cependant, le travail actuel consiste en des tiges de cuivre parallèles espacées de 1,5 cm sur une bande transporteuse pour aider à aligner les filières en fonction des interactions électrostatiques entre les fibres chargées entrantes et les charges à la surface des fibres attachées à la fibre de cuivre.
Contrairement aux capteurs capacitifs ou piézorésistifs décrits précédemment, le capteur de pression tissulaire proposé dans cet article répond à une large gamme de forces d'entrée de 0,02 à 694 Newtons.De plus, le capteur de pression de tissu proposé a conservé 81,3 % de son entrée d'origine après cinq lavages standard, ce qui indique la durabilité du capteur de pression.
De plus, les valeurs de sensibilité évaluant les résultats de tension et de courant pour le tricot côtelé 1/1, 2/2 et 3/3 ont montré une sensibilité à haute tension de 83 et 36 mV/N à une pression de côte 2/2 et 3/3.3 capteurs de trame ont démontré une sensibilité supérieure de 245 % et 50 % pour ces capteurs de pression, respectivement, par rapport au capteur de pression de trame 24 mV/N 1/1.
Riz.3. Application étendue du capteur de pression en tissu complet.a Exemple d'un capteur de pression de semelle intérieure en tissu côtelé 2/2 trame inséré sous deux électrodes circulaires pour détecter le mouvement de l'avant-pied (juste en dessous des orteils) et du talon.b Représentation schématique de chaque étape des étapes individuelles du processus de marche : atterrissage du talon, ancrage au sol, contact avec les orteils et levée de la jambe.c Signaux de sortie de tension en réponse à chaque partie du pas de marche pour l'analyse de la marche et d Signaux électriques amplifiés associés à chaque phase de la marche.e Schéma d'un capteur de pression tissulaire complet avec un réseau de jusqu'à 12 cellules de pixels rectangulaires avec des lignes conductrices conçues pour détecter les signaux individuels de chaque pixel.f Une carte 3D du signal électrique généré en appuyant un doigt sur chaque pixel.g Un signal électrique n'est détecté que dans le pixel pressé avec le doigt et aucun signal latéral n'est généré dans les autres pixels, ce qui confirme qu'il n'y a pas de diaphonie.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
En conclusion, cette étude démontre un capteur de pression tissulaire très sensible et portable incorporant des filaments piézoélectriques en nanofibres de PVDF.Les capteurs de pression fabriqués ont une large gamme de forces d'entrée de 0,02 à 694 Newtons.
Cinquante buses ont été utilisées sur un prototype de machine à filer électrique, et un tapis continu de nanofibres a été produit à l'aide d'un convoyeur discontinu à base de tiges de cuivre.Sous compression intermittente, le tissu à ourlet de trame 2/2 fabriqué a montré une sensibilité de 83 mV/N, ce qui est environ 245 % plus élevé que le tissu à ourlet de trame 1/1.
Les capteurs de pression entièrement tissés proposés surveillent les signaux électriques en les soumettant à des mouvements physiologiques, notamment la torsion, la flexion, la compression, la course et la marche.De plus, ces manomètres de tissu sont comparables aux tissus conventionnels en termes de durabilité, conservant environ 81,3 % de leur rendement d'origine même après 5 lavages standard.De plus, le capteur de tissu fabriqué est efficace dans le système de santé en générant des signaux électriques basés sur des segments continus de la marche d'une personne.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al.(2022).Capteur de pression piézoélectrique en tissu à base de nanofibres de fluorure de polyvinylidène électrofilées avec 50 buses, selon le motif de tissage.Électronique flexible npj.https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti est une rédactrice scientifique d'Hyderabad, en Inde.Elle est titulaire d'un MSc et d'un MD du Vellore Institute of Technology, en Inde.en chimie organique et médicinale de l'Université de Guanajuato, Mexique.Ses travaux de recherche portent sur le développement et la synthèse de molécules bioactives à base d'hétérocycles, et elle possède une expérience en synthèse multi-étapes et multi-composants.Au cours de ses recherches doctorales, elle a travaillé sur la synthèse de diverses molécules peptidomimétiques liées et fusionnées à base d'hétérocycles qui devraient avoir le potentiel de fonctionnaliser davantage l'activité biologique.Tout en rédigeant des mémoires et des articles de recherche, elle a exploré sa passion pour l'écriture et la communication scientifiques.
Cavité, Buffner.(11 août 2022).Capteur de pression entièrement en tissu conçu pour la surveillance de la santé portable.AZonano.Extrait le 21 octobre 2022 de https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavité, Buffner."Un capteur de pression tous tissus conçu pour la surveillance de la santé portable".AZonano.21 octobre 2022 .21 octobre 2022 .
Cavité, Buffner."Un capteur de pression tous tissus conçu pour la surveillance de la santé portable".AZonano.https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.(Au 21 octobre 2022).
Cavité, Buffner.2022. Capteur de pression tout en tissu conçu pour la surveillance de la santé portable.AZoNano, consulté le 21 octobre 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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