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Les capteurs de pression portables peuvent contribuer à la surveillance de la santé humaine et à l'interaction homme-machine. Des efforts sont actuellement déployés pour créer des capteurs de pression universels et hautement sensibles aux contraintes mécaniques.
Étude : Transducteur de pression piézoélectrique textile dépendant du motif de tissage, basé sur des nanofibres de polyfluorure de vinylidène électrofilées et doté de 50 buses. Crédit image : African Studio/Shutterstock.com
Un article publié dans la revue npj Flexible Electronics présente la fabrication de capteurs de pression piézoélectriques pour tissus utilisant des fils de chaîne en polyéthylène téréphtalate (PET) et des fils de trame en polyfluorure de vinylidène (PVDF). Les performances du capteur de pression développé, mesurées selon le motif de tissage, sont démontrées sur une échelle de tissu d'environ 2 mètres.
Les résultats montrent que la sensibilité d'un capteur de pression optimisé selon la conception canard 2/2 est supérieure de 245 % à celle d'un capteur canard 1/1. De plus, diverses données ont été utilisées pour évaluer les performances des tissus optimisés, notamment la flexion, la compression, le froissement, la torsion et divers mouvements humains. Dans ce travail, un capteur de pression tissulaire doté d'une matrice de pixels présente des caractéristiques perceptuelles stables et une sensibilité élevée.
Riz. 1. Préparation de fils PVDF et de tissus multifonctionnels. a Schéma d'un procédé d'électrofilage à 50 buses utilisé pour produire des tapis alignés de nanofibres PVDF, où des tiges de cuivre sont placées en parallèle sur un tapis roulant, 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. Dans les matériaux asymétriques, la piézoélectricité permet une relation linéaire et réversible entre contrainte mécanique et charge électrique. Ainsi, lorsqu'un matériau piézoélectrique est déformé physiquement, une charge électrique est créée, et inversement.
Les dispositifs piézoélectriques peuvent utiliser une source mécanique libre pour fournir une source d'énergie alternative aux composants électroniques peu gourmands en énergie. Le type de matériau et la structure du dispositif sont des paramètres clés pour la production d'appareils tactiles basés sur le couplage électromécanique. Outre les matériaux inorganiques haute tension, des matériaux organiques mécaniquement flexibles ont également été explorés dans les dispositifs portables.
Les polymères transformés en nanofibres par électrofilage sont largement utilisés comme dispositifs de stockage d'énergie piézoélectrique. Les nanofibres polymères piézoélectriques facilitent la création de structures textiles pour des applications portables en fournissant une génération électromécanique basée sur l'élasticité mécanique dans divers environnements.
À cette fin, les polymères piézoélectriques sont largement utilisés, notamment le PVDF et ses dérivés, qui présentent une forte piézoélectricité. Ces fibres de 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 de trame 2/2 jusqu'à 195 cm x 50 cm. b Image MEB d'un motif de trame 2/2 composé d'une trame PVDF entrelacée de deux bases PET. c Module et déformation à la rupture de divers tissus à 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 tissus à base de filaments de nanofibres PVDF sont construits selon un procédé d'électrofilage séquentiel à 50 jets, où l'utilisation de 50 buses facilite la production de tapis de nanofibres à l'aide d'un convoyeur à bande rotatif. Différentes structures de tissage sont créées à partir de fils PET, notamment des trames à côtes 1/1 (uni), 2/2 et 3/3.
Des travaux antérieurs ont fait état de l'utilisation du cuivre pour l'alignement des fibres, sous forme de fils de cuivre alignés sur des tambours de collecte de fibres. Cependant, les travaux actuels consistent à placer des tiges de cuivre parallèles espacées de 1,5 cm sur un tapis roulant pour faciliter l'alignement des filières en fonction des interactions électrostatiques entre les fibres chargées entrantes et les charges à la surface des fibres fixées à la fibre de cuivre.
Contrairement aux capteurs capacitifs ou piézorésistifs décrits précédemment, le capteur de pression tissulaire proposé dans cet article réagit à une large gamme de forces d'entrée, de 0,02 à 694 Newtons. De plus, le capteur de pression tissulaire proposé a conservé 81,3 % de sa valeur d'entrée d'origine après cinq lavages standard, ce qui témoigne de sa durabilité.
De plus, les valeurs de sensibilité évaluant les résultats de tension et de courant pour le tricotage de côtes 1/1, 2/2 et 3/3 ont montré une sensibilité de tension élevée de 83 et 36 mV/N à la pression des côtes 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 de 24 mV/N 1/1.
Riz. 3. Application étendue du capteur de pression en tissu plein. 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 différentes étapes du processus de marche : atterrissage du talon, mise à la terre, contact des orteils et levée de jambe. c Signaux de sortie de tension en réponse à chaque partie de l'étape de la 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 en tissu plein 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 appuyé par le doigt, et aucun signal latéral n'est généré dans les autres pixels, confirmant 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 portable et hautement sensible intégrant des filaments piézoélectriques en nanofibres PVDF. Les capteurs de pression fabriqués offrent une large plage 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 tiges de cuivre. Sous compression intermittente, le tissu à ourlet trame 2/2 fabriqué a montré une sensibilité de 83 mV/N, soit environ 245 % de plus que le tissu à ourlet trame 1/1.
Les capteurs de pression entièrement tissés proposés surveillent les signaux électriques en les soumettant à des mouvements physiologiques, tels que la torsion, la flexion, la compression, la course et la marche. De plus, ces manomètres en tissu sont comparables aux tissus conventionnels en termes de durabilité, conservant environ 81,3 % de leur rendement initial même après 5 lavages standard. De plus, le capteur en 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 basé sur des nanofibres de polyfluorure de vinylidène 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 rédactrice scientifique à Hyderabad, en Inde. Elle est titulaire d'une maîtrise et d'un doctorat en chimie organique et médicinale de l'Institut de technologie de Vellore, en Inde, et d'un doctorat en chimie organique et médicinale de l'Université de Guanajuato, au 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 son doctorat, elle a travaillé sur la synthèse de diverses molécules peptidomimétiques liées et fusionnées à base d'hétérocycles, susceptibles de fonctionnaliser davantage l'activité biologique. Parallèlement à la rédaction de thèses et d'articles de recherche, elle a exploré sa passion pour la rédaction et la communication scientifiques.
Cavity, Buffner. (11 août 2022). Capteur de pression entièrement en tissu conçu pour la surveillance de la santé portable. AZonano. Consulté le 21 octobre 2022 sur https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. « Un capteur de pression tissulaire conçu pour la surveillance de la santé par des appareils portables ». AZonano.21 octobre 2022 .21 octobre 2022 .
Cavity, Buffner. « Un capteur de pression tissulaire conçu pour la surveillance de la santé par appareil portable ». AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (Au 21 octobre 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Capteur de pression entièrement 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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