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Les capteurs de pression portable peuvent aider à surveiller la santé humaine et à réaliser l'interaction humaine-ordinateur. Des efforts sont en cours pour créer des capteurs de pression avec une conception de dispositifs universels et une forte sensibilité à la contrainte mécanique.
Étude: transducteur de pression piézoélectrique textile dépendant du motif de tissage à base de nanofibres de fluorure de polyvinylidène électrofilé avec 50 buses. Crédit d'image: African Studio / Shutterstock.com
Un article publié dans la revue NPJ Flexible Electronics rapporte sur la fabrication de transducteurs de pression piézoélectrique pour les tissus utilisant des fils de guerre en polyéthylène téréphtalate (PET) et des fils de trame de fluorure de polyvinylidène (PVDF). Les performances du capteur de pression développé par rapport à la mesure de la pression basée sur 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 à l'aide de la conception de 2/2 canard est 245% plus élevée que celle de la conception 1/1 canard. De plus, diverses entrées ont été utilisées pour évaluer les performances des tissus optimisés, y compris la flexion, la compression, la ride, 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 perceptuelles stables et une sensibilité élevée.
Riz. 1. Préparation des fils PVDF et des tissus multifonctionnels. Un diagramme d'un processus d'électrofilage à 50 ans utilisé pour produire des tapis alignés de nanofibres de PVDF, où les tiges de cuivre sont placées en parallèle sur un tapis roulant, et les étapes sont de préparer trois structures tressées à partir de filaments monofilament à quatre couches. B Image SEM et distribution de diamètre des fibres PVDF alignées. C Image SEM d'un fil à quatre plis. D La résistance à la traction et la tension à la rupture d'un fil à quatre plis en fonction de la torsion. Mattre de diffraction des rayons X d'un fil à quatre plis 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 de robots intelligents et de dispositifs électroniques portables a donné naissance à de nombreux nouveaux appareils basés sur des capteurs de pression flexibles, et leurs applications en électronique, industrie et 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 déformé physiquement, une charge électrique est créée et vice versa.
Les dispositifs piézoélectriques peuvent utiliser une source mécanique gratuite pour fournir une autre source d'alimentation pour les composants électroniques qui consomment peu de puissance. Le type de matériau et la structure de l'appareil sont des paramètres clés pour la production 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 en polymère piézoélectrique 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.
À cette fin, les polymères piézoélectriques sont largement utilisés, y compris le PVDF et ses dérivés, qui ont une forte piézoélectricité. Ces fibres de PVDF sont dessinées et tournées dans des tissus pour les applications piézoélectriques, y compris les capteurs et les générateurs.
Figure 2. Tissus à grande surface et leurs propriétés physiques. Photographie d'un grand motif de côtes de trame 2/2 jusqu'à 195 cm x 50 cm. B Image SEM d'un motif de trame 2/2 composé d'une trame PVDF entrelacée avec deux bases de 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 suspendu 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 basés sur des filaments de nanofibres PVDF sont construits en utilisant un processus d'électrofilage à 50 jet séquentiel, où l'utilisation de 50 buses facilite la production de tapis de nanofibre à l'aide d'une courroie de courbe de courroie. Diverses structures de tissage sont créées à l'aide d'un fil pour animaux de compagnie, y compris 1/1 (ordinaire), 2/2 et 3/3 des côtes de trame.
Des travaux antérieurs ont signalé l'utilisation du cuivre pour l'alignement des fibres sous la forme de fils de cuivre alignés sur les tambours de collecte de fibres. Cependant, les travaux actuels sont constitués de tiges de cuivre parallèles espacées de 1,5 cm sur un tapis roulant pour aider à aligner les spinnerrets 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 piézorésistants décrits précédemment, le capteur de pression tissulaire proposé dans cet article répond à un large éventail de forces d'entrée de 0,02 à 694 Newtons. De plus, le capteur de pression en tissu proposé a conservé 81,3% de son entrée d'origine après cinq lavages standard, indiquant la durabilité du capteur de pression.
De plus, les valeurs de sensibilité évaluant les résultats de tension et de courant pour le tricot de 1/1, 2/2 et 3/3 de côtes ont montré une sensibilité à haute tension de 83 et 36 mV / n à 2/2 et 3/3 de pression de la nervure. 3 capteurs de trame ont démontré respectivement 245% et 50% de sensibilité plus élevée pour ces capteurs de pression par rapport au capteur de pression de trame de 24 mV / n 1/1.
Riz. 3. Application élargie du capteur de pression complet. Un exemple de capteur de pression intérieure en tissu côtelé 2/2 trame inséré sous deux électrodes circulaires pour détecter l'avant-pied (juste en dessous des orteils) et le mouvement du talon. B Représentation schématique de chaque étape des étapes individuelles dans le processus de marche: atterrissage du talon, mise à la terre, contact des orteils et lifting des jambes. C Signaux de sortie de tension en réponse à chaque partie de l'étape de démarche pour l'analyse de la démarche et les signaux électriques amplifiés D associés à chaque phase de la démarche. E Schéma d'un capteur de pression tissulaire complet avec un tableau de jusqu'à 12 cellules de pixels rectangulaires avec des lignées conductrices modèles pour détecter les signaux individuels de chaque pixel. f Une carte 3D du signal électrique généré en appuyant sur un doigt sur chaque pixel. G Un signal électrique n'est détecté que dans le pixel pressé le doigt, et aucun signal latéral n'est généré dans d'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 hautement sensible et portable incorporant des filaments piézoélectriques de nanofibre 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 spinning électrique, et un tapis continu de nanofibres a été produit en utilisant un convoyeur par lots à base de tiges de cuivre. Sous compression intermittente, le tissu fabriqué de l'ourlet de trame 2/2 a montré une sensibilité de 83 mV / N, soit environ 245% plus élevée que le tissu HEM 1/1 de trame.
Les capteurs de pression tous 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 manches de pression en 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 tissus fabriqués 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 fluorure de polyvinylidène électrofilé avec 50 buses, selon le motif de tissage. NPJ électronique flexible. https://www.nature.com/articles/S41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti est une écrivaine scientifique de Hyderabad, en Inde. Elle détient MSC et MD du Vellore Institute of Technology, en Inde. en chimie biologique et médicinale de l'Université de Guanajuato, au Mexique. Son travail de recherche est lié au développement et à la synthèse de molécules bioactives basées sur des hétérocycles, et elle a de l'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 fondues basées sur les hétérocycles qui devraient avoir le potentiel de fonctionnaliser davantage l'activité biologique. Tout en écrivant des dissertations 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 en tissu complet 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 intégrale conçu pour la surveillance de la santé portable». Azonano.21 octobre 2022.21 octobre 2022.
Cavité, Buffner. «Un capteur de pression intégrale 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 All-Cloth 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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