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Sensores de pressão vestíveis podem ajudar a monitorar a saúde humana e realizar a interação entre humanos e computadores. Esforços estão em andamento para criar sensores de pressão com um design de dispositivo universal e alta sensibilidade ao estresse mecânico.
Estudo: Transdutor de pressão piezoelétrico têxtil dependente do padrão de trama, baseado em nanofibras de fluoreto de polivinilideno eletrofiadas com 50 bicos. Crédito da imagem: African Studio/Shutterstock.com
Um artigo publicado na revista npj Flexible Electronics relata a fabricação de transdutores de pressão piezoelétricos para tecidos utilizando fios de urdume de tereftalato de polietileno (PET) e fios de trama de fluoreto de polivinilideno (PVDF). O desempenho do sensor de pressão desenvolvido em relação à medição de pressão com base no padrão de trama é demonstrado em uma escala de tecido de aproximadamente 2 metros.
Os resultados mostram que a sensibilidade de um sensor de pressão otimizado usando o design canard 2/2 é 245% maior do que a do design canard 1/1. Além disso, diversas entradas foram utilizadas para avaliar o desempenho dos tecidos otimizados, incluindo flexão, compressão, enrugamento, torção e diversos movimentos humanos. Neste trabalho, um sensor de pressão baseado em tecido com um conjunto de pixels do sensor apresenta características perceptuais estáveis ​​e alta sensibilidade.
Arroz. 1. Preparação de fios de PVDF e tecidos multifuncionais. a Diagrama de um processo de eletrofiação com 50 bicos usado para produzir mantas alinhadas de nanofibras de PVDF, onde hastes de cobre são colocadas em paralelo em uma correia transportadora, e as etapas consistem em preparar três estruturas trançadas a partir de filamentos monofilamentares de quatro camadas. b Imagem SEM e distribuição de diâmetros de fibras de PVDF alinhadas. c Imagem SEM de um fio de quatro camadas. d Resistência à tração e deformação na ruptura de um fio de quatro camadas em função da torção. e Padrão de difração de raios X de um fio de quatro camadas mostrando a presença das fases alfa e beta. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
O rápido desenvolvimento de robôs inteligentes e dispositivos eletrônicos vestíveis deu origem a muitos novos dispositivos baseados em sensores de pressão flexíveis, e suas aplicações em eletrônicos, indústria e medicina estão se desenvolvendo rapidamente.
Piezoeletricidade é uma carga elétrica gerada em um material submetido a estresse mecânico. A piezoeletricidade em materiais assimétricos permite uma relação linear reversível entre estresse mecânico e carga elétrica. Portanto, quando um pedaço de material piezoelétrico é fisicamente deformado, uma carga elétrica é criada, e vice-versa.
Dispositivos piezoelétricos podem utilizar uma fonte mecânica livre para fornecer uma fonte de energia alternativa para componentes eletrônicos de baixo consumo. O tipo de material e a estrutura do dispositivo são parâmetros-chave para a produção de dispositivos touch baseados em acoplamento eletromecânico. Além de materiais inorgânicos de alta tensão, materiais orgânicos mecanicamente flexíveis também têm sido explorados em dispositivos vestíveis.
Polímeros processados ​​em nanofibras por métodos de eletrofiação são amplamente utilizados como dispositivos piezoelétricos de armazenamento de energia. Nanofibras poliméricas piezoelétricas facilitam a criação de estruturas de design baseadas em tecidos para aplicações vestíveis, proporcionando geração eletromecânica baseada na elasticidade mecânica em uma variedade de ambientes.
Para esse fim, polímeros piezoelétricos são amplamente utilizados, incluindo PVDF e seus derivados, que possuem forte piezoeletricidade. Essas fibras de PVDF são trefiladas e fiadas em tecidos para aplicações piezoelétricas, incluindo sensores e geradores.
Figura 2. Tecidos de grandes áreas e suas propriedades físicas. Fotografia de um padrão de trama 2/2 grande, com nervuras de até 195 cm x 50 cm. b Imagem SEM de um padrão de trama 2/2 composto por uma trama de PVDF intercalada com duas bases de PET. c Módulo e deformação na ruptura em vários tecidos com bordas de trama 1/1, 2/2 e 3/3. d é o ângulo de suspensão medido para o tecido. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
No presente trabalho, geradores de tecidos baseados em filamentos de nanofibras de PVDF são construídos utilizando um processo de eletrofiação sequencial de 50 jatos, onde o uso de 50 bicos facilita a produção de mantas de nanofibras utilizando uma correia transportadora rotativa. Diversas estruturas de trama são criadas utilizando fios de PET, incluindo tramas nervuradas 1/1 (planas), 2/2 e 3/3.
Trabalhos anteriores relataram o uso de cobre para alinhamento de fibras na forma de fios de cobre alinhados em tambores coletores de fibras. No entanto, o trabalho atual consiste em hastes de cobre paralelas espaçadas de 1,5 cm em uma correia transportadora para ajudar a alinhar as fieiras com base nas interações eletrostáticas entre as fibras carregadas que chegam e as cargas na superfície das fibras fixadas à fibra de cobre.
Diferentemente dos sensores capacitivos ou piezoresistivos descritos anteriormente, o sensor de pressão tecidual proposto neste artigo responde a uma ampla faixa de forças de entrada, de 0,02 a 694 Newtons. Além disso, o sensor de pressão tecidual proposto reteve 81,3% de sua entrada original após cinco lavagens padrão, indicando sua durabilidade.
Além disso, os valores de sensibilidade que avaliam os resultados de tensão e corrente para malharia de nervuras de 1/1, 2/2 e 3/3 mostraram alta sensibilidade de tensão de 83 e 36 mV/N para pressão de nervuras de 2/2 e 3/3. 3 sensores de trama demonstraram sensibilidade 245% e 50% maior para esses sensores de pressão, respectivamente, em comparação ao sensor de pressão de trama 1/1 de 24 mV/N.
Arroz. 3. Aplicação expandida do sensor de pressão de tecido completo. a Exemplo de um sensor de pressão de palmilha feito de tecido canelado de trama 2/2 inserido sob dois eletrodos circulares para detectar o movimento do antepé (logo abaixo dos dedos) e do calcanhar. b Representação esquemática de cada estágio dos passos individuais no processo de caminhada: aterrissagem do calcanhar, aterramento, contato dos dedos e elevação da perna. c Sinais de saída de tensão em resposta a cada parte do passo da marcha para análise da marcha e d Sinais elétricos amplificados associados a cada fase da marcha. e Esquema de um sensor de pressão de tecido completo com uma matriz de até 12 células de pixel retangulares com linhas condutoras padronizadas para detectar sinais individuais de cada pixel. f Um mapa 3D do sinal elétrico gerado ao pressionar um dedo em cada pixel. g Um sinal elétrico é detectado apenas no pixel pressionado pelo dedo, e nenhum sinal lateral é gerado em outros pixels, confirmando que não há diafonia. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Em conclusão, este estudo demonstra um sensor de pressão tecidual altamente sensível e vestível, incorporando filamentos piezoelétricos de nanofibras de PVDF. Os sensores de pressão fabricados possuem uma ampla faixa de forças de entrada, de 0,02 a 694 Newtons.
Cinquenta bicos foram utilizados em um protótipo de máquina de fiação elétrica, e uma manta contínua de nanofibras foi produzida usando uma esteira de batelada baseada em barras de cobre. Sob compressão intermitente, o tecido de bainha de trama 2/2 fabricado apresentou uma sensibilidade de 83 mV/N, cerca de 245% maior do que o tecido de bainha de trama 1/1.
Os sensores de pressão totalmente tecidos propostos monitoram sinais elétricos submetendo-os a movimentos fisiológicos, incluindo torção, flexão, compressão, corrida e caminhada. Além disso, esses medidores de pressão de tecido são comparáveis ​​aos tecidos convencionais em termos de durabilidade, mantendo aproximadamente 81,3% de sua capacidade original mesmo após 5 lavagens padrão. Além disso, o sensor de tecido fabricado é eficaz no sistema de saúde, pois gera sinais elétricos com base em segmentos contínuos da caminhada de uma pessoa.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al. (2022). Sensor de pressão piezoelétrico de tecido baseado em nanofibras de fluoreto de polivinilideno eletrofiadas com 50 bicos, dependendo do padrão de trama. Eletrônica flexível npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti é uma escritora científica de Hyderabad, Índia. Ela possui mestrado e doutorado pelo Instituto de Tecnologia Vellore, Índia, e doutorado em química orgânica e medicinal pela Universidade de Guanajuato, México. Seu trabalho de pesquisa está relacionado ao desenvolvimento e síntese de moléculas bioativas baseadas em heterociclos, e ela possui experiência em síntese multietapas e multicomponentes. Durante sua pesquisa de doutorado, ela trabalhou na síntese de diversas moléculas peptidomiméticas ligadas e fundidas baseadas em heterociclos, que se espera tenham o potencial de funcionalizar ainda mais a atividade biológica. Enquanto escrevia dissertações e artigos de pesquisa, ela explorou sua paixão pela escrita e comunicação científica.
Cavity, Buffner. (11 de agosto de 2022). Sensor de pressão totalmente em tecido projetado para monitoramento de saúde vestível. AZonano. Recuperado em 21 de outubro de 2022 de https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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