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Os sensores de pressão vestíveis podem ajudar a monitorar a saúde humana e realizar a interação humano-computador.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 dependente de padrão têxtil baseado em nanofibras de fluoreto de polivinilideno eletrofiadas com 50 bocais.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 usando fios de urdidura 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 2/2 canard é 245% maior do que a do design 1/1 canard.Além disso, várias entradas foram usadas para avaliar o desempenho dos tecidos otimizados, incluindo flexão, compressão, enrugamento, torção e vários movimentos humanos.Neste trabalho, um sensor de pressão baseado em tecido com uma matriz de pixels do sensor exibe características perceptivas estáveis ​​e alta sensibilidade.
Arroz.1. Preparação de fios PVDF e tecidos multifuncionais.a Diagrama de um processo de eletrofiação de 50 bicos usado para produzir mantas alinhadas de nanofibras de PVDF, onde hastes de cobre são colocadas paralelamente em uma correia transportadora e as etapas são preparar três estruturas trançadas a partir de filamentos de monofilamento de quatro camadas.b imagem SEM e distribuição de diâmetro de fibras PVDF alinhadas.c Imagem SEM de um fio de quatro camadas.d Resistência à tração e tensão 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 eletrônica, indústria e medicina estão se desenvolvendo rapidamente.
Piezoeletricidade é uma carga elétrica gerada em um material que é submetido a estresse mecânico.A piezoeletricidade em materiais assimétricos permite uma relação linear reversível entre tensão mecânica e carga elétrica.Portanto, quando um pedaço de material piezoelétrico é fisicamente deformado, uma carga elétrica é criada e vice-versa.
Os dispositivos piezoelétricos podem usar uma fonte mecânica livre para fornecer uma fonte de energia alternativa para componentes eletrônicos que consomem pouca energia.O tipo de material e a estrutura do dispositivo são parâmetros fundamentais para a produção de dispositivos de toque baseados em acoplamento eletromecânico.Além de materiais inorgânicos de alta voltagem, 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.As nanofibras de polímero piezoelétrico facilitam a criação de estruturas de design baseadas em tecido para aplicações vestíveis, fornecendo geração eletromecânica com base na elasticidade mecânica em uma variedade de ambientes.
Para isso, polímeros piezoelétricos são amplamente utilizados, incluindo o PVDF e seus derivados, que possuem forte piezoeletricidade.Essas fibras PVDF são desenhadas e fiadas em tecidos para aplicações piezoelétricas, incluindo sensores e geradores.
Figura 2. Tecidos de grandes áreas e suas propriedades físicas.Fotografia de um grande padrão de nervuras de trama 2/2 de até 195 cm x 50 cm.b Imagem SEM de um padrão de trama 2/2 consistindo em uma trama PVDF intercalada com duas bases PET.c Módulo e tensão 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 usando um processo de eletrofiação sequencial de 50 jatos, onde o uso de 50 bicos facilita a produção de mantas de nanofibras usando uma correia transportadora rotativa.Várias estruturas de trama são criadas usando fios PET, incluindo nervuras de trama 1/1 (liso), 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 fiandeiras com base nas interações eletrostáticas entre as fibras carregadas que chegam e as cargas na superfície das fibras ligadas à fibra de cobre.
Ao contrário dos sensores capacitivos ou piezoresistivos descritos anteriormente, o sensor de pressão tecidual proposto neste artigo responde a uma ampla gama de forças de entrada de 0,02 a 694 Newtons.Além disso, o sensor de pressão do tecido proposto reteve 81,3% de sua entrada original após cinco lavagens padrão, indicando a durabilidade do sensor de pressão.
Além disso, os valores de sensibilidade avaliando os resultados de tensão e corrente para tricotagem 1/1, 2/2 e 3/3 costelas mostraram alta sensibilidade de tensão de 83 e 36 mV/N para pressão de 2/2 e 3/3 costelas.3 sensores de trama demonstraram sensibilidade 245% e 50% maior para esses sensores de pressão, respectivamente, em comparação com o sensor de pressão de trama 1/1 de 24 mV/N.
Arroz.3. Aplicação expandida do sensor de pressão de tecido inteiro.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 das etapas individuais do processo de caminhada: aterrissagem do calcanhar, contato com o solo, contato com os dedos e elevação da perna.c Sinais de saída de tensão em resposta a cada parte do passo da marcha para análise da marcha ed 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 pressionando um dedo em cada pixel.g Um sinal elétrico é detectado apenas no pixel pressionado com o 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 de tecido altamente sensível e vestível incorporando filamentos piezoelétricos de nanofibra PVDF.Os sensores de pressão fabricados têm uma ampla gama de forças de entrada de 0,02 a 694 Newtons.
Cinquenta bicos foram usados ​​em um protótipo de máquina de fiação elétrica e uma manta contínua de nanofibras foi produzida usando um transportador de batelada baseado em hastes de cobre.Sob compressão intermitente, o tecido de bainha de trama 2/2 fabricado apresentou uma sensibilidade de 83 mV/N, que é cerca de 245% maior do que o tecido de bainha de trama 1/1.
Os sensores de pressão totalmente tecidos propostos monitoram os sinais elétricos, submetendo-os a movimentos fisiológicos, incluindo torcer, dobrar, apertar, correr e caminhar.Além disso, esses manômetros de tecido são comparáveis ​​aos tecidos convencionais em termos de durabilidade, retendo aproximadamente 81,3% de seu rendimento original mesmo após 5 lavagens padrão.Além disso, o sensor de tecido fabricado é eficaz no sistema de saúde ao gerar 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 de ciência de Hyderabad, Índia.Ela possui MSc e MD pelo Vellore Institute of Technology, na Índia.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 tem experiência em síntese multi-etapas e multi-componentes.Durante sua pesquisa de doutorado, ela trabalhou na síntese de várias moléculas peptidomiméticas ligadas e fundidas baseadas em heterociclos que devem ter o potencial de funcionalizar ainda mais a atividade biológica.Enquanto escrevia dissertações e trabalhos de pesquisa, ela explorou sua paixão pela escrita e comunicação científica.
Cavidade, Buffner.(11 de agosto de 2022).Sensor de pressão de tecido completo projetado para monitoramento de saúde vestível.AZonano.Recuperado em 21 de outubro de 2022 em https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavidade, Buffner.“Um sensor de pressão de todos os tecidos projetado para monitoramento de saúde vestível”.AZonano.21 de outubro de 2022 .21 de outubro de 2022 .
Cavidade, Buffner.“Um sensor de pressão de todos os tecidos projetado para monitoramento de saúde vestível”.AZonano.https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.(A partir de 21 de outubro de 2022).
Cavidade, Buffner.2022. Sensor de pressão todo em tecido projetado para monitoramento de saúde vestível.AZoNano, acessado em 21 de outubro de 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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