نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتحسين تجربتك. بمواصلة تصفح هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط. معلومات إضافية.
يمكن لأجهزة استشعار الضغط القابلة للارتداء أن تساعد في مراقبة صحة الإنسان وتحقيق التفاعل بين الإنسان والحاسوب. ويجري العمل على تطوير أجهزة استشعار ضغط بتصميم عالمي وحساسية عالية للإجهاد الميكانيكي.
دراسة: مُحوِّل ضغط كهرضغطي نسيجي يعتمد على نمط النسيج، مصنوع من ألياف نانوية من فلوريد البولي فينيلدين المغزولة كهربائيًا، مع 50 فوهة. حقوق الصورة: African Studio/Shutterstock.com
تناولت مقالة نُشرت في مجلة npj Flexible Electronics تصنيع محولات ضغط كهرضغطية للأقمشة باستخدام خيوط سدى من البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) وخيوط لحمة من البولي فينيلدين فلوريد (PVDF). وقد تم عرض أداء مستشعر الضغط المطوّر لقياس الضغط بناءً على نمط النسيج على مقياس قماش يبلغ طوله مترين تقريبًا.
أظهرت النتائج أن حساسية مستشعر الضغط المُحسّن باستخدام تصميم كانارد 2/2 أعلى بنسبة 245% من حساسية تصميم كانارد 1/1. بالإضافة إلى ذلك، استُخدمت مُدخلات مُتنوعة لتقييم أداء الأقمشة المُحسّنة، بما في ذلك الانثناء والضغط والتجعد والالتواء وحركات الإنسان المُختلفة. في هذا العمل، يُظهر مستشعر ضغط قائم على الأنسجة، مُزوّد ​​بمصفوفة بكسل للمستشعرات، خصائص إدراكية مستقرة وحساسية عالية.
أرز. ١. تحضير خيوط PVDF وأقمشة متعددة الوظائف. أ- رسم تخطيطي لعملية غزل كهربائي بخمسين فوهة تُستخدم لإنتاج حصائر مصفوفة من ألياف PVDF النانوية، حيث توضع قضبان نحاسية بالتوازي على حزام ناقل، وتتمثل الخطوات في تحضير ثلاثة هياكل مضفرة من خيوط أحادية رباعية الطبقات. ب- صورة مجهر مسح إلكتروني وتوزيع أقطار ألياف PVDF المصفوفة. ج- صورة مجهر مسح إلكتروني لخيط رباعي الطبقات. د- قوة الشد والانفعال عند كسر خيط رباعي الطبقات كدالة للالتواء. هـ- نمط حيود الأشعة السينية لخيط رباعي الطبقات يُظهر وجود طوري ألفا وبيتا. © كيم، دي بي، هان، جيه، سونغ، إس إم، كيم، إم إس، تشوي، بي كيه، بارك، إس جيه، هونغ، إتش آر وآخرون (٢٠٢٢)
أدى التطور السريع للروبوتات الذكية والأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء إلى ظهور العديد من الأجهزة الجديدة التي تعتمد على أجهزة استشعار الضغط المرنة، كما تتطور تطبيقاتها في الإلكترونيات والصناعة والطب بسرعة.
الكهرباء الضغطية هي شحنة كهربائية تتولد على مادة تتعرض لضغط ميكانيكي. تسمح الكهرباء الضغطية في المواد غير المتماثلة بعلاقة عكسية خطية بين الضغط الميكانيكي والشحنة الكهربائية. لذلك، عند تشوه قطعة من مادة كهرضغطية فيزيائيًا، تتولد شحنة كهربائية، والعكس صحيح.
يمكن للأجهزة الكهرضغطية استخدام مصدر ميكانيكي حر لتوفير مصدر طاقة بديل للمكونات الإلكترونية قليلة الاستهلاك. يُعدّ نوع المادة وهيكل الجهاز معيارين أساسيين لإنتاج أجهزة اللمس القائمة على الاقتران الكهروميكانيكي. بالإضافة إلى المواد غير العضوية عالية الجهد، تم استكشاف مواد عضوية مرنة ميكانيكيًا في الأجهزة القابلة للارتداء.
تُستخدم البوليمرات المُعالجة إلى ألياف نانوية بطرق الغزل الكهربائي على نطاق واسع كأجهزة تخزين للطاقة الكهروضغطية. تُسهّل ألياف البوليمر النانوية الكهروضغطية إنشاء هياكل تصميمية قائمة على الأقمشة للتطبيقات القابلة للارتداء، من خلال توفير توليد كهروميكانيكي قائم على المرونة الميكانيكية في بيئات متنوعة.
لهذا الغرض، تُستخدم البوليمرات الكهرضغطية على نطاق واسع، بما في ذلك بوليمرات PVDF ومشتقاتها، ذات الخواص الكهرضغطية القوية. تُسحب ألياف PVDF هذه وتُغزل في أقمشة للتطبيقات الكهرضغطية، بما في ذلك المستشعرات والمولدات.
الشكل ٢. أنسجة واسعة المساحة وخصائصها الفيزيائية. صورة لنمط ضلع خيط 2/2 كبير يصل طوله إلى ١٩٥ سم × ٥٠ سم. ب. صورة مجهر إلكتروني لنمط خيط 2/2 يتكون من خيط خيط واحد من مادة PVDF متداخل مع قاعدتين من مادة PET. ج. معامل المرونة والانفعال عند الكسر في أقمشة مختلفة ذات حواف خيط 1/1 و2/2 و3/3. د. زاوية التعليق المقاسة للقماش. © كيم، دي بي، هان، جيه، سونغ، إس إم، كيم، إم إس، تشوي، بي كيه، بارك، إس جيه، هونغ، إتش آر وآخرون (٢٠٢٢)
في هذا العمل، تُصنع مولدات أقمشة مصنوعة من خيوط ألياف نانوية من بولي فينيل كلوريد (PVDF) باستخدام عملية غزل كهربائي متسلسلة ذات 50 فوهة، حيث يُسهّل استخدام 50 فوهة إنتاج حصائر ألياف نانوية باستخدام سير ناقل دوار. تُصنع هياكل نسج متنوعة باستخدام خيوط البولي إيثيلين تيرفثالات (PET)، بما في ذلك أضلاع اللحمة 1/1 (عادية)، و2/2، و3/3.
أشارت دراسات سابقة إلى استخدام النحاس لمحاذاة الألياف على شكل أسلاك نحاسية مصفوفة على أسطوانات تجميع الألياف. أما العمل الحالي، فيتألف من قضبان نحاسية متوازية، متباعدة بمقدار 1.5 سم، مثبتة على حزام ناقل، للمساعدة في محاذاة المغازل بناءً على التفاعلات الكهروستاتيكية بين الألياف المشحونة الواردة والشحنات على سطح الألياف المتصلة بالألياف النحاسية.
بخلاف المستشعرات السعوية أو المقاومة للضغط الموصوفة سابقًا، يستجيب مستشعر ضغط الأنسجة المقترح في هذه الورقة البحثية لمجموعة واسعة من قوى الإدخال من 0.02 إلى 694 نيوتن. بالإضافة إلى ذلك، احتفظ مستشعر ضغط النسيج المقترح بنسبة 81.3% من مدخلاته الأصلية بعد خمس غسلات قياسية، مما يدل على متانة مستشعر الضغط.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت قيم الحساسية لتقييم نتائج الجهد والتيار لحياكة الضلع 1/1 و2/2 و3/3 حساسية عالية للجهد تبلغ 83 و36 مللي فولت/نيوتن لضغط الضلع 2/2 و3/3. وأظهرت 3 مستشعرات نسيجية حساسية أعلى بنسبة 245% و50% لهذه المستشعرات للضغط، على التوالي، مقارنة بمستشعر ضغط النسيج 1/1 الذي يبلغ 24 مللي فولت/نيوتن.
الأرز. 3. تطبيق موسع لمستشعر ضغط القماش الكامل. أ- مثال على مستشعر ضغط النعل المصنوع من نسيج مضلع 2/2 لحمة يتم إدخاله تحت قطبين دائريين للكشف عن حركة مقدمة القدم (أسفل أصابع القدم مباشرة) والكعب. ب- تمثيل تخطيطي لكل مرحلة من الخطوات الفردية في عملية المشي: هبوط الكعب، والتأريض، وملامسة أصابع القدم، ورفع الساق. ج- إشارات خرج الجهد استجابة لكل جزء من خطوة المشي لتحليل المشية و د- إشارات كهربائية مكبرة مرتبطة بكل مرحلة من مراحل المشية. هـ- رسم تخطيطي لمستشعر ضغط الأنسجة الكامل مع مجموعة من ما يصل إلى 12 خلية بكسل مستطيلة بخطوط موصلة منقوشة للكشف عن الإشارات الفردية من كل بكسل. و- خريطة ثلاثية الأبعاد للإشارة الكهربائية الناتجة عن الضغط بإصبع على كل بكسل. ز- يتم اكتشاف إشارة كهربائية فقط في البكسل المضغوط بالإصبع، ولا يتم إنشاء إشارة جانبية في البكسلات الأخرى، مما يؤكد عدم وجود تداخل. © كيم، دي بي، هان، جيه، سونغ، إس إم، كيم، إم إس، تشوي، بي كيه، بارك، إس جيه، هونغ، إتش آر وآخرون (2022)
في الختام، تُبيّن هذه الدراسة مستشعر ضغط أنسجة عالي الحساسية وقابل للارتداء، مُدمج فيه خيوط كهرضغطية نانوية من ألياف PVDF. تتميز مستشعرات الضغط المُصنّعة بنطاق واسع من قوى الإدخال يتراوح بين 0.02 و694 نيوتن.
استُخدمت خمسون فوهة على نموذج أولي لآلة غزل كهربائية، وأُنتجت حصيرة متصلة من الألياف النانوية باستخدام ناقل دفعات مصنوع من قضبان نحاسية. تحت الضغط المتقطع، أظهر نسيج الحاشية نصف اللحمة المُصنّع حساسية 83 ميلي فولت/نيوتن، أي أعلى بنحو 245% من نسيج الحاشية نصف اللحمة.
تراقب مستشعرات الضغط المنسوجة بالكامل المقترحة الإشارات الكهربائية من خلال تعريضها لحركات فسيولوجية، بما في ذلك الالتواء والانحناء والضغط والجري والمشي. إضافةً إلى ذلك، تُضاهي هذه المقاييس القماشية الأقمشة التقليدية من حيث المتانة، حيث تحتفظ بحوالي 81.3% من إنتاجيتها الأصلية حتى بعد خمس غسلات قياسية. كما يُعدّ مستشعر الأنسجة المُصنّع فعالاً في نظام الرعاية الصحية من خلال توليد إشارات كهربائية بناءً على مقاطع متواصلة من مشي الشخص.
كيم، دي بي، هان، جيه، سونغ، إس إم، كيم، إم إس، تشوي، بي كيه، بارك، إس جيه، هونغ، إتش آر، وآخرون (2022). مستشعر ضغط كهرضغطي نسيجي مصنوع من ألياف نانوية من فلوريد البولي فينيلدين المغزولة كهربائيًا مع 50 فوهة، حسب نمط النسيج. الإلكترونيات المرنة، مجلة نيبج. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
إخلاء مسؤولية: الآراء الواردة هنا تعبر عن رأي الكاتب الشخصي، ولا تعكس بالضرورة آراء شركة AZoM.com Limited (المسجلة باسم AZoNetwork)، المالكة والمشغلة لهذا الموقع. هذا الإخلاء جزء من شروط استخدام هذا الموقع.
بهافنا كافيتي كاتبة علمية من حيدر أباد، الهند. حاصلة على ماجستير ودكتوراه في الطب من معهد فيلور للتكنولوجيا، الهند. حصلت على درجة البكالوريوس في الكيمياء العضوية والطبية من جامعة غواناخواتو، المكسيك. يتعلق عملها البحثي بتطوير وتركيب جزيئات نشطة بيولوجيًا تعتمد على الحلقات غير المتجانسة، ولديها خبرة في التركيب متعدد الخطوات ومتعدد المكونات. خلال بحثها للدكتوراه، عملت على تركيب جزيئات ببتيدية محاكية متعددة الحلقات، مرتبطة ومندمجة، يُتوقع أن تُعزز النشاط البيولوجي. أثناء كتابة أطروحاتها وأوراقها البحثية، استكشفت شغفها بالكتابة والتواصل العلمي.
كافيتي، بوفنر. (١١ أغسطس ٢٠٢٢). مستشعر ضغط قماشي كامل مصمم لمراقبة الصحة عبر أجهزة قابلة للارتداء. AZonano. تم ​​الاسترجاع في ٢١ أكتوبر ٢٠٢٢ من https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
كافيتي، بوفنر. "مستشعر ضغط شامل للأنسجة مصمم لمراقبة الصحة عبر جهاز قابل للارتداء". AZonano.21 أكتوبر 2022 .21 أكتوبر 2022 .
كافيتي، بوفنر. "مستشعر ضغط شامل للأنسجة مصمم لمراقبة الصحة عبر أجهزة قابلة للارتداء". AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (اعتبارًا من 21 أكتوبر/تشرين الأول 2022).
كافيتي، بوفنر. ٢٠٢٢. مستشعر ضغط قماشي بالكامل مصمم لمراقبة الصحة عبر أجهزة قابلة للارتداء. AZoNano، تاريخ الوصول: ٢١ أكتوبر ٢٠٢٢، https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
في هذه المقابلة، تتحدث AZoNano مع البروفيسور أندريه نيل عن دراسة مبتكرة يشارك فيها والتي تصف تطوير حامل نانوي على شكل "فقاعة زجاجية" يمكن أن يساعد الأدوية في دخول خلايا سرطان البنكرياس.
في هذه المقابلة، تتحدث AZoNano مع كينج كونج لي من جامعة كاليفورنيا في بيركلي حول تقنيته الحائزة على جائزة نوبل، وهي الملاقط البصرية.
في هذه المقابلة، نتحدث مع SkyWater Technology عن حالة صناعة أشباه الموصلات، وكيف تساعد تقنية النانو في تشكيل الصناعة، وشراكتهم الجديدة.
إن جهاز Inoveno PE-550 هو الجهاز الأكثر مبيعاً للغزل الكهربائي/الرش لإنتاج الألياف النانوية بشكل مستمر.
أداة رسم خرائط مقاومة الصفائح المتقدمة من Filmetrics R54 للرقائق شبه الموصلة والمركبات.