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ウェアラブル圧力センサーは、人間の健康状態を監視し、人間とコンピューターの相互作用を実現するのに役立ちます。ユニバーサルなデバイス設計と機械的応力に対する高い感度を備えた圧力センサーを作成するための努力が続けられています。
研究: 50 個のノズルを備えたエレクトロスピニングされたポリフッ化ビニリデン ナノファイバーに基づく織りパターン依存の織物圧電圧力トランスデューサー。画像クレジット: African Studio/Shutterstock.com
npj Flexible Electronics 誌に掲載された記事では、ポリエチレン テレフタレート (PET) の縦糸とポリフッ化ビニリデン (PVDF) の横糸を使用した布地用の圧電圧力トランスデューサーの製造について報告しています。織りパターンに基づく圧力測定に関して、開発した圧力センサーの性能を約2メートルの布スケールで実証します。
結果は、2/2 カナード設計を使用して最適化された圧力センサーの感度が 1/1 カナード設計よりも 245% 高いことを示しています。さらに、屈曲、絞り、しわ、ねじり、人間のさまざまな動きなど、最適化された生地のパフォーマンスを評価するためにさまざまな入力が使用されました。この研究では、センサー ピクセル アレイを備えた組織ベースの圧力センサーが、安定した知覚特性と高い感度を示します。
米。1. PVDF 糸と多機能生地の準備。PVDF ナノファイバーの整列マットの製造に使用される 50 ノズルのエレクトロスピニング プロセスの図。銅ロッドがコンベア ベルト上に平行に配置され、4 層のモノフィラメント フィラメントから 3 つの編組構造を作製するステップが行われます。b 整列した PVDF 繊維の SEM 画像と直径分布。c 四本撚り糸の SEM 画像。d 撚りの関数としての四本撚り糸の引張強度と破断点ひずみ。e アルファ相とベータ相の存在を示す四本撚り糸の X 線回折パターン。© Kim、DB、Han、J.、Sung、SM、Kim、MS、Choi、BK、Park、SJ、Hong、H. R 他(2022年)
インテリジェントロボットとウェアラブル電子デバイスの急速な発展により、柔軟な圧力センサーをベースにした多くの新しいデバイスが誕生し、エレクトロニクス、産業、医療におけるそれらの応用が急速に発展しています。
圧電性は、機械的ストレスを受けた材料上で生成される電荷​​です。非対称材料の圧電性により、機械的応力と電荷の間の線形可逆関係が可能になります。したがって、圧電材料が物理的に変形すると、電荷が生成され、その逆も同様です。
圧電デバイスは、自由な機械的電源を使用して、電力をほとんど消費しない電子コンポーネントに代替電源を提供できます。デバイスの材料の種類と構造は、電気機械結合に基づいてタッチ デバイスを製造するための重要なパラメータです。高電圧の無機材料に加えて、機械的に柔軟な有機材料もウェアラブル デバイスで研究されています。
エレクトロスピニング法によってナノファイバーに加工されたポリマーは、圧電エネルギー貯蔵デバイスとして広く使用されています。圧電ポリマー ナノファイバーは、さまざまな環境で機械的弾性に基づいた電気機械発電を提供することにより、ウェアラブル用途向けのファブリックベースの設計構造の作成を容易にします。
この目的のために、強い圧電性を有する PVDF およびその誘導体などの圧電ポリマーが広く使用されています。これらの PVDF 繊維は、センサーや発電機などの圧電用途向けの布地に延伸および紡糸されます。
図 2. 大面積組織とその物理的特性。最大 195 cm x 50 cm の大きな 2/2 横糸リブ パターンの写真。b 2 つの PET ベースが交互に配置された 1 つの PVDF 横糸で構成される 2/2 横糸パターンの SEM 画像。c 横糸エッジが 1/1、2/2、および 3/3 のさまざまな生地の破断時の弾性率とひずみ。d は、生地に対して測定された垂れ下がり角度です。© Kim、DB、Han、J.、Sung、SM、Kim、MS、Choi、BK、Park、SJ、Hong、H. R 他(2022年)
現在の研究では、PVDF ナノファイバー フィラメントに基づくファブリック ジェネレーターは、連続 50 ジェット エレクトロスピニング プロセスを使用して構築されており、50 個のノズルを使用することで、回転ベルト コンベア ベルトを使用してナノファイバー マットの製造が容易になります。PET糸を使用して、1/1（平織り）、2/2、3/3横リブなどのさまざまな織り構造を作成します。
以前の研究では、ファイバー収集ドラム上に整列した銅線の形でファイバー整列に銅を使用することが報告されています。しかし、現在の研究は、入ってくる帯電繊維と銅繊維に付着した繊維表面の電荷との間の静電相互作用に基づいて紡糸口金を位置合わせするのに役立つように、コンベアベルト上に 1.5 cm 間隔で配置された平行な銅ロッドで構成されています。
前述の容量性センサーやピエゾ抵抗性センサーとは異なり、この論文で提案されている組織圧力センサーは、0.02 ～ 694 ニュートンの広範囲の入力力に応答します。さらに、提案された布地圧力センサーは、5 回の標準的な洗濯後も元の入力の 81.3% を保持しており、圧力センサーの耐久性が示されています。
また、1/1、2/2、3/3リブ編みの電圧と電流の結果を評価した感度値では、2/2、3/3リブの圧力に対して83、36mV/Nという高い電圧感度を示しました。3 つの横糸センサーは、24 mV/N の横糸圧力センサー 1/1 と比較して、これらの圧力センサーでそれぞれ 245% および 50% 高い感度を示しました。
米。3. 全面布圧力センサーの適用拡大。a 前足部 (つま先のすぐ下) とかかとの動きを検出するために、2 つの円形電極の下に挿入された 2/2 横糸リブ生地で作られたインソール圧力センサーの例。b 歩行プロセスの個々のステップの各段階 (かかと着地、接地、つま先接地、脚の持ち上げ) の概略図。c 歩行分析用の歩行ステップの各部分に応じた電圧出力信号、および d 歩行の各段階に関連付けられた増幅された電気信号。e 各ピクセルからの個別の信号を検出するためにパターン化された導電線を備えた最大 12 個の長方形のピクセル セルのアレイを備えた組織全体圧力センサーの概略図。f 各ピクセルを指で押すことによって生成される電気信号の 3D マップ。g 指で押下した画素のみ電気信号が検出され、他の画素では副信号が発生せず、クロストークがないことが確認できます。© Kim、DB、Han、J.、Sung、SM、Kim、MS、Choi、BK、Park、SJ、Hong、H. R 他(2022年)
結論として、この研究は、PVDF ナノファイバー圧電フィラメントを組み込んだ高感度でウェアラブルな組織圧力センサーを実証しました。製造された圧力センサーは、0.02 ～ 694 ニュートンの幅広い入力力を備えています。
1 台の試作電動紡績機で 50 個のノズルが使用され、銅ロッドをベースとしたバッチコンベアを使用してナノファイバーの連続マットが製造されました。断続的な圧縮下では、製造された 2/2 よこ糸ヘム生地は 83 mV/N の感度を示し、これは 1/1 よこ糸ヘム生地よりも約 245% 高くなります。
提案された全織物圧力センサーは、ひねる、曲げる、絞る、走る、歩くなどの生理学的動作を電気信号に与えることで電気信号を監視します。さらに、これらの布地圧力ゲージは耐久性の点で従来の布地に匹敵し、標準的な洗濯を 5 回行った後でも元の耐力の約 81.3% を保持します。さらに、製造された組織センサーは、人の歩行の連続セグメントに基づいて電気信号を生成するため、ヘルスケア システムで効果的です。
キム、DB、ハン、ジェイ、ソン、SM、キム、MS、チェ、BK、パク、SJ、ホン、HR、他（2022年）。エレクトロスピニングされたポリフッ化ビニリデン ナノファイバーをベースとしたファブリック圧電圧力センサーで、織りパターンに応じて 50 個のノズルが付いています。フレキシブルエレクトロニクスNPJ。https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6。
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Bhavna Kaveti は、インドのハイデラバード出身のサイエンス ライターです。彼女はインドのヴェールール工科大学で修士号と医学博士号を取得しています。メキシコのグアナファト大学で有機化学と医薬化学の博士号を取得しました。彼女の研究活動は、複素環に基づく生物活性分子の開発と合成に関連しており、多段階および多成分合成の経験があります。博士課程の研究では、生物学的活性をさらに機能化する可能性があると期待される、さまざまな複素環ベースの結合および融合ペプチド模倣分子の合成に取り組みました。論文や研究論文を書きながら、彼女は科学執筆とコミュニケーションに対する情熱を探求しました。
キャビティ、バフナー。（2022年8月11日）。ウェアラブル健康状態モニタリング用に設計されたフルファブリック圧力センサー。アゾナノ。2022 年 10 月 21 日 https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544 から取得。
キャビティ、バフナー。「ウェアラブル健康モニタリング用に設計された全組織圧力センサー」。アゾナノ。2022 年 10 月 21 日。2022 年 10 月 21 日。
キャビティ、バフナー。「ウェアラブル健康モニタリング用に設計された全組織圧力センサー」。アゾナノ。https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544。（2022年10月21日現在）。
キャビティ、バフナー。2022. ウェアラブル健康モニタリング用に設計された全面布製圧力センサー。AZoNano、2022 年 10 月 21 日にアクセス、https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544。
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