O sensor de tensão para eletrônicos vestíveis combina alta sensibilidade com ampla faixa de detecção

Sensores de tensão macios e elásticos são inestimáveis ​​para uso em eletrônicos vestíveis, como dispositivos de rastreamento de movimento e sistemas de monitoramento fisiológico. Atualmente, no entanto, o compromisso entre sensibilidade e faixa de detecção é um grande desafio. Sensores de deformação que são capazes de detectar pequenas deformações não podem ser esticados muito longe, enquanto aqueles que podem ser esticados em comprimentos maiores normalmente não são muito sensíveis.

Ao monitorar a fisiologia e o movimento humano, a tensão da pele varia de menos de 1% a mais de 50%. Como tal, sensores separados são normalmente usados ​​para detectar tensões sutis (como aquelas associadas ao pulso sanguíneo e respiração) e grandes tensões (como flexão de partes do corpo). Mas para monitorar certas doenças, seria preferível o uso de um único dispositivo. Na doença de Parkinson, por exemplo, os sensores devem ser sensíveis o suficiente para monitorar pequenos tremores, mantendo um alcance grande o suficiente para medir os movimentos das articulações.

O que é realmente necessário é um único sensor que possa ser conectado a diferentes partes do corpo e possa medir com precisão toda a gama de tensões na pele humana. Com esse objetivo em mente, uma equipe da Universidade Estadual da Carolina do Norte desenvolveu um sensor de tensão resistiva elástico macio que oferece alta sensibilidade, ampla faixa de detecção e alta robustez.

“O novo sensor que desenvolvemos é sensível e capaz de suportar deformações significativas”, explica o autor correspondente Yong Zhu em comunicado à imprensa. “Uma característica adicional é que o sensor é altamente robusto mesmo quando sobrecarregado, o que significa que é improvável que quebre quando a tensão aplicada exceder acidentalmente a faixa de detecção.”

O sensor, descrito em Materiais e interfaces aplicados ACS, mede a tensão medindo mudanças na resistência elétrica. O dispositivo é feito de uma rede de nanofios de prata embutida no polímero elástico poli(dimetilsiloxano), com uma série de cortes mecânicos em sua superfície superior, alternados em ambos os lados.

Quando o sensor é esticado, os cortes se abrem. Isso força o sinal elétrico a transitar de um fluxo de corrente uniforme através das trincas fechadas para viajar ainda mais ao longo do caminho condutor em zigue-zague definido pelas trincas abertas. Assim, a resistência aumenta sob tensão aplicada. A abertura dos cortes também permite que o dispositivo resista a deformações substanciais sem atingir seu ponto de ruptura. “Esse recurso – os cortes padronizados – é o que permite uma maior gama de deformação sem sacrificar a sensibilidade”, diz o primeiro autor Shuang Wu.

A equipe realizou experimentos e análises de elementos finitos para avaliar os efeitos da profundidade, comprimento e inclinação da fenda no desempenho do sensor. O dispositivo otimizado exibiu um grande fator de calibre (a relação entre a mudança relativa na resistência elétrica e a tensão mecânica) de 290.1 com uma faixa de detecção de mais de 22%. Também era robusto para sobrecarga e 1000 ciclos de carregamento repetidos.

Dispositivos de construção

Para demonstrar algumas aplicações potenciais de seu novo sensor de tensão, Zhu, Wu e seus colegas o integraram em sistemas de monitoramento de saúde vestíveis que medem níveis de movimento muito diferentes.

Primeiro, eles empregaram o sensor para monitorar a pressão arterial, o que exige uma sensibilidade extremamente alta. Usando um elástico para prender o sensor, eles o colocaram no pulso de um voluntário para detectar a onda de pulso – um dos menores sinais de tensão na pele humana.

Quando o sangue é bombeado pela veia, as pontas do sensor permanecem fixadas no lugar pela banda enquanto o centro é esticado, abrindo as rachaduras em sua superfície superior.

Os pesquisadores mostraram que esta configuração poderia capturar a onda de pulso da artéria radial no pulso. Ao colocar outro sensor de tensão na artéria braquial mais acima no braço e registrar uma segunda onda de pulso simultaneamente, eles puderam medir a velocidade média da onda de pulso, permitindo o cálculo da pressão arterial.

No próximo exemplo, o sensor foi usado para monitorar grandes tensões na parte inferior das costas durante o movimento, o que é útil para fisioterapia. Aqui, os pesquisadores integraram o sensor com uma fita atlética elástica e anexaram dois sensores em paralelo ao longo da coluna na parte inferior das costas de um voluntário. Eles também anexaram uma placa Bluetooth na parte traseira para coletar e transmitir os sinais de detecção.

A partir de uma posição sentada ereta, o sujeito executou uma série de movimentos enquanto o sensor monitorava as tensões na região lombar. Ao se inclinar para frente, ambos os sensores responderam com aumentos de resistência. Ao inclinar-se para a frente e inclinar-se para o lado, a resistência do sensor no lado correspondente permaneceu quase constante, enquanto o sensor no lado oposto mostrou uma resistência substancialmente aumentada.

Fotodiodo orgânico esticável pode melhorar o desempenho de dispositivos vestíveis

Finalmente, para demonstrar o uso do sensor em interfaces homem-máquina, os pesquisadores criaram um sensor de toque 3D suave que rastreia tensões normais e de cisalhamento e pode ser usado para controlar um videogame. Eles também integraram um sensor de tensão na ponta do dedo de uma luva que foi usada para segurar um copo d'água, demonstrando seu potencial de detecção tátil para aplicações robóticas.

A equipe agora está explorando a aplicação do sensor de tensão para aplicações biomédicas e esportivas. “As aplicações biomédicas incluem o monitoramento de padrões de movimento durante a reabilitação de pacientes com AVC”, diz Zhu Mundo da física. “Também estamos trabalhando na fabricação escalável dos sensores.”

• Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
• Platoblockchain. Inteligência Metaverso Web3. Conhecimento Ampliado. Acesse aqui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/