El sensor de tensión para dispositivos electrónicos portátiles combina alta sensibilidad con un amplio rango de detección

Los sensores de tensión suaves y estirables son invaluables para su uso en dispositivos electrónicos portátiles, como dispositivos de seguimiento de movimiento y sistemas de monitoreo fisiológico. Actualmente, sin embargo, el compromiso entre sensibilidad y rango de detección es un gran desafío. Los sensores de tensión que son capaces de detectar pequeñas deformaciones no se pueden estirar mucho, mientras que los que se pueden estirar a mayores longitudes normalmente no son muy sensibles.

Cuando se monitorea la fisiología y el movimiento humanos, la tensión de la piel oscila entre menos del 1 % y más del 50 %. Como tal, los sensores separados se utilizan normalmente para detectar tensiones sutiles (como las asociadas con el pulso sanguíneo y la respiración) y grandes tensiones (como la flexión de partes del cuerpo). Pero para monitorear ciertas enfermedades, sería preferible el uso de un solo dispositivo. En la enfermedad de Parkinson, por ejemplo, los sensores deben ser lo suficientemente sensibles para monitorear pequeños temblores mientras mantienen un rango lo suficientemente grande para medir los movimientos de las articulaciones.

Lo que realmente se necesita es un solo sensor que se pueda conectar a diferentes partes del cuerpo y pueda medir con precisión toda la gama de tensiones en la piel humana. Con este objetivo en mente, un equipo de Universidad Estatal de Carolina del Norte ha desarrollado un sensor de deformación resistivo flexible y suave que ofrece alta sensibilidad, amplio rango de detección y alta robustez.

"El nuevo sensor que hemos desarrollado es sensible y capaz de resistir una deformación significativa", explica el autor correspondiente. yong zhu en un comunicado de prensa. “Una característica adicional es que el sensor es muy robusto incluso cuando se sobreesfuerza, lo que significa que es poco probable que se rompa cuando la tensión aplicada excede accidentalmente el rango de detección”.

El sensor, descrito en Materiales e interfaces aplicados ACS, Mide la tensión midiendo los cambios en la resistencia eléctrica. El dispositivo está hecho de una red de nanocables de plata incrustada en el polímero elástico poli(dimetilsiloxano), con una serie de cortes mecánicos en su superficie superior, alternando desde ambos lados.

Cuando el sensor se estira, los cortes se abren. Esto obliga a la señal eléctrica a pasar de un flujo de corriente uniforme a través de las grietas cerradas a viajar más a lo largo de la trayectoria de conducción en zigzag definida por las grietas abiertas. Por lo tanto, la resistencia aumenta bajo la tensión aplicada. La apertura de los cortes también permite que el dispositivo soporte una deformación sustancial sin llegar a su punto de ruptura. "Esta característica, los cortes estampados, es lo que permite un mayor rango de deformación sin sacrificar la sensibilidad", dice el primer autor. Shuangwu.

El equipo realizó experimentos y análisis de elementos finitos para evaluar los efectos de la profundidad, la longitud y el paso de la hendidura en el rendimiento del sensor. El dispositivo optimizado exhibió un gran factor de calibre (la relación entre el cambio relativo en la resistencia eléctrica y la tensión mecánica) de 290.1 con un rango de detección de más del 22 %. También fue resistente al sobreesfuerzo y 1000 ciclos de carga repetidos.

Dispositivos de construcción

Para demostrar algunas aplicaciones potenciales de su nuevo sensor de tensión, Zhu, Wu y sus colegas lo integraron en sistemas portátiles de monitoreo de la salud que miden niveles de movimiento muy diferentes.

Primero, emplearon el sensor para controlar la presión arterial, lo que requiere una sensibilidad extremadamente alta. Usando una banda elástica para asegurar el sensor, lo colocaron en la muñeca de un voluntario para detectar la onda del pulso, una de las señales de tensión más pequeñas en la piel humana.

Cuando la sangre bombea a través de la vena, los extremos del sensor permanecen fijos en su lugar por la banda mientras se estira el centro, abriendo las grietas en su superficie superior.

Los investigadores demostraron que esta configuración podía capturar la onda del pulso de la arteria radial en la muñeca. Al colocar otro sensor de tensión en la arteria braquial más arriba en el brazo y registrar una segunda onda de pulso simultáneamente, pudieron medir la velocidad de onda de pulso promedio, lo que permitió el cálculo de la presión arterial.

En el siguiente ejemplo, el sensor se usó para monitorear grandes tensiones en la parte inferior de la espalda durante el movimiento, lo que tiene utilidad para la fisioterapia. Aquí, los investigadores integraron el sensor con una cinta atlética estirable y conectaron dos sensores en paralelo a lo largo de la columna vertebral en la parte inferior de la espalda de un voluntario. También conectaron una placa Bluetooth en la parte posterior para recopilar y transmitir las señales de detección.

Comenzando desde una posición sentada recta, el sujeto realizó una serie de movimientos mientras el sensor monitoreaba las tensiones en la parte baja de la espalda. Al inclinarse hacia adelante, ambos sensores respondieron con aumentos de resistencia. Mientras se inclinaba hacia adelante y hacia los lados, la resistencia del sensor del lado correspondiente permaneció casi constante mientras que el sensor del lado opuesto mostró una resistencia sustancialmente mayor.

El fotodiodo orgánico estirable podría mejorar el rendimiento de los dispositivos portátiles

Finalmente, para demostrar el uso del sensor en las interfaces hombre-máquina, los investigadores crearon un sensor táctil 3D suave que rastrea las tensiones normales y de corte y puede usarse para controlar un videojuego. También integraron un sensor de tensión en la yema del dedo de un guante que luego se utilizó para agarrar un vaso de agua, demostrando su potencial para la detección táctil para aplicaciones robóticas.

El equipo ahora está explorando la aplicación del sensor de tensión para aplicaciones biomédicas y deportivas. “Las aplicaciones biomédicas incluyen el seguimiento de patrones de movimiento durante la rehabilitación de pacientes con accidente cerebrovascular”, dice Zhu. Mundo de la física. “También estamos trabajando en la fabricación escalable de los sensores”.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• Platoblockchain. Inteligencia del Metaverso Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/