पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए स्ट्रेन सेंसर बड़ी सेंसिंग रेंज के साथ उच्च संवेदनशीलता को जोड़ती है

पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे मोशन ट्रैकिंग डिवाइस और फिजियोलॉजिकल मॉनिटरिंग सिस्टम में उपयोग के लिए सॉफ्ट और स्ट्रेचेबल स्ट्रेन सेंसर अमूल्य हैं। हालांकि, वर्तमान में, संवेदनशीलता और संवेदन सीमा के बीच व्यापार-बंद एक बड़ी चुनौती है। तनाव संवेदक जो छोटे विकृतियों का पता लगाने में सक्षम हैं, उन्हें बहुत दूर तक नहीं बढ़ाया जा सकता है, जबकि जिन्हें अधिक लंबाई तक बढ़ाया जा सकता है, वे आमतौर पर बहुत संवेदनशील नहीं होते हैं।

मानव फिजियोलॉजी और गति की निगरानी करते समय, त्वचा का तनाव 1% से 50% से अधिक तक होता है। जैसे, अलग-अलग सेंसर का उपयोग आमतौर पर सूक्ष्म तनाव (जैसे कि रक्त नाड़ी और श्वसन से जुड़े) और बड़े तनाव (जैसे शरीर के अंगों को मोड़ना) का पता लगाने के लिए किया जाता है। लेकिन कुछ बीमारियों की निगरानी के लिए एक ही डिवाइस का इस्तेमाल बेहतर होगा। पार्किंसंस रोग में, उदाहरण के लिए, संवेदकों को इतना संवेदनशील होना चाहिए कि वे छोटे झटकों की निगरानी कर सकें और साथ ही संयुक्त गतिविधियों को मापने के लिए एक बड़ी पर्याप्त सीमा बनाए रख सकें।

वास्तव में जिस चीज की आवश्यकता है वह एक एकल संवेदक है जिसे शरीर के विभिन्न भागों से जोड़ा जा सकता है और मानव त्वचा पर तनाव की पूरी श्रृंखला को सटीक रूप से माप सकता है। इस लक्ष्य को ध्यान में रखते हुए एक टीम उत्तरी कैरोलिना राज्य विश्वविद्यालय एक सॉफ्ट स्ट्रेचेबल रेसिस्टिव स्ट्रेन सेंसर विकसित किया है जो उच्च संवेदनशीलता, बड़ी सेंसिंग रेंज और उच्च मजबूती प्रदान करता है।

संबंधित लेखक बताते हैं, "हमने जो नया सेंसर विकसित किया है वह संवेदनशील और महत्वपूर्ण विरूपण को सहन करने में सक्षम है।" योंग झू एक प्रेस बयान में। "एक अतिरिक्त विशेषता यह है कि ओवरस्ट्रेन होने पर भी सेंसर अत्यधिक मजबूत होता है, जिसका अर्थ है कि जब लागू तनाव संवेदन सीमा से अधिक हो जाता है तो इसके टूटने की संभावना नहीं है।"

सेंसर, में वर्णित है एसीएस लागू सामग्री और इंटरफेस, विद्युत प्रतिरोध में परिवर्तन को मापकर तनाव को मापता है। डिवाइस को लोचदार पॉलीमर पॉली (डाइमिथाइलसिलोक्सेन) में एम्बेडेड सिल्वर नैनोवायर नेटवर्क से बनाया गया है, इसकी ऊपरी सतह में यांत्रिक कटौती की एक श्रृंखला के साथ, दोनों ओर से बारी-बारी से।

जब सेंसर को खींचा जाता है, तो कट खुल जाते हैं। यह विद्युत संकेत को बंद दरारों में एक समान वर्तमान प्रवाह से संक्रमण के लिए खुली दरारों द्वारा परिभाषित ज़िगज़ैग संचालन पथ के साथ आगे बढ़ने के लिए मजबूर करता है। इस प्रकार लागू तनाव के तहत प्रतिरोध बढ़ता है। कटों के खुलने से डिवाइस अपने ब्रेकिंग पॉइंट तक पहुंचे बिना पर्याप्त विरूपण का सामना करने की अनुमति देता है। पहले लेखक कहते हैं, "यह सुविधा - पैटर्न वाली कटौती - संवेदनशीलता को बलि किए बिना विरूपण की एक बड़ी श्रृंखला को सक्षम बनाती है।" शुआंग वू.

टीम ने सेंसर प्रदर्शन पर भट्ठा गहराई, लंबाई और पिच के प्रभावों का आकलन करने के लिए प्रयोग और परिमित तत्व विश्लेषण किया। अनुकूलित डिवाइस ने 290.1% से अधिक की संवेदन सीमा के साथ 22 ​​का एक बड़ा गेज कारक (यांत्रिक तनाव के लिए विद्युत प्रतिरोध में सापेक्ष परिवर्तन का अनुपात) प्रदर्शित किया। यह ओवरस्ट्रेन और 1000 बार-बार लोडिंग चक्रों के लिए भी मजबूत था।

भवन निर्माण उपकरण

अपने नए तनाव संवेदक के कुछ संभावित अनुप्रयोगों को प्रदर्शित करने के लिए, झू, वू और सहयोगियों ने इसे पहनने योग्य स्वास्थ्य निगरानी प्रणालियों में एकीकृत किया जो गति के विभिन्न स्तरों को मापते हैं।

सबसे पहले, उन्होंने सेंसर को रक्तचाप की निगरानी के लिए नियोजित किया, जिसके लिए अत्यधिक उच्च संवेदनशीलता की आवश्यकता होती है। सेंसर को सुरक्षित करने के लिए रबर बैंड का उपयोग करते हुए, उन्होंने पल्स वेव का पता लगाने के लिए इसे एक स्वयंसेवक की कलाई पर रखा - मानव त्वचा पर सबसे छोटे तनाव संकेतों में से एक।

जब रक्त शिरा के माध्यम से पंप करता है, तो सेंसर के छोर बैंड द्वारा जगह में स्थिर रहते हैं, जबकि केंद्र को फैलाया जाता है, जिससे इसकी ऊपरी सतह पर दरारें खुल जाती हैं।

शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह सेट-अप कलाई पर रेडियल धमनी से पल्स वेव को कैप्चर कर सकता है। बांह के ऊपर बाहु धमनी पर एक और तनाव संवेदक रखकर और एक साथ दूसरी नाड़ी तरंग रिकॉर्ड करके, वे औसत नाड़ी तरंग वेग को माप सकते हैं, जिससे रक्तचाप की गणना सक्षम हो जाती है।

अगले उदाहरण में, संवेदक का उपयोग गति के दौरान पीठ के निचले हिस्से पर बड़े तनाव की निगरानी के लिए किया गया था, जिसकी भौतिक चिकित्सा के लिए उपयोगिता है। यहां, शोधकर्ताओं ने सेंसर को स्ट्रेचेबल एथलेटिक टेप के साथ एकीकृत किया और एक स्वयंसेवक की पीठ के निचले हिस्से पर रीढ़ के समानांतर दो सेंसर लगाए। उन्होंने संवेदन संकेतों को इकट्ठा करने और प्रसारित करने के लिए पीठ पर एक ब्लूटूथ बोर्ड भी लगाया।

बैठने की सीधी स्थिति से शुरू करते हुए, विषय ने आंदोलनों की एक श्रृंखला का प्रदर्शन किया, जबकि सेंसर ने पीठ के निचले हिस्से के तनाव की निगरानी की। जब आगे की ओर झुकते हैं, तो दोनों सेंसर प्रतिरोध में वृद्धि के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। आगे की ओर झुकते और बग़ल में झुके होने के दौरान, संबंधित पक्ष के सेंसर का प्रतिरोध स्थिर बना रहा, जबकि विपरीत दिशा के सेंसर ने प्रतिरोध में काफी वृद्धि दिखाई।

स्ट्रेचेबल ऑर्गेनिक फोटोडायोड पहनने योग्य उपकरणों के प्रदर्शन में सुधार कर सकता है

अंत में, मानव-मशीन इंटरफेस में सेंसर के उपयोग को प्रदर्शित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक सॉफ्ट 3डी टच सेंसर बनाया जो सामान्य और कतरनी तनाव दोनों को ट्रैक करता है और इसका उपयोग वीडियो गेम को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। उन्होंने एक दस्ताने की उंगलियों पर एक तनाव संवेदक भी एकीकृत किया जो तब रोबोटिक्स अनुप्रयोगों के लिए स्पर्श संवेदन के लिए अपनी क्षमता का प्रदर्शन करते हुए एक गिलास पानी को पकड़ने के लिए इस्तेमाल किया गया था।

टीम अब बायोमेडिकल और खेल अनुप्रयोगों के लिए स्ट्रेन सेंसर के अनुप्रयोग की खोज कर रही है। "बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में स्ट्रोक रोगियों के पुनर्वास के दौरान निगरानी आंदोलन पैटर्न शामिल हैं," झू बताते हैं भौतिकी की दुनिया. "हम सेंसर के स्केलेबल निर्माण पर भी काम कर रहे हैं।"

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/