Pojawienie się przenośnych i przenośnych urządzeń elektronicznych całkowicie zrewolucjonizowało społeczeństwo. Przenośne urządzenia elektroniczne, takie jak telefony komórkowe, laptopy i smartwatche, ułatwiły życie ludzi. Dzięki internetowym rozmowom wideo można natychmiast połączyć się i zobaczyć na żywo swoich bliskich lub znajomych przebywających na drugim końcu globu. Wcześniej przemysł półprzewodników na bazie krzemu odegrał dużą rolę w rozwoju przemysłu elektronicznego i informacyjnego.
Jednak wraz z pojawieniem się nowych technologii, takich jak internet rzeczy (IoT), sztuczna inteligencja, zdalne monitorowanie stanu zdrowia, inteligentne domy, interakcja człowiek-maszyna itp., konwencjonalny przemysł oparty na krzemie staje przed nowymi wyzwaniami.
Obecnie elektronika do noszenia, charakteryzująca się zintegrowaną elastycznością mechaniczną i funkcjonalnością elektroniczną, wykazała niezwykły rozwój i postęp w porównaniu z konwencjonalną, sztywną elektroniką na bazie krzemu.
Dzięki najnowszym badaniom w dziedzinie inżynierii materiałowej możliwe jest nawet wytwarzanie obwodów elektronicznych, które są nie tylko elastyczne, ale także rozciągliwe, co umożliwia ich wykorzystanie w szerszym zakresie zastosowań.
Elastyczna i nadająca się do noszenia elektronika ma szerokie zastosowanie w branży medycznej i opiece zdrowotnej. Dzięki technologicznemu połączeniu sztucznej inteligencji i internetu rzeczy (IoT) z medycznymi urządzeniami elektronicznymi, takimi jak czujniki, siłowniki itp., możliwe stało się zdalne dokonywanie pomiarów i analizowanie pacjentów oraz zapewnianie im pożądanej opieki i leczenia.
Ponieważ elastyczne i rozciągliwe urządzenia i czujniki medyczne mogą owinąć się wokół ciała lub docelowego narządu i uzyskać pożądany kształt, dokonywane przez nie pomiary są dość dokładne.
Te elastyczne czujniki mogą być używane do pomiaru wielu danych pacjenta, takich jak tętno, ciśnienie krwi, częstość oddechów, pH, poziom glukozy, temperatura, pot, ślina itp., i mogą pomóc lekarzom we wczesnej diagnozie.
Czujniki nieelastyczne również zostały opracowane wcześniej i wykorzystują krzem jako podłoże, ale nie mogą dokładnie mierzyć parametrów fizjologicznych ze względu na swoją sztywność.
Elastyczny czujnik ma budowę warstwową, w której dolną warstwę stanowi podłoże wykonane z elastycznego materiału polimerowego. Powszechnie stosowane podłoża do produkcji czujników obejmują politereftalan etylenu (PET), poliimid (PI), polidimetylosiloksan (PDMS), polipirol, folię z tlenku indu i cyny (ITO) itp.
Oprócz warstwy podłoża czujnik ma dwie warstwy elektrod, górną warstwę elektrody i dolną warstwę elektrody, które służą do przewodzenia sygnału elektrycznego do czujnika lub z czujnika.
Warstwy elektrod dobiera się także tak, aby zapewniały pełną elastyczność zbliżoną do warstwy podłoża. Powszechnie stosowanymi materiałami do wykonania elektrod elastycznego czujnika są polimery przewodzące, nanodruty srebra (Ag) oraz siatka metalowa ze złota, miedzi lub srebra.
Najważniejszą warstwą czujnika jest warstwa aktywna, która jest umieszczona w środku czujnika. Materiał warstwy aktywnej jest zależny od rodzaju czujnika, czyli czy jest to czujnik ciśnienia, czujnik biochemiczny, czujnik temperatury, czujnik siły itp.
Jeśli czujnikiem jest czujnik ciśnienia, wówczas materiałem warstwy aktywnej może być materiał piezoelektryczny, który może przekształcić energię mechaniczną w postaci wibracji człowieka, pulsu, bicia serca itp. na sygnał elektryczny.
Podobnie, jeśli czujnikiem jest czujnik temperatury, wówczas materiałem warstwy aktywnej jest materiał termoelektryczny. W czujniku elastycznym również materiał warstwy aktywnej dobiera się tak, aby wykazywał wystarczającą elastyczność i wytrzymywał mechaniczne zginanie bez uszkodzeń.
Elastyczne czujniki ciśnienia zazwyczaj wykorzystują polifluorek winylidenu (PVDF), ZnO, P(VDF-TrFR) itp. jako piezoelektryczne warstwy aktywne o pożądanej elastyczności.
Opracowano różne techniki wytwarzania nadających się do noszenia i elastycznych czujników. Niektóre z technik stosowanych do wytwarzania tych czujników to drukowanie, elektroprzędzenie, przenoszenie wzorów i wytwarzanie przyrostowe.
Najpopularniejszą techniką wytwarzania tych czujników jest technika drukowania. Nadrukiem może być sitodruk, znany również jako druk analogowy, lub może być to druk cyfrowy, znany również jako druk atramentowy.
W sitodruku powstaje maska, która jest podawana do drukarki i służy do wydrukowania wymaganego wzoru. Prawie wszystkie wcześniejsze czujniki i obwody elektroniczne zostały wykonane tą techniką sitodruku.
W dzisiejszych czasach nastał druk cyfrowy, w którym nie jest wymagane wykonywanie maseczek. W druku cyfrowym wzór do wydrukowania jest cyfrowo wprowadzany do komputera i drukowany automatycznie na polecenie komputera.
Chociaż druk cyfrowy jest prosty, łatwy w użyciu i wymaga mniej wysiłku ręcznego, atrament używany w tej technice musi spełniać określone wymagania w zakresie lepkości i napięcia powierzchniowego.
Natomiast w technice elektroprzędzenia przygotowuje się roztwór polimerowy, który wprowadza się do strzykawki, która za pomocą pompy strzykawkowej jest doprowadzana do metalowej igły.
Do igły przykładane jest wysokie napięcie elektryczne, które służy do wyrzucania roztworu polimeru poprzez rozbicie napięcia powierzchniowego płynu. Podczas procesu wyrzucania polimer-rozpuszczalnik ulatnia się, a stabilny materiał polimerowy osadza się spiralnie i otrzymuje się pożądany produkt włóknisty.
Podobnie w technice przenoszenia wzoru wzór jest drukowany na sztywnej powierzchni przy użyciu maski zwykłą techniką drukowania, a następnie jest przenoszony na elastyczne podłoże.
Podczas przenoszenia wzoru należy zachować szczególną ostrożność, ponieważ wykonane wzory są delikatne i mogą się zepsuć, jeśli nie będą właściwie traktowane. Produkcja przyrostowa, znana również jako druk 3D, to najnowsza technika drukowania stosowana do tworzenia skomplikowanych urządzeń elektronicznych lub projektów obwodów elektrycznych.
W tej technice druk odbywa się warstwowo, a wzory nanoszone są jeden na drugi na elastycznym podłożu. Dzięki tej technice można skutecznie wytwarzać urządzenia elektroniczne o złożonej architekturze lub konstrukcji nano.
Elastyczne i nadające się do noszenia czujniki mają wiele zastosowań ogólnych i medycznych. Rozmieszczenie konkretnego czujnika w konkretnym obiekcie użyteczności publicznej zależy od rodzaju pomiaru lub toru, który ma zostać wykonany.
Typowo stosowanymi czujnikami są czujniki elektrochemiczne, czujniki ciśnienia lub naprężenia, czujniki temperatury i tak dalej. Kilka przykładów czujników noszonych na ciele pokazano na rysunku 1.
Wszystkie te czujniki posiadają warstwę aktywną, która mierzy określoną wielkość docelową i przetwarza tę wielkość na odpowiedni sygnał elektryczny. Do monitorowania opieki zdrowotnej można zastosować wiele rodzajów czujników elektrochemicznych, które obejmują pomiar glukozy, potu, śliny, pH, cholesterolu transportującego leki itp.
Podstawową zasadą czujników elektrochemicznych jest to, że reakcja chemiczna między materiałem wykrywającym a substancją docelową zmienia miejsca zamieszkania czujnika, co umożliwia śledzenie stanu zdrowia.
Czujnik ciśnienia lub czujnik siły to ważna kategoria czujników, które służą do pomiaru wielu kluczowych parametrów zdrowotnych, takich jak tętno, ciśnienie krwi, bicie serca itp.
Czujniki te wykrywają siłę mechaniczną w postaci napięcia, naprężenia, odkształcenia i momentu obrotowego i przekształcają je w sygnał elektryczny. W opiece zdrowotnej dostępnych jest wiele rodzajów czujników naprężenia, takich jak czujniki rezystancyjne, czujniki pojemnościowe i czujniki piezoelektryczne.
W czujniku rezystancyjnym opór tkaniny czujnikowej zmienia się po wykryciu sygnału mechanicznego, a wzrost rezystancji jest rozważany w obrębie kształtu ekstrady w obrębie sygnału elektrycznego.
Podobnie w czujniku pojemnościowym pojemność czujnika zmienia się wraz ze zmianą siły mechanicznej lub ciśnienia i jest odzwierciedlana w postaci sygnału elektrycznego.
Czujnik piezoelektryczny to czujnik, który wytwarza napięcie elektryczne na swoich zaciskach po wykryciu siły mechanicznej lub ciśnienia. Wiele materiałów ceramicznych i polimerów na bazie ołowiu wykazuje właściwości piezoelektryczne i jest bezpośrednio stosowanych w takich czujnikach.
Według najnowszych badań nad czujnikami ciśnienia, w celu zwiększenia wydajności lub czułości tych czujników można zastosować struktury porowate lub projekty nanoarchitektury wytwarzane w procesie wytwarzania przyrostowego.
Inną kategorią czujników do noszenia są czujniki temperatury. Czujniki te wykrywają zmianę temperatury ciała i odzwierciedlają sygnał wyjściowy w postaci sygnału elektrycznego.
Istnieją głównie dwa rodzaje czujników temperatury, a mianowicie czujniki rezystancyjne i czujniki piroelektryczne. W rezystancyjnym czujniku temperatury rezystancja zastosowanego materiału zmienia się wraz ze zmianą temperatury.
Dlatego wyjściowy sygnał elektryczny zmienia się odpowiednio. Tlenki metali, nanorurki CNT, grafen i kompozyty polimerowe są powszechnie stosowanymi materiałami do produkcji rezystancyjnych czujników temperatury.
W przypadku czujników piroelektrycznych polaryzacja materiału zmienia się wraz ze zmianą temperatury. Zmiana polaryzacji jest dalej wykorzystywana do generowania sygnału elektrycznego, który jest kalibrowany pod względem temperatury
Oprócz nich dostępne są obecnie także czujniki wielofunkcyjne. W czujniku wielofunkcyjnym kilka warstw o różnych funkcjach jest ułożonych jedna na drugiej i służy do jednoczesnego wykrywania wielu wielkości, takich jak temperatura, ciśnienie itp.
Te liczne warstwy są umieszczone pomiędzy elektrodami, a cała struktura jest osadzana na materiale podłoża składającym się z bazy polimerowej. Udało się wyprodukować wielofunkcyjny czujnik umożliwiający równoczesny pomiar odkształcenia i temperatury w służbie zdrowia.
Z powyższej dyskusji jasno wynika, że w ciągu ostatnich kilku lat elastyczne i nadające się do noszenia czujniki poczyniły ogromne postępy. Czujniki te w połączeniu ze sztuczną inteligencją i Internetem rzeczy znajdują wiele zastosowań w społeczeństwie. Wkład czujników ubieralnych w opiekę zdrowotną i medycynę jest niezwykły i oczekuje się, że w nadchodzącej przyszłości ich udział będzie jeszcze większy.
Całkiem obiecująco wyglądają czujniki wielofunkcyjne, które mogą mierzyć wiele wielkości jednocześnie. Ponadto technika wytwarzania przyrostowego okazuje się całkiem skuteczna w wytwarzaniu złożonych projektów 3D czujników do noszenia.
Koncepcja kontrolowanej porowatości czujników do noszenia w celu zwiększenia ich zdolności wykrywania jest również nowa i oczekuje się, że przyniesie dobre wyniki, jeśli zostanie wdrożona w inteligentny sposób.
Poproś o oddzwonienie!
Dziękujemy za zainteresowanie konsultantami TT. Wypełnij formularz, a my wkrótce się z Tobą skontaktujemy
ODBLOKUJ MOC
Twojego Pomysły
Podnieś swoją wiedzę patentową
Ekskluzywne spostrzeżenia czekają na Ciebie w naszym biuletynie
Poproś o oddzwonienie!
Dziękujemy za zainteresowanie konsultantami TT. Wypełnij formularz, a my wkrótce się z Tobą skontaktujemy
