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पहनने योग्य दबाव सेंसर मानव स्वास्थ्य की निगरानी और मानव-कंप्यूटर संपर्क को साकार करने में मदद कर सकते हैं। सार्वभौमिक उपकरण डिज़ाइन और यांत्रिक तनाव के प्रति उच्च संवेदनशीलता वाले दबाव सेंसर बनाने के प्रयास जारी हैं।
अध्ययन: 50 नोजल वाले इलेक्ट्रोस्पन पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड नैनोफाइबर पर आधारित बुनाई पैटर्न पर निर्भर टेक्सटाइल पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रेशर ट्रांसड्यूसर। चित्र स्रोत: अफ्रीकन स्टूडियो/Shutterstock.com
एनपीजे फ्लेक्सिबल इलेक्ट्रॉनिक्स पत्रिका में प्रकाशित एक लेख में पॉलीएथिलीन टेरेफ्थेलेट (पीईटी) ताना धागों और पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (पीवीडीएफ) बाने धागों का उपयोग करके कपड़ों के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रेशर ट्रांसड्यूसर के निर्माण की जानकारी दी गई है। बुनाई के पैटर्न पर आधारित दबाव माप के संबंध में विकसित प्रेशर सेंसर का प्रदर्शन लगभग 2 मीटर के कपड़े के पैमाने पर प्रदर्शित किया गया है।
परिणाम दर्शाते हैं कि 2/2 कैनार्ड डिज़ाइन का उपयोग करके अनुकूलित दबाव सेंसर की संवेदनशीलता 1/1 कैनार्ड डिज़ाइन की तुलना में 245% अधिक है। इसके अलावा, अनुकूलित कपड़ों के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए विभिन्न इनपुट का उपयोग किया गया, जिसमें लचीलापन, दबाव, झुर्रियाँ, मरोड़ और विभिन्न मानवीय गतिविधियाँ शामिल हैं। इस अध्ययन में, सेंसर पिक्सेल ऐरे वाला एक ऊतक-आधारित दबाव सेंसर स्थिर अवधारणात्मक विशेषताएँ और उच्च संवेदनशीलता प्रदर्शित करता है।
चित्र: 1. PVDF धागे और बहुक्रियाशील कपड़े तैयार करना। a PVDF नैनोफाइबर के संरेखित मैट बनाने के लिए इस्तेमाल की जाने वाली 50-नोजल इलेक्ट्रोस्पिनिंग प्रक्रिया का आरेख, जहाँ तांबे की छड़ें एक कन्वेयर बेल्ट पर समानांतर में रखी जाती हैं, और चरण चार-परत मोनोफिलामेंट फिलामेंट्स से तीन ब्रेडेड संरचनाएँ तैयार करना हैं। b संरेखित PVDF फाइबर की SEM छवि और व्यास वितरण। c चार-परत वाले धागे की SEM छवि। d मोड़ के एक कार्य के रूप में चार-परत वाले धागे के टूटने पर तन्य शक्ति और विकृति। e अल्फा और बीटा चरणों की उपस्थिति को दर्शाने वाले चार-परत वाले धागे का एक्स-रे विवर्तन पैटर्न। © किम, डीबी, हान, जे., सुंग, एसएम, किम, एमएस, चोई, बीके, पार्क, एसजे, हांग, एच. आर. एट अल. (2022)
बुद्धिमान रोबोट और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के तेजी से विकास ने लचीले दबाव सेंसर पर आधारित कई नए उपकरणों को जन्म दिया है, और इलेक्ट्रॉनिक्स, उद्योग और चिकित्सा में उनके अनुप्रयोग तेजी से विकसित हो रहे हैं।
पीजोइलेक्ट्रिसिटी एक विद्युत आवेश है जो किसी पदार्थ पर उत्पन्न होता है और उस पर यांत्रिक तनाव पड़ता है। असममित पदार्थों में पीजोइलेक्ट्रिसिटी यांत्रिक तनाव और विद्युत आवेश के बीच एक रैखिक उत्क्रमणीय संबंध की अनुमति देती है। इसलिए, जब पीजोइलेक्ट्रिक पदार्थ के किसी टुकड़े को भौतिक रूप से विकृत किया जाता है, तो एक विद्युत आवेश उत्पन्न होता है, और इसके विपरीत।
पीज़ोइलेक्ट्रिक उपकरण कम बिजली की खपत करने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एक वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत प्रदान करने हेतु एक मुक्त यांत्रिक स्रोत का उपयोग कर सकते हैं। उपकरण की सामग्री का प्रकार और संरचना, विद्युत-यांत्रिक युग्मन पर आधारित स्पर्श उपकरणों के उत्पादन के लिए प्रमुख मानदंड हैं। उच्च वोल्टेज वाले अकार्बनिक पदार्थों के अलावा, पहनने योग्य उपकरणों में यांत्रिक रूप से लचीले कार्बनिक पदार्थों का भी परीक्षण किया गया है।
इलेक्ट्रोस्पिनिंग विधियों द्वारा नैनोफाइबर में संसाधित पॉलिमर का व्यापक रूप से पीज़ोइलेक्ट्रिक ऊर्जा भंडारण उपकरणों के रूप में उपयोग किया जाता है। पीज़ोइलेक्ट्रिक पॉलीमर नैनोफाइबर विभिन्न वातावरणों में यांत्रिक लोच पर आधारित विद्युत-यांत्रिक उत्पादन प्रदान करके पहनने योग्य अनुप्रयोगों के लिए कपड़े-आधारित डिज़ाइन संरचनाओं के निर्माण को सुगम बनाते हैं।
इस उद्देश्य के लिए, पीज़ोइलेक्ट्रिक पॉलिमर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जिसमें पीवीडीएफ और उसके व्युत्पन्न शामिल हैं, जिनमें प्रबल पीज़ोइलेक्ट्रिसिटी होती है। इन पीवीडीएफ रेशों को खींचकर सेंसर और जनरेटर सहित पीज़ोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगों के लिए फ़ैब्रिक में काता जाता है।
चित्र 2. बड़े क्षेत्र के ऊतक और उनके भौतिक गुण। 195 सेमी x 50 सेमी तक के एक बड़े 2/2 वेफ्ट रिब पैटर्न का चित्र। b एक PVDF वेफ्ट और दो PET बेस के बीच जुड़े हुए 2/2 वेफ्ट पैटर्न का SEM चित्र। c 1/1, 2/2 और 3/3 वेफ्ट किनारों वाले विभिन्न कपड़ों में ब्रेक पर मापांक और विकृति। d कपड़े के लिए मापा गया लटकने का कोण है। © किम, डीबी, हान, जे., सुंग, एसएम, किम, एमएस, चोई, बीके, पार्क, एसजे, हांग, एच. आर. एट अल. (2022)
वर्तमान कार्य में, PVDF नैनोफाइबर तंतुओं पर आधारित फ़ैब्रिक जनरेटर का निर्माण एक क्रमिक 50-जेट इलेक्ट्रोस्पिनिंग प्रक्रिया का उपयोग करके किया गया है, जहाँ 50 नोजल के उपयोग से एक घूर्णन बेल्ट कन्वेयर बेल्ट का उपयोग करके नैनोफाइबर मैट का उत्पादन सुगम होता है। PET धागे का उपयोग करके विभिन्न बुनाई संरचनाएँ बनाई जाती हैं, जिनमें 1/1 (सादा), 2/2 और 3/3 वेफ्ट रिब्स शामिल हैं।
पिछले अध्ययनों में फाइबर संग्रहण ड्रमों पर संरेखित तांबे के तारों के रूप में फाइबर संरेखण के लिए तांबे के उपयोग की सूचना दी गई है। हालाँकि, वर्तमान कार्य में एक कन्वेयर बेल्ट पर 1.5 सेमी की दूरी पर समानांतर तांबे की छड़ें लगाई गई हैं, जो आने वाले आवेशित फाइबर और तांबे के फाइबर से जुड़े फाइबर की सतह पर आवेशों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक अंतःक्रियाओं के आधार पर स्पिनरेट्स को संरेखित करने में मदद करती हैं।
पहले वर्णित कैपेसिटिव या पीज़ोरेज़िस्टिव सेंसरों के विपरीत, इस शोधपत्र में प्रस्तावित ऊतक दाब सेंसर 0.02 से 694 न्यूटन तक के इनपुट बलों की एक विस्तृत श्रृंखला पर प्रतिक्रिया करता है। इसके अलावा, प्रस्तावित फ़ैब्रिक दाब सेंसर ने पाँच मानक धुलाई के बाद भी अपने मूल इनपुट का 81.3% बरकरार रखा, जो दाब सेंसर के स्थायित्व को दर्शाता है।
इसके अलावा, 1/1, 2/2, और 3/3 रिब बुनाई के लिए वोल्टेज और वर्तमान परिणामों का मूल्यांकन करने वाले संवेदनशीलता मूल्यों ने 2/2 और 3/3 रिब दबाव के लिए 83 और 36 mV/N की उच्च वोल्टेज संवेदनशीलता दिखाई। 3 वेफ्ट सेंसर ने 24 mV/N वेफ्ट प्रेशर सेंसर 1/1 की तुलना में क्रमशः इन दबाव सेंसर के लिए 245% और 50% अधिक संवेदनशीलता का प्रदर्शन किया।
चित्र: 3. पूर्ण-कपड़ा दाब संवेदक का विस्तृत अनुप्रयोग। a 2/2 ताने के रिब्ड कपड़े से बने इनसोल दाब संवेदक का उदाहरण, जिसे दो वृत्ताकार इलेक्ट्रोडों के नीचे डाला गया है ताकि अगले पैर (पैर की उंगलियों के ठीक नीचे) और एड़ी की गति का पता लगाया जा सके। b चलने की प्रक्रिया में प्रत्येक चरण के अलग-अलग चरणों का योजनाबद्ध निरूपण: एड़ी का उतरना, जमीन पर टिकना, पैर का संपर्क और पैर उठाना। c चाल विश्लेषण के लिए चाल चरण के प्रत्येक भाग की प्रतिक्रिया में वोल्टेज आउटपुट संकेत और d चाल के प्रत्येक चरण से संबद्ध प्रवर्धित विद्युत संकेत। e प्रत्येक पिक्सेल से अलग-अलग संकेतों का पता लगाने के लिए प्रवाहकीय रेखाओं वाले 12 आयताकार पिक्सेल कोशिकाओं की एक सरणी के साथ एक पूर्ण ऊतक दाब संवेदक का योजनाबद्ध। f प्रत्येक पिक्सेल पर उंगली दबाने से उत्पन्न विद्युत संकेत का 3D मानचित्र। g विद्युत संकेत केवल उंगली से दबाए गए पिक्सेल में ही पाया जाता है, और अन्य पिक्सेल में कोई पार्श्व संकेत उत्पन्न नहीं होता है, जो यह पुष्टि करता है कि कोई क्रॉसस्टॉक नहीं है। © किम, डीबी, हान, जे., सुंग, एसएम, किम, एमएस, चोई, बीके, पार्क, एसजे, हांग, एच. आर एट अल. (2022)
निष्कर्षतः, यह अध्ययन PVDF नैनोफाइबर पीज़ोइलेक्ट्रिक तंतुओं से युक्त एक अत्यधिक संवेदनशील और पहनने योग्य ऊतक दाब संवेदक को प्रदर्शित करता है। निर्मित दाब संवेदकों में 0.02 से 694 न्यूटन तक के इनपुट बलों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है।
एक प्रोटोटाइप इलेक्ट्रिक स्पिनिंग मशीन पर पचास नोजल का इस्तेमाल किया गया और तांबे की छड़ों पर आधारित बैच कन्वेयर का इस्तेमाल करके नैनोफाइबर की एक सतत चटाई तैयार की गई। आंतरायिक संपीड़न के तहत, निर्मित 2/2 वेफ्ट हेम कपड़े ने 83 mV/N की संवेदनशीलता दिखाई, जो 1/1 वेफ्ट हेम कपड़े की तुलना में लगभग 245% अधिक है।
प्रस्तावित ऑल-वोवन प्रेशर सेंसर, शारीरिक गतिविधियों, जैसे मुड़ना, झुकना, दबाना, दौड़ना और चलना, के आधार पर विद्युत संकेतों की निगरानी करते हैं। इसके अलावा, ये फैब्रिक प्रेशर गेज टिकाऊपन के मामले में पारंपरिक कपड़ों के बराबर हैं, और 5 बार सामान्य धुलाई के बाद भी अपनी मूल क्षमता का लगभग 81.3% बनाए रखते हैं। इसके अलावा, निर्मित टिशू सेंसर व्यक्ति के चलने के निरंतर खंडों के आधार पर विद्युत संकेत उत्पन्न करके स्वास्थ्य सेवा प्रणाली में प्रभावी है।
किम, डीबी, हान, जे., सुंग, एसएम, किम, एमएस, चोई, बीके, पार्क, एसजे, हांग, एचआर, आदि (2022)। बुनाई के पैटर्न के आधार पर, 50 नोजल वाले इलेक्ट्रोस्पन पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड नैनोफाइबर पर आधारित फ़ैब्रिक पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रेशर सेंसर। लचीला इलेक्ट्रॉनिक्स एनपीजे। https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6।
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भावना कावेती हैदराबाद, भारत की एक विज्ञान लेखिका हैं। उन्होंने वेल्लोर इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, भारत से एमएससी और एमडी की उपाधि प्राप्त की है। उन्होंने मेक्सिको के गुआनाजुआटो विश्वविद्यालय से कार्बनिक एवं औषधीय रसायन विज्ञान में स्नातकोत्तर उपाधि प्राप्त की है। उनका शोध कार्य हेट्रोसाइकल पर आधारित जैवसक्रिय अणुओं के विकास और संश्लेषण से संबंधित है, और उन्हें बहु-चरणीय और बहु-घटक संश्लेषण का अनुभव है। अपने डॉक्टरेट शोध के दौरान, उन्होंने विभिन्न हेट्रोसाइकल-आधारित बंधित और संलयित पेप्टिडोमिमेटिक अणुओं के संश्लेषण पर काम किया, जिनमें जैविक क्रियाशीलता को और अधिक क्रियाशील बनाने की क्षमता होने की संभावना है। शोध प्रबंध और शोध पत्र लिखते समय, उन्होंने वैज्ञानिक लेखन और संचार के प्रति अपने जुनून को भी तलाशा।
कैविटी, बफ़नर। (11 अगस्त, 2022)। पहनने योग्य स्वास्थ्य निगरानी के लिए डिज़ाइन किया गया पूर्ण फ़ैब्रिक प्रेशर सेंसर। एज़ोनानो। 21 अक्टूबर, 2022 को https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544 से लिया गया।
कैविटी, बफ़नर। "पहनने योग्य स्वास्थ्य निगरानी के लिए डिज़ाइन किया गया एक संपूर्ण-ऊतक दबाव सेंसर"। AZonano।21 अक्टूबर, 2022 .21 अक्टूबर, 2022 .
कैविटी, बफ़नर। "पहनने योग्य स्वास्थ्य निगरानी के लिए डिज़ाइन किया गया एक संपूर्ण-ऊतक दाब सेंसर"। एज़ोनानो। https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (21 अक्टूबर, 2022 तक)।
कैविटी, बफ़नर। 2022. पहनने योग्य स्वास्थ्य निगरानी के लिए डिज़ाइन किया गया ऑल-क्लॉथ प्रेशर सेंसर। AZoNano, 21 अक्टूबर 2022 को एक्सेस किया गया, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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