GLI SCIENZIATI FANNO UN PASSO AVANTI NEI DISPOSITIVI INDOSSABILI STAMPATI IN 3D CON SENSORI AUTOALIMENTATI
Basati su un esclusivo polimero PVDF caricato con bario, i dispositivi completamente stampati del team sono in grado di raccogliere efficacemente l’energia piezoelettrica generata dal movimento umano. Quando sono stati integrati in un array, i sensori si sono dimostrati in grado di utilizzare questa carica per rilevare gli input di pressione e convertirli in segnali, un progresso significativo nello sviluppo di componenti elettronici indossabili additivi ad alte prestazioni.
Dato il potenziale dei sensori autoalimentati nella creazione di dispositivi di monitoraggio medicali o sportivi indossabili, non sorprende che siano diventati un argomento di ricerca sempre più caldo. A differenza dei normali attuatori a batteria, le tecnologie autoalimentate sono spesso più compatte ed eco-compatibili, pur essendo anche più economiche da realizzare.
I dispositivi piezoelettrici sono particolarmente promettenti in questo settore grazie alla loro flessibilità, potenza netta e facilità di fabbricazione, oltre alle prestazioni migliorate rispetto alle fonti di energia triboelettrica (ad esempio statica). Sebbene il PVDF sia emerso come un materiale di base popolare per la stampa 3D di questi sensori, spesso deve essere riempito con un additivo nucleante, al fine di ottenere le sue prestazioni piezoelettriche ottimali.
In studi precedenti, la miscelazione del materiale con polimeri ha prodotto dispositivi con efficacia limitata, mentre l’aggiunta di titanato di bario (BTO) è stata trovata per aumentare le proprietà desiderabili, ma ha causato l’aggregazione delle particelle. Per combattere questo, gli scienziati hanno proposto sensori di stampa 3D che utilizzano ingredienti simili, anche se in una nuova struttura “a forma di tenone a mortasa”.
Una volta che i ricercatori hanno identificato la formulazione PVDF-BTO ottimale, hanno implementato una stampante 3D montata su un braccio robotico Musashi Engineering , per distribuire il materiale in un film. Una pasta d’argento è stata quindi stampata sulla superficie del dispositivo, prima che i nastri di nichel venissero utilizzati per marcare i suoi elettrodi ed è stato sottoposto a polarizzazione sotto un campo elettrico.
I sensori risultanti sono stati disposti in una matrice 7 × 7 cm 2 a forma di U e sottoposti a test di caratterizzazione. I risultati iniziali non hanno rivelato alcuna sedimentazione evidente di BTO nella resina, un importante precursore di potenziali applicazioni industriali. È interessante notare che il team ha anche scoperto che l’aumento del livello di concentrazione di BTO nei film ha avuto un impatto correlato sulle loro proprietà piezoelettriche.
Ad esempio, quei prototipi costituiti dal 10% di nanoparticelle di bario (NP) hanno mostrato una corrente di 24,3 pC / N, mentre il caricamento dei campioni con una concentrazione del 50%, l’ha aumentata a 69,1 pC / N. Date le loro prestazioni ottimali, questi ultimi sensori sono stati successivamente impiegati all’interno di valutazioni sportive, in cui sono stati montati su indumenti protettivi da taekwondo.
Quando vengono colpiti, i dispositivi sono stati in grado di rilevare i diversi livelli di forza applicati in base alla quantità di tensione generata, cosa che potrebbe rivelarsi utile come strumento di allenamento degli atleti. Data la flessibilità del loro array, gli scienziati propongono anche che potrebbe essere stampato in 3D su altri dispositivi indossabili in futuro, consentendo loro di monitorare varie attività sportive senza la necessità di fonti di alimentazione esterne.
Potenziale elettrizzante del piezoelettrico
La stampa 3D con materiali piezoelettrici consente la produzione di dispositivi senza batteria con parti mobili che potrebbero rivelarsi ideali per tutti i tipi di applicazioni cliniche e robotiche morbide.
Scienziati dell’Università del Wisconsin-Madison hanno utilizzato la tecnologia per stampare vasi sanguigni in 3D in grado di monitorare a distanza la pressione sanguigna di un paziente. I dispositivi tubolari emettono impulsi piezoelettrici, avvisando i pazienti quando hanno bisogno di consultare un medico urgente, senza la necessità di una fonte di alimentazione esterna.
Un consorzio di ricercatori cinesi, nel frattempo, ha stampato in 3D un dito robotico autoalimentato in grado di rilevare i cambiamenti nella curvatura senza utilizzare una batteria convenzionale. Il team spera che la cifra additiva multimateriale ispirerà lo sviluppo di altri robotici soft piezoelettrici in futuro.
Quando si tratta di nuovi materiali, anche gli ingegneri del Virginia Polytechnic Institute e della State University hanno compiuto progressi significativi. In una recente ricerca condotta lì, un team ha sviluppato una ceramica piezoelettrica per la stampa 3D DLP e l’ha utilizzata per creare varie strutture autosufficienti complesse.
I risultati dei ricercatori sono descritti in dettaglio nel loro documento intitolato ” Nanocompositi di titanato di bario / polivinilidene fluoruro di titanato di bario strutturati idrofobici strutturati con giunti a tenone per sensori indossabili autoalimentati e stampati” . “La ricerca è stata scritta in collaborazione con Hai Li, Hoseong Song, Mengjie Long, Ghuzanfar Saeeda e Sooman Lim.
