Studie maakt gebruik van elektrogesponnen nanovezels om flexibele piëzo-elektrische sensoren te verbeteren

Flexibele piëzo-elektrische sensoren zijn essentieel om de bewegingen van zowel mensen als humanoïde robots te monitoren. Bestaande ontwerpen zijn echter kostbaar of hebben een beperkte gevoeligheid.

In een recent onderzoek hebben onderzoekers uit Japan deze problemen aangepakt door een nieuw piëzo-elektrisch composietmateriaal te ontwikkelen, gemaakt van elektrogesponnen nanovezels van polyvinylideenfluoride gecombineerd met dopamine. Sensoren gemaakt van dit materiaal vertoonden aanzienlijke verbeteringen in prestaties en stabiliteit tegen lage kosten, wat veelbelovende vooruitgang op het gebied van de geneeskunde, de gezondheidszorg en de robotica betekende.

Hun onderzoek, dat werd geleid door de vooraanstaande professor Ick Soo Kim in samenwerking met Junpeng Xiong, Ling Wang, Mayakrishnan Gopiraman en Jian Shi, is gepubliceerd in Geavanceerde vezelmaterialen.

De wereld versnelt snel richting het intelligente tijdperk – een fase in de geschiedenis die wordt gekenmerkt door toenemende automatisering en interconnectiviteit door gebruik te maken van technologieën zoals kunstmatige intelligentie en robotica. Als fundamentele vereiste in deze transformatie die soms over het hoofd wordt gezien, vormen sensoren een essentiële interface tussen mensen, machines en hun omgeving.

Maar nu robots wendbaarder worden en draagbare elektronica niet langer beperkt is tot sciencefiction, zullen traditionele, op silicium gebaseerde sensoren in veel toepassingen niet meer werken. Flexibele sensoren, die een beter comfort en een grotere veelzijdigheid bieden, zijn dus een zeer actief studiegebied geworden.

Piëzo-elektrische sensoren zijn in dit opzicht bijzonder belangrijk, omdat ze mechanische spanningen en rek in een elektrisch signaal kunnen omzetten. Ondanks talrijke veelbelovende benaderingen blijft er een gebrek aan ecologisch duurzame methoden voor de massaproductie van flexibele, krachtige piëzo-elektrische sensoren tegen lage kosten.

Tegen deze achtergrond besloot een onderzoeksteam van de Shinshu Universiteit, Japan, de uitdaging aan te gaan en het flexibele piëzo-elektrische sensorontwerp te verbeteren met behulp van een beproefde productietechniek: elektrospinning.

Het voorgestelde flexibele sensorontwerp omvat het stapsgewijs elektrospinnen van een samengesteld 2D-nanovezelmembraan. Eerst worden polyvinylideenfluoride (PVDF) nanovezels met diameters in de orde van 200 nm gesponnen, waardoor een sterk uniform netwerk ontstaat dat fungeert als basis voor de piëzo-elektrische sensor.

Vervolgens worden ultrafijne PVDF-nanovezels met een diameter kleiner dan 35 nm op de reeds bestaande basis gesponnen. Deze vezels worden automatisch verweven tussen de gaten van het basisnetwerk, waardoor een specifieke 2D-topologie ontstaat.

Na karakterisering via experimenten, simulaties en theoretische analyses ontdekten de onderzoekers dat het resulterende samengestelde PVDF-netwerk een verbeterde bètakristaloriëntatie had.

Door deze polaire fase, die verantwoordelijk is voor het piëzo-elektrische effect dat wordt waargenomen in PVDF-materialen, te versterken, werden de piëzo-elektrische prestaties van de sensoren aanzienlijk verbeterd. Om de stabiliteit van het materiaal verder te vergroten, introduceerden de onderzoekers dopamine (DA) tijdens het elektrospinproces, waardoor een beschermende kern-schilstructuur ontstond.

“De sensor vervaardigd op basis van PVDF/DA-composietmembranen vertoonde uitstekende prestaties, waaronder een breed responsbereik van 1,5–40 N, een hoge gevoeligheid van 7,29 V/N voor zwakke krachten in het bereik van 0–4 N, en een uitstekende operationele duurzaamheid,” zei Kim.

Deze uitzonderlijke kwaliteiten werden praktisch gedemonstreerd met behulp van draagbare sensoren om een ​​grote verscheidenheid aan menselijke bewegingen en acties te meten. Meer specifiek zouden de voorgestelde sensoren, wanneer ze door een mens worden gedragen, een gemakkelijk te onderscheiden spanningsreactie kunnen produceren op natuurlijke bewegingen en fysiologische signalen. Dit omvatte vingertikken, knie- en elleboogbuigen, voetstampen en zelfs spreken en polspulsen.

Gezien de potentiële goedkope massaproductie van deze piëzo-elektrische sensoren, gecombineerd met hun gebruik van milieuvriendelijke organische materialen in plaats van schadelijke anorganische stoffen, zou deze studie belangrijke technologische implicaties kunnen hebben, niet alleen voor gezondheidsmonitoring en diagnostiek, maar ook voor robotica.

“Ondanks de huidige uitdagingen staan ​​humanoïde robots klaar om in de zeer nabije toekomst een steeds grotere rol te gaan spelen. De bekende Tesla-robot ‘Optimus’ kan bijvoorbeeld al menselijke bewegingen nabootsen en lopen als een mens”, aldus Kim.

“Aangezien hightechsensoren momenteel worden gebruikt om robotbewegingen te monitoren, hebben onze voorgestelde op nanovezels gebaseerde superieure piëzo-elektrische sensoren veel potentieel, niet alleen voor het monitoren van menselijke bewegingen, maar ook op het gebied van humanoïde robotica.”

Om de adoptie van deze sensoren te vergemakkelijken, zal het onderzoeksteam zich concentreren op het verbeteren van de elektrische uitgangseigenschappen van het materiaal, zodat flexibele elektronische componenten kunnen worden aangedreven zonder dat er een externe stroombron nodig is.