مستشعر ضغط سعوي يمكن ارتداؤه لجمع الإشارات الفسيولوجية البشرية
مستشعر ضغط سعوي يمكن ارتداؤه لجمع الإشارات الفسيولوجية البشرية
في السنوات الأخيرة ، جذبت مستشعرات الضغط عالية الحساسية والمرونة والتوافق الحيوي والمط اهتمامًا واسع النطاق في مجالات الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء والجلود الذكية. ومع ذلك ، فإنه يمثل تحديًا كبيرًا لتحقيق كل من الحساسية العالية والتكلفة المنخفضة للمستشعر ، والحصول على أفضل استقرار ميكانيكي وحد اكتشاف منخفض للغاية للاستخدام في معدات مراقبة الإشارات الفسيولوجية الدقيقة. استجابةً للمشكلات المذكورة أعلاه ، تشير هذه المقالة إلى طريقة تحضير بسيطة لمستشعر ضغط سعوي عالي الحساسية وعالي الموثوقية (CPS) لقياس الضغط المنخفض للغاية. TrFE) سقالة من الألياف النانوية المركبة (CNS) محصورة بين بولي المتوافق حيوياً (3،4-إيثيلين ديوكسيثيوفين) بوليسترين سلفونيك (PEDOT: PSS) / أقطاب بوليديميثيل سيلوكسان (PDMS) بين الأقطاب كطبقة عازلة. يتمتع المستشعر المُجهز بحساسية عالية تبلغ 0.51 كيلوباسكال -1 وحد أدنى للاكتشاف يبلغ 1.5 باسكال. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنه أيضًا تحقيق الاستشعار الخطي في نطاق ضغط واسع (0-400 كيلو باسكال) ، وتحقيق موثوقية عالية خلال 10000 دورة حتى عند ضغط مرتفع للغاية (أكبر من 167 كيلو باسكال). بالمقارنة مع سقالة الألياف النانوية PVDF-TrFE الأصلية ، يمكن تحسين حساسية المستشعر القائم على الألياف النانوية عن طريق التحميل باستخدام MXene ، وبالتالي زيادة ثابت العزل إلى 40 وتقليل معامل الضغط إلى 58٪. يمكن لهذا المستشعر تحديد صحة المرضى من خلال مراقبة الإشارات الفسيولوجية (معدل النبض ، والتنفس ، وحركة العضلات ، وتشنجات العين) ، وهو مرشح جيد للجيل القادم من أجهزة واجهة الإنسان والآلة. يمكنها أيضًا تحقيق الاستشعار الخطي في نطاق ضغط عريض (0-400 كيلو باسكال) ، وتحقيق موثوقية عالية خلال 10000 دورة حتى عند الضغط العالي للغاية (أكبر من 167 كيلو باسكال). بالمقارنة مع سقالة الألياف النانوية PVDF-TrFE الأصلية ، يمكن تحسين حساسية المستشعر القائم على الألياف النانوية عن طريق التحميل باستخدام MXene ، وبالتالي زيادة ثابت العزل إلى 40 وتقليل معامل الضغط إلى 58٪. يمكن لهذا المستشعر تحديد صحة المرضى من خلال مراقبة الإشارات الفسيولوجية (معدل النبض ، والتنفس ، وحركة العضلات ، وتشنجات العين) ، وهو مرشح جيد للجيل التالي من أجهزة واجهة الإنسان والآلة. يمكنها أيضًا تحقيق الاستشعار الخطي في نطاق ضغط عريض (0-400 كيلو باسكال) ، وتحقيق موثوقية عالية خلال 10000 دورة حتى عند الضغط العالي للغاية (أكبر من 167 كيلو باسكال). بالمقارنة مع سقالة الألياف النانوية PVDF-TrFE الأصلية ، يمكن تحسين حساسية المستشعر القائم على الألياف النانوية عن طريق التحميل باستخدام MXene ، وبالتالي زيادة ثابت العزل إلى 40 وتقليل معامل الضغط إلى 58٪. يمكن لهذا المستشعر تحديد صحة المرضى من خلال مراقبة الإشارات الفسيولوجية (معدل النبض ، والتنفس ، وحركة العضلات ، وتشنجات العين) ، وهو مرشح جيد للجيل التالي من أجهزة واجهة الإنسان والآلة. بالمقارنة مع سقالة الألياف النانوية PVDF-TrFE الأصلية ، يمكن تحسين حساسية المستشعر القائم على الألياف النانوية عن طريق التحميل باستخدام MXene ، وبالتالي زيادة ثابت العزل إلى 40 وتقليل معامل الضغط إلى 58٪. يمكن لهذا المستشعر تحديد صحة المرضى من خلال مراقبة الإشارات الفسيولوجية (معدل النبض ، والتنفس ، وحركة العضلات ، وتشنجات العين) ، وهو مرشح جيد للجيل التالي من أجهزة واجهة الإنسان والآلة. بالمقارنة مع سقالة الألياف النانوية PVDF-TrFE الأصلية ، يمكن تحسين حساسية المستشعر القائم على الألياف النانوية عن طريق التحميل باستخدام MXene ، وبالتالي زيادة ثابت العزل إلى 40 وتقليل معامل الضغط إلى 58٪. يمكن لهذا المستشعر تحديد صحة المرضى من خلال مراقبة الإشارات الفسيولوجية (معدل النبض ، والتنفس ، وحركة العضلات ، وتشنجات العين) ، وهو مرشح جيد للجيل القادم من أجهزة واجهة الإنسان والآلة.
الشكل 1. عملية التحضير وهيكل مستشعر الضغط المعتمد على الجهاز العصبي المركزي. (أ) اعرض الرسم التخطيطي لعملية تحضير مستشعر الضغط المعتمد على الجهاز العصبي المركزي. (ب) صورة TEM للجهاز العصبي المركزي ، والتي تعرض طبقة واحدة ومتعددة الطبقات MXene nanoflake. الشكل الداخلي عبارة عن TEM عالي الدقة يُظهر تباعد الطبقة البينية 0.93 نانومتر المقابل لمستوى MXene (002). (ج) تُظهر الصورة الجهاز العصبي المركزي لتركيزات مختلفة من MXene والمستشعر المُصنَّع. (د) صورة FESEM للجهاز العصبي المركزي. يظهر الشكل الداخلي التشكل عند تكبير أعلى. (هـ) يوضح مخطط EDS للألياف النانوية المركبة العناصر C و F و O و Ti.
الشكل 2. السمات التخطيطية والسطحية للجهاز العصبي المركزي. (أ) رسم تخطيطي يوضح التآزر الذي تم الحصول عليه بعد إدخال MXene في مصفوفة البوليمر. (ب ، ج) تحليل XRD و FTIR للجهاز العصبي المركزي بتركيزات مختلفة من MXene. (D) طيف XPS لمنطقة C 1s من الجهاز العصبي المركزي التي تحتوي على 5٪ بالوزن من تركيز MXene.
الشكل 3. الخصائص الكهربائية لعينات مختلفة (أ) ثابت العزل الكهربائي وظل الفقد للجهاز العصبي المركزي بالنسبة لمحتوى MXene (بالوزن٪). (ب) اعتماد التردد على ثابت العزل.
الشكل 4. الخصائص الكهروميكانيكية لأجهزة استشعار الضغط القائمة على الجهاز العصبي المركزي. (أ) مقارنة أداء أجهزة الاستشعار القائمة على الجهاز العصبي المركزي على أساس أوقات الغزل الكهربائي المختلفة. (ب) أداء إجهاد الضغط الانضغاطي للمستشعر تحت حمل ثابت بمسافة ضغط تصل إلى 0.4 مم. (C) تعتمد السعة الأولية (C0) والتغير النسبي (ΔC / C0) لجهاز الاستشعار المعتمد على CNS على محتوى MXene (بالوزن٪). (D) التغير النسبي في السعة (ΔC / C0) لأجهزة الاستشعار القائمة على الجهاز العصبي المركزي التي تحتوي على طبقات عازلة بتركيزات مختلفة من MXene (بالوزن ٪) تحت مسافة ضغط ثابتة تبلغ 0.4 مم. (E) رسم بياني وصفي لـ ΔC / C0 ، يوضح حساسية الضغط التي تم الحصول عليها عندما يكون تحميل MXene 5٪ بالوزن. يوضح الرسم التوضيحي حساسية المستشعر في منطقة الضغط المنخفض. (و) لتركيزات مختلفة من MXene ، استجابة السعة الدورية (التحميل / التفريغ) لأجهزة الاستشعار القائمة على الجهاز العصبي المركزي على مسافة ضغط ثابتة تبلغ 0.3 مم ، و (ز) عند قيم ضغط تحميل / تفريغ مختلفة ، يكون تركيز MXene 5٪ بالوزن من استجابة السعة الدورية للجهاز العصبي المركزي جهاز استشعار. (ح) وقت الاستجابة والاسترخاء في دورة تحميل / تفريغ بضغط 1.5 كيلو باسكال. (1) مقارنة بالتقرير السابق ، تم الإبلاغ عن أداء المستشعر من حيث الحساسية عند حدود الكشف المنخفضة في نطاق الضغط المنخفض.
الشكل 5. (أ) التغيير النسبي لاستجابة السعة في ظل دورات تحميل وتفريغ الجهد المنخفض. (ب) توضيح الحد الأدنى للكشف (LOD) عن طريق التحميل والتفريغ المتسلسل لحوالي 38 مجم من الأرز طويل الحبة. (ج) اختبار الثبات الدوري لمستشعر الضغط المعتمد على الجهاز العصبي المركزي بعد 10000 دورة تحميل وتفريغ تحت ضغط عالٍ يبلغ حوالي 167 كيلو باسكال (ضغط أكبر من 40٪). يوضح الشكل الداخلي الدورة المحددة في بداية اختبار الثبات ونهايته.
الشكل 6. تطبيق أجهزة الاستشعار القائمة على الجهاز العصبي المركزي في المراقبة المستمرة والحقيقية للإشارات الفسيولوجية البشرية. (أ) المراقبة في الوقت الحقيقي لموجة النبض الشرياني. رسم توضيحي: صورة المستشعر الموصول بمنطقة جلد الرسغ. (ب) عرض موسع لشكل موجة نبضة واحدة ، بما في ذلك معلومات مفصلة حول قممها المميزة. (ج) مراقبة التنفس قبل وبعد التمرين. رسم توضيحي: صورة لجهاز استشعار متصل بقناع لمراقبة معدل التنفس. (د) يوضح الرسم التخطيطي أن المستشعر يحاكي النقر بالإصبع عند تردد رعاش ثابت يبلغ 4.8 هرتز للكشف عن مرض باركنسون الأولي. شكل توضيحي: صورة تحاكي إصبع ينقر على سطح المستشعر بتردد ثابت. (هـ) صورة مكبرة تحاكي الإيقاع بتردد رعاش محدد يبلغ 4.8 هرتز. (F) الضغط لفترة قصيرة والضغط لفترة طويلة على المستشعر يمكن أن يولد إشارة مورس الدولية. (ز) مراقبة تقلص العضلات وتوسعها عن طريق فتح وإغلاق القبضة بشكل عكسي. شكل توضيحي: صورة لجهاز الاستشعار متصل بعضلات معصم البطن. (ح) مراقبة الإشارة الناتجة عن اهتزاز عضلات العين أثناء تشنجات العين. شكل توضيحي: صورة جهاز استشعار متصل بجلد العين. (I) قدرة المستشعر على التعرف على الأصوات المختلفة بأشكال موجية متكررة ومختلفة. شكل توضيحي: صورة جهاز استشعار متصل ببشرة الحلق. (ح) مراقبة الإشارة الناتجة عن اهتزاز عضلات العين أثناء تشنجات العين. شكل توضيحي: صورة جهاز استشعار متصل بجلد العين. (I) قدرة المستشعر على التعرف على الأصوات المختلفة بأشكال موجية متكررة ومختلفة. شكل توضيحي: صورة جهاز استشعار متصل ببشرة الحلق. (ح) مراقبة الإشارة الناتجة عن اهتزاز عضلات العين أثناء تشنجات العين. شكل توضيحي: صورة جهاز استشعار متصل بجلد العين. (I) قدرة المستشعر على التعرف على الأصوات المختلفة بأشكال موجية متكررة ومختلفة. شكل توضيحي: صورة جهاز استشعار متصل ببشرة الحلق.
