Das ist Wissenschaft: tragbare Elektronik und Triboelektrizität. Teil 2
Hallo nochmal Leser des Prestigio Blogs!Wir sprechen weiterhin über tragbare Elektronik. In einem früheren Artikel haben wir über Stromversorgungen auf Basis von triboelektrischen Generatoren gesprochen. Jetzt ist die sehr mysteriöse und mysteriöse, wirklich tragbare Elektronik an der Reihe. Was Wissenschaft und Technologie in diesem Aspekt erreicht haben, erfahren Sie unter dem Schnitt!Viele von Ihnen werden sich fragen: „ Aber wie können triboelektrische Generatoren tatsächlich im wirklichen Leben eingesetzt werden, wenn sie so wenig Strom erzeugen? "Und die Antwort auf diese Frage ist sehr einfach: Es ist notwendig, solche Anwendungen zu finden, bei denen keine große Menge Strom benötigt wird, obwohl das Gerät selbst äußerst nützlich sein könnte. Dies wird zum Beispiel eine Vielzahl von Sensoren und Sensoren sein, einschließlich tragbarer.Wir beginnen mit einem Beispiel, das bereits im GT hervorgehoben wurde.aber ganz zu schweigen davon ist es einfach nicht möglich. Eine Gruppe chinesischer Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie der Stadt Huangzhou präsentierte zusammen mit Kollegen der Universität von Maryland eine interessante Idee, die Triboelektrizitätstechnologie in ein reales Gerät umzusetzen.Die Autoren eines Artikels, der im renommierten ACS Nano- Magazin veröffentlicht wurde, schlugen vor, große Panels des sogenannten „autarken Nanopapiers“ als Berührungssensor zu verwenden, um beispielsweise Kunstwerke zu schützen oder zu verhindern, dass Menschen durch ein Fenster in den Raum gelangen, sowie um intelligente Bilder zu erstellen Verpackung. Die Basis des Gerätes, wie viele andere triboelektrische Geräte bilden zwei speziell strukturierte Schichten aus transparentem Papier, die bei Kontakt einige zehn Volt und einige Mikroampere elektrischen Stroms erzeugen, was ausreicht, um ein Relais auszulösen oder eine LED zu blinken.Einige zusammengesetzte Funktionsschichten und das triboelektrische Gerät sind fertig.Unsere Tests haben gezeigt, dass das erstellte „intelligente“ Papier mehr als 50.000 Klickzyklen aushält. Darüber hinaus ist es einfach, in eine Art "Pixel" zu schneiden und als Etikett zu verwenden, um Produkte vor Fälschungen zu schützen. Wenn Sie auf eines der vier in der folgenden Abbildung gezeigten Pixel klicken, wird auf dem LCD eine Zahl von 1 bis 4 angezeigt, es kann sich aber auch um das Logo des Herstellers handeln. Das Video auf der Website des Magazins zeigt diese Funktion detaillierter.Mehrstufiger Schutz vor gefälschten Produkten: Jedes der Pixel kann für die Anzeige seines Logos verantwortlich sein.Nun, wir können nur warten, bis unsere Freunde aus dem Reich der Mitte die Massenproduktion dieser Produkte gestartet haben, da die Veröffentlichung billiger RFID-Tags einst etabliert war.Der Originalartikel " Self-Powered Human-Interactive Transparent Nanopaper Systems" wurde in ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b02414 ) veröffentlicht.Wir werden ein weiteres Beispiel aus dem Bereich Medizin und / oder Sport analysieren - wer es am meisten mag. Fitness-Armbänder, Uhren oder andere Geräte, die unsere Gesundheit überwachen, sind bereits weit verbreitet. Und obwohl sich die Ärzte noch nicht entschieden habenWas mit den von normalen Menschen erhaltenen Daten zu tun ist, ist für Sportler äußerst wichtig, um den Puls, die Atmung und die Sauerstoffsättigung des Blutes zu überwachen, und zwar nicht nur während des Trainings. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler der Universität von Suwon transparente Sensoren entwickelt, die einfach an das Handgelenk oder den Hals geklebt werden können und alle oben genannten Parameter überwachen. Darüber hinaus ist der Sensor in der Medizin nützlich, um den Zustand des Patienten und / oder einzelner Organe vor, während oder nach der Operation zu überwachen.Der Sensor selbst ist ein 3-in-1-Sandwich. Die erste Schicht ist ein biege- und zugempfindliches Element auf der Basis eines Verbundmaterials, das aus Silbernanostäben in einer Matrix aus leitfähigem PEDOS- Polymer besteht : PSS und Polyurethan ( PU)) Die zweite Schicht ist ein Superkondensator ( SuperCapacitor ) und die dritte Schicht ist ein triboelektrischer Nanogenerator (TENG). Alle drei Schichten sind durch ein Dielektrikum - PDMS voneinander isoliert .(ad) Schematische Darstellung des Sensors auf dem menschlichen Körper und den Hauptelementen des TENG-, SC-Sensors und eines zugempfindlichen Elements. (e) Mikroskopische Aufnahme eines Verbundmaterials auf der Basis von Silberstäben in einer Polymermatrix. (f) Foto des Sensors selbst: Oben befindet sich ein TENG, in der Mitte ein Superkondensator, unten ein empfindliches Element.Unter Laborbedingungen hat ein solcher Sensor seine Eignung vollständig bestätigt. Es befindet sich am Hals (Luftröhre) und ermöglicht nicht nur die quantitative Messung der Eigenschaften, sondern auch die Unterscheidung zwischen Atmung und Husten, um die einfache Aufnahme von Speichel vom Trinken sowie den Prozess der Nahrungsaufnahme zu trennen.(a) Überwachung der menschlichen Atmung unter Verwendung eines entwickelten Sensors. (bf) Die Änderung des Widerstands des Sensors allein hängt von der Zeit des Atmens, Hustens, Trinkens, Schluckens und Essens ab. (gl) Ähnliche Messungen mit einem integrierten Gerät.Wie die Autoren der Arbeit selbst bemerken, ist es noch ein langer Weg (zum Beispiel die Integration der Datenverarbeitung und -übertragung in das Gerät), bis wir das Produkt in Form eines vorgefertigten „Fitness-Tracker-Patches“ in den Regalen sehen, aber dies ist ein anderer, rein technische Aufgabe.Der Originalartikel " Stretchable Carbon Nanotube Charge-Trap Floating-Gate-Speicher und Logikbausteine für tragbare Elektronik " wurde in ACSNano veröffentlicht (DOI: 10.1021 / acsnano.5b01848 ).Zum Teil traf eine andere große Gruppe südkoreanischer Wissenschaftler der Universitäten Seoul, Incheon und Busan ihre Entscheidung, die einen Prototyp auf der Basis der Streckmikroelektronik vorstellten (mehr über flexible und Streckelektronik finden Sie hier und hier ).Grundlage dieser Entwicklung sind einwandige Kohlenstoffnanoröhren ( CNT ), die sich in einem Halbleiterzustand befinden. Die folgende Abbildung zeigt eine Art transparentes „Tablet“ mit Handgelenkstäbchen, das aus mehreren Elementen wie Flash-Speicher, verschiedenen Logikelementen ( Erfinder , NOR- und NAND-Gatter) sowie Kondensatoren besteht.Diagramm eines hergestellten Testgeräts, bestehend aus Speicherelementen, Logik und Kondensatoren.Elemente des Geräts werden in das zuvor angetroffene PDMS-Dielektrikum eingefügt, das die Rolle einer flexiblen Matrix spielt und empfindliche Elemente vor Beschädigung schützt:Der erstellte Prototyp kann gebogen, gedehnt, gequetscht, gequetscht, gebogen werden - alles, was die Seele wünscht!Die Autoren der Arbeit führten eine ganze Reihe von Studien durch, um zu zeigen und zu beweisen, dass die von ihnen erzeugten mikroelektronischen Komponenten einer wiederholten (über 1000-fachen) Spannung und Kompression von bis zu 20% sowie einer Biegung mit einem Radius von bis zu 5 mm ohne wesentliche Änderungen der Eigenschaften standhalten können.Und wieder müssen wir warten, bis diese Technologie in einem der Startups oder Riesenunternehmen eine Antwort findet, und zum Beispiel werden wir die Telefontastatur auf einer Hand tragen, wie in diesem Videoclip:Der Originalartikel, Transparente dehnbare, selbstversorgbare , patchenfähige Sensorplattform mit ultrasensitiver Erkennung menschlicher Aktivitäten , wurde in ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b01835 ) veröffentlicht.Und das neueste Sensorgerät, das heute bereits aus herkömmlichen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) hergestellt wurde, wurde von einem Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Singapore vorgestellt. Zu diesem Zweck wurden die Nanoröhren zunächst in Form eines ausreichend großen makroskopischen Arrays oder Waldes gezüchtet, und dann wurden lange Fasern aus einzelnen Nanoröhren hergestellt, die auf einem flexiblen Substrat aus Ecoflex-Material platziert wurden (Felder a und b im Bild unten).Das Funktionsprinzip eines solchen Sensors ist recht einfach (g). CNTs befinden sich auf einem flexiblen Polymersubstrat so, dass sie sich teilweise überlappen und elektrische Leitfähigkeit bieten. Unter Spannung schwächt sich jedoch der Kontakt zwischen ihnen ab und bricht irgendwann ab, und der elektrische Widerstand steigt signifikant an (d).Superelastischer Kohlenstoffnanoröhrchensensor. (a) Schematische Darstellung des „Auspackens“ eines Waldes von Kohlenstoffnanoröhren auf einem Substrat. (b) Foto des Prozesses selbst und Mikrofotografien von CNTs. (c) Fotos des hergestellten Sensors bei der Arbeit und die erhaltenen Verformungskurven (Änderung des Widerstands in Abhängigkeit von der Spannung). (ef) Mikrophotographien des Sensors bei unterschiedlichem Dehnungsgrad. (g) Schematische Darstellung und Funktionsweise der Vorrichtung unter Spannung.Die Wissenschaftler beschlossen jedoch, hier nicht anzuhalten, und machten einen anderen Sensor empfindlich für Dehnung in zwei Richtungen. Dementsprechend sind darin enthaltene Kohlenstoffnanoröhren senkrecht zueinander angeordnet., . , , .«Extremely Elastic Wearable Carbon Nanotube Fiber Strain Sensor for Monitoring of Human Motion» ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b00599).In zwei Artikeln zur Überprüfung von triboelektrischen Sensoren und tragbarer Mikroelektronik haben wir versucht, die Hauptmerkmale und Trends der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklungen auf diesem Gebiet zu skizzieren. Wie bereits im ersten Teil erwähnt , sind die Fortschritte in den letzten zwei Jahren einfach erstaunlich - wir sollten sehr bald die ersten Anzeichen dieser Geräte, Sensoren und Bildschirme in den "Regalen" chinesischer Elektronikgeschäfte sehen.Wir leben wundervolle Zeiten, Genossen!Und um nichts Interessantes und Unterhaltsames zu verpassen, abonnieren Sie unseren Blog .Es ist nicht schwer für Sie, aber wir freuen uns!
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