NHẬT BẢN – Các nhà nghiên cứu tại Đại học Shinshu (Shinshu University) đã giới thiệu một thiết kế mới cho các cảm biến dạng sợi bền hơn, linh hoạt hơn trong các thiết bị đeo, lấy ý tưởng từ hình dạng của DNA (1). Các cảm biến sợi truyền thống có điện cực ở cả hai đầu, thường hỏng khi di chuyển nhiều lần khi đặt trên các khớp cơ thể. Thiết kế xoắn kép được đề xuất đặt cả hai điện cực ở một đầu, cho phép cảm biến chịu được sự kéo giãn và di chuyển nhiều lần, do đó giải quyết được một hạn chế chính của các cảm biến đeo được thông thường.
(1) DNA là phân tử mang thông tin di truyền, chỉ dẫn cách tạo ra các protein quan trọng cho sự tăng trưởng, phát triển của tất cả sinh vật.

Cảm biến sợi mềm dẻo được sử dụng trong các thiết bị đeo thông minh vì kích thước nhỏ gọn và cảm giác nhẹ của chúng khiến chúng phù hợp để sử dụng hàng ngày. Tuy nhiên, các thiết kế hiện tại, thường được đặt ở các khớp, gặp phải các ứng dụng hạn chế do các vấn đề về mặt cơ học. Cảm biến sợi truyền thống với các điện cực ở cả hai đầu dễ bị tổn thương khi áp dụng vào các khớp như ngón tay hoặc đầu gối, nơi chuyển động lặp đi lặp lại, khiến chúng bị đứt hoặc kết quả cảm biến không chính xác.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một cảm biến mới có cấu trúc xoắn kép mô phỏng hình dạng của DNA. Thiết kế mới này đặt cả hai điện cực vào một đầu của sợi, giảm độ căng trong quá trình di chuyển và cải thiện độ bền. Các phát hiện nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Science.

Phó Giáo sư Chunhong Zhu, tác giả chính của nghiên cứu đã nói rằng: “Thiết kế điện cực hiệu quả rất quan trọng đối với hiệu suất và tuổi thọ của cảm biến đeo được. Nhưng trong cảm biến sợi một chiều, từ lâu đã là một vấn đề. Thiết kế của chúng tôi có thể giải quyết trực tiếp vấn đề này”.

Các nhà nghiên cứu đã lấy ý tưởng từ tính ổn định của chuỗi xoắn kép DNA, được duy trì bởi các liên kết hydro giữa các cặp bazơ bổ sung. Tương tự như vậy, họ xoắn hai sợi đồng trục được thiết kế đặc biệt với nhau để tạo ra một cấu trúc ổn định, liên kết chặt chẽ. Mỗi sợi được sản xuất bằng cách kéo sợi ướt đồng trục, với lớp ngoài cách điện và lõi bên trong mềm mại, dẫn điện. Lõi chứa các ống nano carbon nhiều lớp (MWCNT – multi-walled carbon nanotubes), trong khi lớp ngoài bao gồm các hạt nano polyurethane nhiệt dẻo (TPU – thermoplastic polyurethane) và titanium dioxide (TiO2), giúp các sợi mềm mại và chắc hơn.

Sau khi xử lý nhiệt, hai sợi tạo thành chuỗi xoắn kép với các cực dương và cực âm tích hợp sẵn ở cùng một đầu, loại bỏ nhu cầu lắp dây phức tạp ở cả hai đầu – một vấn đề thường gặp trong các thiết kế truyền thống.

Cô Ziwei Chen, đồng tác giả của nghiên cứu, nói tiếp: “Sợi xoắn kép TT/MT có hai điện cực ở một đầu và một đầu tự do không có điện cực, giúp đơn giản hóa việc nối dây các cảm biến linh hoạt”.

Cảm biến sợi xoắn kép TT/MT thu được có đường kính nhỏ hơn 1 mm, giúp dễ dàng tích hợp vào hàng dệt may quần áo. Cảm biến này bền, chịu được sự kéo giãn và uốn cong nhiều lần. Trong các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, cảm biến này chịu được hơn 1.000 chu kỳ kéo giãn và kéo dài hơn 300% so với chiều dài ban đầu mà không bị đứt.

Với cả hai điện cực nằm ở cùng một bên, cảm biến được sử dụng trên các khớp với mặt chứa điện cực được gắn vào các khu vực có chuyển động hạn chế, chẳng hạn như mu bàn tay, má hoặc đầu gối, mà không có nguy cơ bị hỏng. Điều này mở ra các ứng dụng theo dõi hoạt động của ngón tay, biểu cảm khuôn mặt và đi lại, và có thể phát hiện các dạng thở trong khi ngủ.

Thiết kế này có triển vọng sử dụng trong các thiết bị đeo được kết nối Bluetooth, cho phép theo dõi từ xa theo thời gian thực trong lĩnh vực phục hồi chức năng và luyện tập thể thao, theo các nhà nghiên cứu. Các cảm biến này có thể được nhúng vào quần áo cho các hoạt động có nguy cơ cao như leo núi, giúp gửi cảnh báo khẩn cấp trong trường hợp tai nạn, ngã hoặc các vấn đề sức khỏe như thiếu oxy.

Với thiết kế này, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể truyền ý tưởng cho sự phát triển của sợi thông minh thế hệ mới vừa bền vừa nhạy, đồng thời dễ dàng tích hợp vào trang phục hàng ngày.

Phó Giáo sư Chunhong Zhu đã nói rằng: “Chiến lược thiết kế của chúng tôi, được minh họa bằng sợi xoắn kép TT/MT được trong nghiên cứu, cung cấp một phương pháp tiếp cận linh hoạt có thể truyền ý tưởng cho sự phát triển của nhiều loại sợi thông minh được thiết kế riêng cho các ứng dụng khác nhau”.

Để xem các tin bài khác về “Cảm biến sợi”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online