لقد أحدث ظهور الأجهزة الإلكترونية المحمولة والقابلة للارتداء ثورة كاملة في المجتمع. الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والساعات الذكية جعلت حياة الناس سهلة. يمكن للمرء الاتصال على الفور ورؤية المقربين منه أو أصدقائه الذين يعيشون في الركن الآخر من العالم من خلال مكالمات الفيديو عبر الإنترنت. وفي وقت سابق، لعبت صناعة أشباه الموصلات القائمة على السيليكون دورًا كبيرًا في تطوير صناعة الإلكترونيات والمعلومات.
ومع ذلك، مع وصول تقنيات جديدة مثل إنترنت الأشياء (IoT)، والذكاء الاصطناعي، ومراقبة الصحة عن بعد، والمنازل الذكية، والتفاعل بين الإنسان والآلة، وما إلى ذلك، تواجه الصناعة التقليدية القائمة على السيليكون تحديات جديدة.
في الوقت الحاضر، أظهرت الإلكترونيات القابلة للارتداء، مع المرونة الميكانيكية المتكاملة والوظائف الإلكترونية، تطورًا وتقدمًا ملحوظًا مقارنة بالإلكترونيات الصلبة التقليدية القائمة على السيليكون.
ومع أحدث الأبحاث في علم المواد، أصبح من الممكن تصنيع دوائر إلكترونية ليست مرنة فحسب، بل قابلة للتمدد أيضًا، مما يتيح استخدامها في نطاق أوسع من التطبيقات.
تتمتع الإلكترونيات المرنة والقابلة للارتداء بتطبيقات واسعة النطاق في الصناعة الطبية والرعاية الصحية. نظرًا لدمج تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء (IoT) مع الأجهزة الإلكترونية الطبية مثل أجهزة الاستشعار والمحركات وما إلى ذلك، فقد أصبح من الممكن قياس وتحليل المرضى عن بعد وتقديم الرعاية والعلاج المطلوبين لهم.
وبما أن الأجهزة الطبية وأجهزة الاستشعار المرنة والقابلة للتمدد يمكن أن تلتف حول الجسم أو العضو المستهدف ويمكن أن تكتسب الشكل المطلوب، فإن القياسات التي يتم إجراؤها بها دقيقة تمامًا.
يمكن استخدام هذه المستشعرات المرنة لقياس بيانات متعددة للمريض مثل معدل النبض، وضغط الدم، ومعدل التنفس، ودرجة الحموضة، ومستوى الجلوكوز، ودرجة الحرارة، والعرق، واللعاب، وما إلى ذلك، ويمكن أن تساعد المهنيين الطبيين في التشخيص المبكر.
كما تم تطوير أجهزة الاستشعار غير المرنة في وقت سابق وتستخدم السيليكون كركيزة، لكنها لا تستطيع قياس المعلمات الفسيولوجية بدقة بسبب صلابتها.
يحتوي المستشعر المرن على هيكل متعدد الطبقات حيث تكون الطبقة السفلية هي الركيزة المكونة من مادة بوليمرية مرنة. تشتمل الركيزة شائعة الاستخدام لتصنيع أجهزة الاستشعار على البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، والبوليميد (PI)، والبولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS)، والبولي بيرول، وفيلم أكسيد القصدير الإنديوم (ITO)، وما إلى ذلك.
بالإضافة إلى طبقة الركيزة، يحتوي المستشعر على طبقتين من القطب الكهربائي، طبقة قطب كهربائي علوية وطبقة قطب سفلي، لتوصيل الإشارة الكهربائية داخل المستشعر أو خارجه.
يتم أيضًا اختيار طبقات الإلكترود بطريقة توفر مرونة كاملة مماثلة لطبقة الركيزة. المواد المستخدمة بشكل شائع لصنع أقطاب كهربائية للمستشعر المرن هي البوليمرات الموصلة والأسلاك الفضية (Ag) والشبكات المعدنية من الذهب أو النحاس أو الفضة.
الطبقة الأكثر أهمية في المستشعر هي الطبقة النشطة، والتي توضع في منتصف المستشعر. تعتمد مادة الطبقة النشطة على نوع المستشعر، أي ما إذا كان مستشعر ضغط، أو مستشعر كيميائي حيوي، أو مستشعر درجة الحرارة، أو مستشعر القوة، وما إلى ذلك.
إذا كان المستشعر عبارة عن مستشعر ضغط، فقد تكون المادة المستخدمة للطبقة النشطة عبارة عن مادة كهرضغطية يمكنها تحويل الطاقة الميكانيكية في شكل اهتزازات بشرية ونبض ونبض قلب وما إلى ذلك إلى إشارة كهربائية.
وبالمثل، إذا كان المستشعر هو مستشعر درجة الحرارة، فإن مادة الطبقة النشطة هي مادة كهروحرارية. في المستشعر المرن، يتم أيضًا اختيار مادة الطبقة النشطة بطريقة تظهر مرونة كافية وتدعم الانحناء الميكانيكي دون التعرض للتلف.
تستخدم مستشعرات الضغط المرنة بشكل عام فلوريد البولي فينيلدين (PVDF)، ZnO، P(VDF-TrFR)، وما إلى ذلك، كطبقات نشطة كهرضغطية تتمتع بالمرونة المطلوبة.
تم تطوير تقنيات مختلفة لتصنيع أجهزة الاستشعار المرنة والقابلة للارتداء. بعض التقنيات المستخدمة لتصنيع هذه المستشعرات هي الطباعة، والغزل الكهربائي، ونقل الأنماط، والتصنيع الإضافي.
تعتبر تقنية الطباعة هي التقنية الأكثر شعبية لتصنيع هذه المستشعرات. قد تكون الطباعة عبارة عن طباعة شاشة تُعرف أيضًا باسم الطباعة التناظرية أو ربما طباعة رقمية تُعرف أيضًا باسم الطباعة النافثة للحبر.
في طباعة الشاشة، يتم عمل قناع وإدخاله في الطابعة ويستخدم لطباعة النموذج المطلوب. تم تصنيع جميع أجهزة الاستشعار والدوائر الإلكترونية السابقة تقريبًا باستخدام تقنية طباعة الشاشة هذه.
في الوقت الحاضر، وصلت الطباعة الرقمية، التي لا تتطلب صنع قناع. في الطباعة الرقمية، يتم تغذية النموذج المراد طباعته رقميًا إلى الكمبيوتر وتتم طباعته تلقائيًا بواسطة أمر الكمبيوتر.
على الرغم من أن الطباعة الرقمية بسيطة وسهلة الاستخدام وتتطلب جهودًا يدوية أقل، إلا أن الحبر المستخدم في هذه التقنية يجب أن يلبي بعض المتطلبات المحددة من حيث اللزوجة والتوتر السطحي.
من ناحية أخرى، في تقنية الغزل الكهربائي، يتم تحضير محلول بوليمري ويتم تغذيته في المحقنة التي يتم دفعها إلى الإبرة المعدنية باستخدام مضخة الحقنة.
يتم تطبيق جهد كهربائي عالي على طول الإبرة ويستخدم لإخراج محلول البوليمر عن طريق كسر التوتر السطحي للسائل. أثناء عملية القذف، يتطاير مذيب البوليمر، وتترسب مادة البوليمر المستقرة بطريقة حلزونية ويتم الحصول على منتج الألياف المطلوب.
وبالمثل، في تقنية نقل النمط، تتم طباعة النموذج على السطح الصلب باستخدام قناع عبر تقنية الطباعة العادية ويتم نقله لاحقًا إلى الركيزة المرنة.
هناك حاجة إلى رعاية خاصة أثناء عملية نقل الأنماط، حيث أن الأنماط المصنوعة حساسة وقد تنهار إذا لم يتم التعامل معها بشكل صحيح. التصنيع الإضافي المعروف أيضًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد هو أحدث تقنيات الطباعة المستخدمة في صنع الأجهزة الإلكترونية المعقدة أو تصميمات الدوائر الكهربائية.
في هذه التقنية، يتم إجراء الطباعة بطريقة طبقة تلو الأخرى ويتم طباعة الأنماط واحدة فوق الأخرى على الركيزة المرنة. باستخدام هذه التقنية، يمكن تصنيع الأجهزة الإلكترونية ذات الهندسة المعمارية أو التصميمات النانوية المعقدة بشكل فعال.
تحتوي أجهزة الاستشعار المرنة والقابلة للارتداء على العديد من التطبيقات العامة وتطبيقات الرعاية الصحية. يعتمد نشر مستشعر معين في أداة مساعدة معينة على نوع القياس أو المسار المطلوب إنجازه.
أجهزة الاستشعار المطبقة عادة هي أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية، وأجهزة استشعار الضغط أو الانفعال، وأجهزة استشعار درجة الحرارة، وما إلى ذلك. تم توضيح بعض الأمثلة على أجهزة الاستشعار التي يرتديها الجسم في الشكل 1.
تحتوي جميع هذه المستشعرات على طبقة نشطة تقيس الكمية المستهدفة المحددة وتحول تلك الكمية إلى الإشارة الكهربائية المقابلة. هناك أنواع عديدة من أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية التي يمكن استخدامها في تتبع الرعاية الصحية والتي تشمل الجلوكوز والعرق واللعاب ودرجة الحموضة وقياس الكولسترول في نقل الأدوية وما إلى ذلك.
المبدأ الأساسي لأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية هو أن الاستجابة الكيميائية بين مادة الاستشعار والمادة المستهدفة تغير المساكن الكهربائية للمستشعر، ويتم إنجاز التتبع الصحي بهذه الطريقة.
يعد مستشعر الضغط أو مستشعر القوة فئة مهمة من أجهزة الاستشعار التي تستخدم لقياس العديد من العوامل الصحية المهمة مثل معدل النبض وضغط الدم ونبض القلب وما إلى ذلك.
تكتشف هذه المستشعرات القوة الميكانيكية على شكل شد وإجهاد وإجهاد وعزم دوران، وتحولها إلى إشارة كهربائية. هناك العديد من أنواع أجهزة استشعار الضغط المتوفرة في مجال الرعاية الصحية مثل أجهزة الاستشعار المقاومة وأجهزة الاستشعار السعوية وأجهزة الاستشعار الكهرضغطية.
في المستشعر المقاوم، تتغير مقاومة نسيج الاستشعار عند اكتشاف إشارة ميكانيكية، ويتم التفكير في البثق في المقاومة داخل شكل امتداد داخل جانب الإشارة الكهربائية.
وبالمثل، في المستشعر السعوي، تتغير سعة المستشعر مع التغير في القوة الميكانيكية أو الضغط وتنعكس على شكل إشارة كهربائية.
المستشعر الكهرضغطي هو مستشعر يطور جهدًا كهربائيًا عبر أطرافه عند اكتشاف القوة الميكانيكية أو الضغط. تظهر العديد من المواد الخزفية والبوليمرات القائمة على الرصاص خصائص كهرضغطية ويتم استخدامها بشكل مباشر في مثل هذه المستشعرات.
وفقًا لأحدث الأبحاث حول أجهزة استشعار الضغط، يمكن استخدام الهياكل المسامية أو تصميمات الهندسة المعمارية النانوية المصنعة من خلال التصنيع الإضافي لتعزيز مخرجات أو حساسية هذه المستشعرات.
فئة أخرى من أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء هي أجهزة استشعار درجة الحرارة. تكتشف هذه المستشعرات التغير في درجة حرارة الجسم وتعكس الخرج على شكل إشارة كهربائية.
هناك نوعان رئيسيان من أجهزة استشعار درجة الحرارة وهما أجهزة الاستشعار المقاومة وأجهزة الاستشعار الكهروضوئية. في مستشعر درجة الحرارة المقاوم، تتغير مقاومة المادة المنشورة مع تغير درجة الحرارة.
ومن ثم تختلف الإشارة الكهربائية الناتجة وفقًا لذلك. تُستخدم أكاسيد المعادن والأنابيب النانوية الكربونية والجرافين ومركبات البوليمر بشكل شائع لصنع أجهزة استشعار درجة الحرارة المقاومة.
في حالة أجهزة الاستشعار الكهروحرارية، يتغير استقطاب المادة مع تغير درجة الحرارة. يتم استخدام التغيير في الاستقطاب أيضًا لتوليد الإشارة الكهربائية التي تتم معايرتها من حيث درجة الحرارة
بالإضافة إلى ذلك، تتوفر أيضًا أجهزة الاستشعار متعددة الوظائف في الوقت الحاضر. في المستشعر متعدد الوظائف، يتم تكديس عدة طبقات ذات وظائف مختلفة واحدة فوق الأخرى وتستخدم للكشف عن كميات متعددة مثل درجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك، في وقت واحد.
يتم وضع هذه الطبقات المتعددة بين الأقطاب الكهربائية ويتم ترسيب الهيكل بأكمله على مادة ركيزة مكونة من قاعدة بوليمرية. لقد تم بنجاح تصنيع جهاز استشعار متعدد الوظائف يتمتع بالقدرة على قياس الضغط ودرجة الحرارة في وقت واحد في مجال الرعاية الصحية.
يتضح من المناقشة أعلاه أن أجهزة الاستشعار المرنة والقابلة للارتداء قد حققت تقدمًا كبيرًا في السنوات القليلة الماضية. تجد هذه المستشعرات، جنبًا إلى جنب مع الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء، عددًا كبيرًا من التطبيقات في المجتمع. تعد مساهمة أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء في مجال الرعاية الصحية والمجال الطبي ملحوظة، ومن المتوقع أن تنمو مساهمتها بشكل أكبر في المستقبل القريب.
تبدو أجهزة الاستشعار متعددة الوظائف ذات القدرة على قياس كميات متعددة في نفس الوقت واعدة للغاية. كما أثبتت تقنية التصنيع الإضافي أنها مثمرة جدًا لتصنيع تصميمات ثلاثية الأبعاد معقدة لأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء.
إن مفهوم التحكم في المسامية في أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء لتعزيز قدرتها على الاستشعار هو أيضًا جديد ومن المتوقع أن يحقق نتائج جيدة إذا تم تنفيذه بطريقة ذكية.
أطلق العنان للقوة
من الخاص بك أفكار
ارفع مستوى معرفتك ببراءات الاختراع
رؤى حصرية بانتظارك في نشرتنا الإخبارية
طلب استدعاء!
شكرًا لك على اهتمامك بشركة TT Consultants. يرجى ملء النموذج وسوف نتصل بك قريبا
طلب استدعاء!
شكرًا لك على اهتمامك بشركة TT Consultants. يرجى ملء النموذج وسوف نتصل بك قريبا
