تعتبر أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء التي تعمل بالطاقة الذاتية من المجالات المتقدمة في تكنولوجيا النانو، والتي تمثل واحدة من أهم الابتكارات في رصد حركة الجسم البشري. يسلط هذا المقال الضوء على بحث جديد يتركز حول تطوير حساس حركة يعمل بالطاقة الذاتية، يعتمد على فيلم مركب من الكربون الناجم عن الكتلة الحيوية و”بولي فينيل كحول” (PVA). يقدم الباحثون، تحت إشراف فريق من جامعة لوليانغ في الصين، تقنية جديدة لابتكار فيلم مركب يضمن حساسية عالية واستقرارًا في الأداء، مما يتيح الاستجابة الحقيقية للحركات المختلفة، مثل إشارات اليد أو حتى اهتزازات الحبال الصوتية. سيتناول المقال بالتفصيل عملية التصميم والتصنيع وراء هذا الابتكار والخصائص الفريدة التي تجعل هذا الحساس مثالياً للتطبيقات في مجالات الرعاية الصحية، تتبع الحركة، وغيرها من الاستخدامات التكنولوجية الحديثة.
استشعار الحركة القابلة للارتداء المستندة إلى الأفلام الحيوية القائمة على الكربون والبوليمر
تتزايد الحاجة إلى أجهزة استشعار الحركة القابلة للارتداء، خاصة في المجالات المتعلقة بتعقب الحركة ومراقبة الحالة الصحية والوقاية من الأمراض. يواجه المستشعرون التقليديون المعتمدون على البطاريات تحديات تتعلق بالصلابة وقصر عمر البطاريات، مما يزيد من الحاجة إلى تطوير تكنولوجيا جديدة تتيح استخدام أجهزة استشعار أكثر مرونة وقابلية للتكيف. وتعتبر مولدات الطاقة التريبوإلكتريكية (TENGs) أحد البدائل البارزة، حيث تقدم تكاليف أقل وعمليات تصنيع أسهل وملاءمة بيئية متنوعة. تعتبر هذه التكنولوجيا مناسبة بشكل خاص لتلبية متطلبات الطاقة لشبكات مستشعرات قابلة للارتداء، مما يفتح آفاقاً جديدة في تطوير أجهزة استشعار إلكترونية متطورة. يتمثل الابتكار في هذه الدراسة في تطوير فيلم مركب يعتمد على الكربون والبوليمر، والذي يتضمن إدماج نقاط الكربون المستندة إلى قشور الحمضيات مع مادة البوليمر الفينولية، مما يوفر خصائص كهربائية محسنة.
خصائص الفيلم المركب المعتمد على البوليمر والكربون
تؤكد التجارب أن الفيلم المركب الناتج، والذي تم تصنيعه باستخدام قشور الحمضيات ونقاط الكربون، يعكس تحسناً واضحاً في الأداء الكهربائي. أظهرت النتائج أن الفيلم ينتج جهداً قمة يصل إلى 3.5 فولت عند تركيز 1.5% من نقاط الكربون، كما بلغت أقصى قيم للجهد والتيار 3.92 فولت و28.6 مللي أمبير عند تطبيق قوة مقدارها 50 نيوتن. تُظهر هذه النتائج فعالية الفيلم في تحويل الحركة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في أجهزة استشعار الحركة. تعتمد هذه الأجهزة على تقنيات مثل التعرف الآلي على الإيماءات بفضل خوارزميات التعلم الآلي، مما يوفر إمكانية فريدة للتفاعل مع تكنولوجيا المعلومات.
التقنيات والتجارب المستخدمة في الدراسة
تم توظيف مجموعة من التقنيات السريعة لتحليل الخصائص الكهربائية والميكانيكية للفيلم المركب. شملت هذه التقنيات التحليل الطيفي بالأشعة السينية، مجهر الإلكترونات الناقل، وتحليل الأشعة تحت الحمراء، مما ساعد في فهم بنية الفيلم وخصائصه. اعتمدت التجارب على قياسات الجهد والتيار عبر مجموعة من الاختبارات الميكانيكية لتحليل استجابة الجهاز عند التعرض لقوى متغيرة. أظهرت النتائج مدى استقرار الفيلم المركب ودقة ردود أفعاله، مما يتيح له التعامل مع الحركة بشكل فعّال. كما شملت الدراسة تقييم فعالية المادة في التعرف على أنواع مختلفة من الحركات، بما في ذلك اهتزاز الأوتار الصوتية وحركات اليد، مما عزز فرصة استخدام هذه التكنولوجيا في مجالات متنوعة مثل الصحة الرقمية.
تطبيقات المستقبل للجهاز القابل للارتداء
تفتح هذه الابتكارات آفاقاً واسعة لتطبيقات جديدة في مجال التكنولوجيا القابلة للارتداء. أحد التطبيقات الرئيسية هو الرصد الصحي، حيث يمكن استخدام المستشعرات لتتبع الحركة ونشاط الجسم، مما يوفر معلومات قيمة حول مستوى النشاط البدني. كما يمكن استخدام هذه الأجهزة في المراقبة الطبية، حيث تمكن الأطباء من متابعة حالة المرضى في الوقت الفعلي، مما يسهل تقديم العلاج في الوقت المناسب. أيضاً، يمكن دمجه في تقنيات الواقع المعزز أو الافتراضي لتحسين التجربة العامة للمستخدم. يمكن أن تساهم هذه الأجهزة أيضاً في تطوير أجهزة صناعة الألبسة الذكية، والتي يمكن أن تعمل على تحسين الراحة والأداء خلال الأنشطة البدنية.
التحديات المستقبلية والاتجاهات البحثية
على الرغم من النجاحات المحققة، إلا أن هذا المجال لا يزال يواجه بعض التحديات. يتطلب تحسين فعالية الأجهزة القابلة للارتداء زيادة في عمر التشغيل وتطوير تقنيات أكثر كفاءة في تحويل الطاقة. يتطلب هذا البحث المتواصل لابتكار مواد جديدة وتكوينات مستدامة. بالإضافة إلى ذلك، فإن السلامة والخصوصية في استخدام هذه الأجهزة تمثل قضايا مهمة يجب معالجتها. يفتح هذا الأمر مجالاً أمام الباحثين لاستكشاف الأساليب والتقنيات الجديدة، بما في ذلك تطوير نماذج ذكاء اصطناعي أكثر تقدماً وأجهزة استشعار مزدوجة لتوفير بيانات أكثر دقة وموثوقية.
الخلاصة
تمثل المستشعرات القابلة للارتداء القائمة على الكربون والبوليمر مستقبل التكنولوجيا. إن دمج المواد المستدامة والابتكارات في التصميم يقدم أداة قوية في مجموعة متنوعة من التطبيقات، من الصحة إلى الترفيه. ستستمر الاتجاهات البحثية في دفع التطورات في هذا المجال، مما يعزز من قدرات المستشعرات القابلة للارتداء ويفتح آفاق جديدة للابتكار.
التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء (FTIR) وخصائص الكمات الكربونية
تستخدم التقنيات الطيفية المتنوعة في دراسة المواد والخصائص الفريدة التي تتمتع بها. في حالة الكمات الكربونية (CDs)، تم إجراء تحليل Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) للكشف عن الخصائص الوظيفية لهذه المواد. يظهر الطيف الترددي في منطقة 3300-3600 سم-1 وجود مجموعات -OH و-CONH2، التي تعزز من قدرة الكمات الكربونية على امتصاص الماء، مما يجعلها تتسم بالترطيب العالي. يعتبر هذا الأمر مهمًا في التطبيقات التي تتطلب استخدام مواد لديها قدرة عالية على امتصاص السوائل، مثل المستشعرات والأسطح النشطة. وأيضاً، نجد في الطيف امتصاصات عند 2918 و2858 سم-1 تتعلق بتموجات C-H، مما يشير إلى أن هذه المواد تحتوي على المجموعات الوظيفية التي تعزز نشاطها.
تشير البيانات أيضًا إلى وجود تموجات في منطقة C=O عند حوالي 1623 سم-1، مما يدل على وجود الروابط الكربونية داخل هيكل الكمات الكربونية. ما يعزز من فعالية هذه المواد هو توزيعها المتجانس والذي يتضح في الصور الناتجة عن تقنية نقل الإلكترون (TEM)، حيث تظهر الصور تشكيلًا متينًا مع تباعد بين الطبقات يصل إلى 0.21 نانومتر. من خلال تحليل XRD، تم تحديد قمة مميزة عند زاوية 25 درجة، وهي ميزة شائعة بين الكمات الكربونية، مما يدل على تبلور المواد بشكل جيد.
الاستجابة الكهربائية للكمات الكربونية في المواد المركبة
تعتبر الكمات الكربونية (O-CDs) مكونًا مهمًا في تصنيع الأجهزة الاستشعارية بسبب خصائصها الكهربائية المميزة. تمت دراسة تأثير تركيز O-CDs على أداء مستشعرات PVA. تم إجراء تجارب باستخدام تركيزات مختلفة للـ O-CDs، وأظهرت النتائج أنه كلما زاد تركيز O-CDs، زادت الاستجابة الكهربائية للمستشعر. وهذا يُعزى إلى زيادة عدد المواقع النشطة على السطح وزيادة كثافة الشحنات على السطح التبادلي بين المواد. تساهم هذه الجوانب في ارتفاع ثابت العزل الكهربائي للمواد المركبة، مما يعزز من فعالية المستشعرات التي تعتمد على مبدأ توليد الطاقة الناتجة عن التذبذبات.
تم تحديد أن أفضل أداء كهربائي تم تحقيقه مع التركيز المثالي للـ O-CDs عند 1.5% وزناً، حيث حققت المستشعرات الناتجة فولتية قصوى تصل إلى 4 فولت، مما يعكس تحسينًا ملحوظًا مقارنةً بالمستشعرات التقليدية. ومع ذلك، يجب الانتباه إلى أن زيادة تركيز O-CDs إلى 2% أدت إلى تدهور استجابة المستشعر، وذلك بسبب كثافة التجميع التي يمكن أن تعوق الأداء الكهربائي للمواد. هذا يتيح لنا فهمًا عميقًا لأهمية التركيز الدقيق للموارد في المواد المركبة لتحقيق الأداء الأمثل.
خصائص التحمل الشبكي واستدامة الأداء لمستشعر O-CDs/PVA
تعتبر متانة الأداء على المدى الطويل عاملًا حاسمًا في جدوى استخدام المستشعرات القابلة للارتداء. تم تقييم الاستقرار الدوري لمستشعرات O-CDs/PVA عبر سلسلة من الاختبارات لمحاكاة الاستخدام المستمر. وقد أثبتت التجارب بأن الفولتية المستجيبة تبقى ثابتة نسبيًا حتى بعد 10,000 دورة من الضغط المستمر، مما يعكس استقرار الأداء على المدى الطويل. الجدير بالذكر إن الشكل العام للاستجابة الكهربائية ظل مستقرًا، حيث لم تظهر أي تغيرات ملحوظة في إشارة الفولتية حتى مع تباين الظروف البيئية مثل الرطوبة والحرارة.
أهمية الاستقرار الدائري تتجلى في التطبيقات العملية، حيث تضمن أن يكون المستشعر فعّالًا في ظروف الاستخدام المختلفة. أظهرت التشويشات في الفولتية استقرارًا داخل حدود ±30 نانو أمبير، مما يعكس القدرة الاستقرارية للمستشعر الذي يمكن استخدامه في مختلف الظروف البيئية. بالنظر إلى التطبيقات المحتملة للمستشعرات في مراقبة الأنشطة البدنية والتفاعل مع مستخدمي التقنية، فإن هذه الخصائص تضمن أن التقنيات المستخدمة تتمتع باستدامة وجودة على المدى الطويل.
تطبيق مستشعر O-CDs/PVA في مراقبة الحركة البشرية والتعرف على الإيماءات
تظهر التطبيقات العملية لمستشعرات O-CDs/PVA إمكانيات كبيرة في مراقبة الحركة البشرية والأنشطة اليومية. تم استخدام هذه المستشعرات لرصد حركة الأصابع وتعرف الإيماءات، مما يسلط الضوء على قدرة التكنولوجيا على التفاعل مع الأنشطة البشرية. تم توصيل المستشعرات بمفاصل الأصابع لتسجيل زوايا الانحناء المختلفة، وقد أثبتت النتائج وجود ارتفاع متزايد في الفولتية استجابةً لزيادة زاوية الانحناء. هذا، بدوره، يتيح القدرة على الربط بين الحركة الكهربائية والحركة الفيزيائية، مما يعني تحسين تجربة المستخدم.
عند تقييم مجموعة متنوعة من الإيماءات (مثل “حسنا” و”أحب” و”قبضة اليد”)، تم توصيل المستشعرات بأصابع اليد المختلفة وسجلت اختلافات واضحة في نمط الإشارة الكهربائية. التعرف على هذه الإيماءات استدعى استخدام خوارزمية دعم النماذج التقديرية (SVM) لتحقيق تصنيف دقيق. وقد أظهرت النتائج قدرة خوارزمية SVM على التعلم والتصنيف بدقة تصل إلى 100% في مجموعة الاختبار. هذه النتائج تفتح آفاق التعاون والتفاعل بين الإنسان والآلة، مما يدعم البطولات في الاستخدامات المحتملة لهذه التقنية في الألعاب، الروبوتات التفاعلية، وحتى التطبيقات الطبية.
ميزات موجة الجهد الاستجابة الفريدة
تعتبر ميزات موجة الجهد الاستجابة الفريدة من العناصر الأساسية في العديد من التطبيقات التكنولوجية، وخاصة في مجال استشعار الحركة والتعرف على الصوت. تظهر البيانات التجريبية من دراسة تطبيقات حساسات O-CDs/PVA في قياس التعبيرات الصوتية، مثل “مرحبًا”، “وداعًا”، و”جيد جدًا”، أن النتائج توضح اختلافات واضحة في تردد اهتزاز الحبال الصوتية وحجم الصوت. هذا يمكن أن يتيح تمييزًا دقيقًا بين الأصوات المختلفة، مما يفتح أبوابًا جديدة لتطوير تقنيات متقدمة في مشروعات التعرف على الصوت، ونظم المساعدة والتفاعل الأكثر فعالية بين الإنسان والآلة.
إضافة إلى ذلك، توضح النتائج أن الخاصيات الكهربائية لمستشعرات O-CDs/PVA تتضمن استجابة قوية وموثوقة تحت مجموعة واسعة من الظروف. على سبيل المثال، يساعد التعرف على حركات الجسم المختلفة، مثل التمدد والانحناء، في تحسين دقة التطبيقات المستخدمة في المساعدات الطبية والتدريب الرياضي. كما تُظهر التجارب مدى فعالية هذه المستشعرات في قياس الانحناء في مفاصل الأصابع بدقة عالية، مما يسمح بالتعرف الذكي على الإيماءات باستخدام خوارزمية SVM لتفكيك إشارات الخرج بدقة.
الكفاءة العالية لمستشعر O-CDs/PVA
يتسم مستشعر O-CDs/PVA بكفاءة عالية في تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، مما يجعله مثالياً للاستخدام في التطبيقات القابلة للارتداء. يحقق المستشعر أقصى استجابة تحت ضغط يتراوح بين 15N و50N، حيث تصل استجابة الجهد عند ضغط 50N إلى 3.92 فولت، وهذا يعكس قدرة المستشعر على الاستجابة لأحمال مختلفة بنجاح. تم اختبار هذه الخصائص في بيئات متنوعة لضمان الاستقرار الديناميكي للمستشعر تحت تأثيرات الحرارة والرطوبة المختلفة.
تعتبر هذه الشعبية الفائقة لاستخدام O-CDs/PVA في أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء واعدة، حيث تُظهر التجارب استقرارًا ممتازًا بعد 10,000 دورة، مما يُظهر مدى مرونة الجهاز وصفاته الميكانيكية الممتازة. أيضاً، تستند البيانات إلى إشارات خرج محسوبة لأبعاد مختلفة، لتوفير استبيان دقيق حول كيفية استجابة المستشعر للضغوط، وبالتالي تحسين قدرتها على الاستخدام في مجالات مثل الطب والرعاية الصحية ومراقبة الأنشطة.
التطبيقات المستقبلية لحساسات O-CDs/PVA
تنبؤ بأن تكون لحساسات O-CDs/PVA تأثير كبير في العديد من المجالات. مع التركيز على التآزر بين تكنولوجيا الاستشعار الذكي وتكنولوجيا الهواتف المحمولة والحد من الأثر البيئي، قد تصبح هذه الحساسات جزءًا لا يتجزأ من الأجهزة القابلة للارتداء. تشمل ممارسات الاستخدام المستقبلية مراقبة الأنشطة الرياضية، مثل المشي والركض والقفز، حيث تسمح بقراءة دقيقة للحركة ومتابعة الأداء.
يمكن تصور الاستخدامات المحتملة في مجالات الرعاية الصحية، حيث تساعد الحساسات في رصد الصحة العامة ومراقبة الوظائف الحيوية للمرضى، مثل نبضات القلب وحركات الجسم الأخرى. بفضل التطورات الحاصلة في تكنولوجيا المستشعر والقدرة على دمج الذكاء الاصطناعي في بيانات الحركات، سيكون لها آثار عميقة على تطوير أجهزة طبية ذكية. هذه الأجهزة سوف تكون قادرة على تحسين فعالية العلاج من خلال مراقبة دقيقة وفورية لحالة المريض.
التحديات والفرص في مجال الحساسات القابلة للارتداء
رغم الامكانيات الكبيرة التي تقدمها حساسات O-CDs/PVA، تواجه الصناعة تحديات عدة. أولاً، تحتاج تكنولوجيا الإنتاج إلى التحسين لتقليل التكلفة والحفاظ على الاستدامة. استخدام المواد القابلة للتحلل في الحساسات هو من المبادرات العظيمة التي تؤكد التوجه نحو تقنيات صديقة للبيئة. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري تحسين مستوى دقة الاستشعار والقدرة على العمل في بيئات قاسية، مثل الأجواء الحارة أو الرطبة.
تتطلب التجارب المستمرة والأبحاث المتقدمة العمل على تحديات تحسين الاستجابة لتنوع الظروف، مثل مستوى الرطوبة والتغيرات في درجة الحرارة. يكون ذلك مهمًا جدًا لضمان موثوقية الأنظمة أثناء استخدامها في الحياة اليومية. من خلال تحسين الربط بين البيانات المأخوذة من أنظمة الاستشعار، وزيادة التواصل بين الأجهزة، سيكون هناك فرص لمزيد من التقدم المذهل في التطبيقات المستقبلية.
رابط المصدر: https://pubs.aip.org/aip/apm/article/12/9/091121/3314016/Wearable-self-powered-motion-sensor-based-on?searchresult=1
تم استخدام الذكاء الاصطناعي ezycontent
اترك تعليقاً