Sistema de leitura de uma matriz piezoresistiva para próteses inteligentes

Abstract

Os sistemas de sensorização têm vindo a crescer exponencialmente nas últimas décadas, devido à descoberta de novos materiais e novas técnicas para a construção de sensores, aliado ao fato da crescente inovação e evolução da eletrónica. Neste sentido vários estudos têm sido realizados com o objetivo de conseguir introduzir diferentes sensores nos mais variados meios e aplicados às mais variadas grandezas, com a capacidade de interagirem e de se conectarem com os objetos do mundo, de um modo sensorial e inteligente, a este novo conceito dá-se o nome de Internet of Things. Com a descoberta de variados materiais orgânicos, como é o exemplo dos materiais poliméricos, estes tem sido fortemente usados em aplicações eletrónicas associadas às mais variadas áreas de desenvolvimento, como por exemplo a Biologia, a Medicina, Eletrónica de Consumo, entre outras. Um dos tipos de sensores que apresentam um excelente potencial de aplicação em áreas como a biomedicina são os sensores piezoresistivos. Como tal, a principal motivação desta dissertação é o uso das propriedades deste tipo de sensores para o estudo e desenvolvimento de uma matriz de sensores piezoresistivos flexível e desenvolvimento do respetivo sistema de leitura, para uma posterior introdução numa prótese de transfemural. Pretende-se que este sistema de sensores seja capaz de mapear as zonas onde serão aplicadas as forças na matriz bem como a respetiva grandeza dessa força, de forma a ser possível dar informação a um microcontrolador, que por sua vez comunicará com um computador podendo assim os dados ser analisados e por consequência usados para diferentes funções da prótese. Uma das particularidades deste sensor é o fato de este ser desenvolvido com recurso a eletrónica impressa num substrato flexível, facilitando assim a sua integração em diferentes meios, como por exemplo no interior de uma prótese transfemural. O método usado para a impressão dos sensores foi o screen printing, produzindo assim uma matriz (4x4) de interdigitados à base de nanopartículas de prata para posterior deposição do material piezoresistivo baseado em nanotubos de carbono. No final foi desenvolvido todo o sistema de leitura e respetivo software de análise, capaz de mapear zonas de pressão na matriz bem como a grandeza desta mesma pressão, tendo sido todos os objetivos atingidos.

The sensing systems have been growing exponentially in recent decades, due to the discovery of new materials and new techniques for the construction of sensors, coupled with the fact of increasing innovation and evolution of electronic. Several studies have been performed in order to be able to introduce different sensors in various environments and applied to many different areas, with the ability to interact and connect with the world’s objects in a sensorial and intelligent away, this new concept is called Internet of Things. With the discovery of various organic materials, as is the case of polymeric materials, these have been heavily used in electronic applications associated with various areas of development, such as Biology, Medicine, Consumption Electronics, among others. One of the types of sensors that have a large potential for application in areas such as biomedicine are the piezoresistive sensors. As such, the main motivation of this work is the use of the properties of this type of sensors for the study and development of an array of flexible piezoresistive sensors and development of the respective reading system, for later introduction into a transfemoral prosthesis. It is intended that the sensor system is capable of mapping the areas where are applied the forces in the array and the respective magnitude of that force, so that it is possible to provide information to a microcontroller, which in turn communicates with a computer and thus the data can be analysed and therefore used for different functions of the prosthesis. One of the characteristics of this sensor is the fact that it is developed using printed electronics on a flexible substrate, thus facilitating their integration in different environments, such as, inside a transfemoral prosthesis. The method used for printing the sensor was Screen Printing, thereby producing an array (4x4) of strain gauges based on silver nanoparticles for subsequent deposition of the piezoresistive material based on carbon nanotubes. At the end it was developed the respective reading system and analysis software, capable of mapping pressure zones in the matrix as well as the magnitude of that pressure, being all objectives achieved.