Sensores Têxteis

Muitos investigadores têm depositado esforços na integração de sistemas de medição de sinais vitais invisíveis no corpo, nomeadamente através da transformação desse tipo de sensores em plataformas têxteis. É já possível integrar-se tecnologias sem fios e e-têxtis no vestuário interactivo para monitorização contínua [44].

Vários materiais, técnicas e aplicações têm sido estudados no âmbito dos sensores têxteis. Alguns projectos desenvolvidos nesse âmbito incluem sensores de extensão tricotados [45-51], tecidos [52] ou costurados [53-56] com fio condutor, por deposição de borracha condutora [57-59] ou de espuma de polipirrola [60] ou produzidos com fibra óptica [61-63]; sensores amperimétricos estampados com tinta condutora [64]; electrogoniómetros (medição de ângulos) bordados [49]; sensores de temperatura através de deposição de fluoreto de polivinilideno [65], de tricotagem [66, 67] e tecelagem [68]; sensores de pressão tecidos [69, 70] ou bordados [71] com fio condutor ou por deposição de prata [72]; e sensores de humidade tecidos [73, 74], tricotados [51, 75], estampados com tinta condutora [76, 77] ou por deposição de fluoreto de polivinileno [78]. Estes são apenas alguns exemplos. O potencial das tecnologias têxteis aliadas aos novos materiais dá lugar a um infindável número de aplicações.

Wang et al. [79] desenvolveu um sensor têxtil com borracha condutora que aproveita o efeito piezoresistivo – variação da resistência em função de um estímulo mecânico – para detectar variações na pressão.

Gioberto [55] estudou a viabilidade de recorrer a pontos de costura – ponto de orlar, ponto de recobrimento e flatlock – para construir um goniómetro têxtil – sensor para medição de ângulos – baseado nas variações da resistência derivadas das dobras do matérial. Ao realizar os testes com uma extensão de 25%, verificou que o ponto com recobrimento foi o único que apresentou variações em toda a gama de medida testada, tendo os restantes atingido a saturação aos 15%, aproximadamente.

Lage et al. [75] desenvolveram uma camisola que contem eléctrodos ECG de duas derivações e um sensor de humidade para medição da frequência cardíaca e do suor do corpo. Ambos foram tricotados na própria malha com poliamida revestida a prata (fio Elitex). O sensor de humidade consiste em duas barras paralelas, em que as variações de resistência produzidas pela humidade

Figura 10) Sensor de humidade nas costas da camisola [75].

Li et al. [50] reportaram o desenvolvimento de um sensor de extensão tricotado para medição do fluxo respiratório. A malha (rib 1x1) foi produzida no tear recto Stoll CMS 32 OTC com fio de aço inoxidável (inox). Vários testes foram conduzidos com extensão máxima de 50 % para determinar os melhores parâmetros de fabricação do substrato têxtil utilizando as propriedades eléctricas como variáveis de estudo para optimização daqueles parâmetros. O sensor foi integrado numa banda elástica com fecho em Velcro, novos testes foram conduzidos no corpo e os resultados parecem demonstrar uma forma viável de se produzir um sensor de extensão para medir a respiração.

Figura 11) Esquema da banda elástica com o sensor integrado: cinza) sensor; branco) banda elástica; preto) velcro [50]

Witt et al. [61] exploraram a fibra óptica na construção de sensores de extensão para monitorização contínua da frequência respiratória. Os sensores medem o alongamento provocado pela extensão do tórax (respiração torácica) e do abdómen (respiração abdominal), seguindo princípio de monitorização com fibra óptica anteriormente estudados – redes de Bragg, reflectometria óptica no domínio do tempo e macrocurvatura. Na medição do movimento respiratório baseado nas redes de Bragg, o sensor é construído recorrendo à interferometria ultravioleta para induzir modificações no índice de refracção de luz no núcleo da fibra óptica. As fibras com redes de Bragg (FBG) reflectem um comprimento de onda específico e transmitem os restantes como um filtro. O comportamento do filtro, isto é, o comprimento de onda refletido/transmitido, altera-se com a ação mecânica a que está sujeito. A fibra óptica foi costurada numa banda elástica em zigue-zague

e aquando do alongamento, as variações do comprimento de onda de Bragg ao longo da fibra foram medidas. O sensor que mede macrocurvaturas (curvas de 180º ao longo da banda elástica) baseia-se no princípio de que alterações do raio da curvatura causadas pelo alongamento (o raio aumenta com a extensão) provocam variações de intensidade de luz, que são medidas na extremidade da fibra e que são proporcionais ao alongamento. O sensor baseado na reflectrometria óptica no domínio do tempo (RODT) mede o tempo e intensidade da luz reflectida. Impulsos luminosos são lançados para o interior da fibra e são medidas as variações de luz reflectida, resultado das mudanças no índice de refracção de luz e de deformações microscópicas provocadas pelo alongamento. O sensor foi costurado a uma banda elástica que se divide em duas partes: uma zona elástica onde está posicionado o sensor e uma zona não elástica que dá a volta ao abdómen. Esta configuração permite uma extensão do sensor bastante superior em comparação com a mesma versão com elasticidade em toda a volta (se toda a banda fosse elástica, o alongamento seria proporcional a toda a volta e, por isso, seria menor na zona do sensor do que na solução proposta). Dada a maior precisão do sensor FBG e menor tolerância ao alongamento, os autores consideram esse mais viável para respiração torácica, enquanto que os restantes podem ser usados para monitorização da respiração abdominal. Seguindo essas premissas, os autores construíram um protótipo de um equipamento para medição da respiração com o sensor FBG integrado para medir a respiração torácica e o sensor de macro curvatura direcionado para a respiração abdominal.

Figura 14) Sensor baseado na reflectometria óptica no domínio do

tempo [61]. Figura 15) Protótipo do projecto [61].

Kutzner et al. [76] recorreram à estamparia digital para desenvolver um sensor de humidade impresso numa superfície têxtil com tinta condutora (prata). O sensor é constituído por quatro camadas: uma base têxtil em algodão e poliéster, uma camada de poliuretano impressa no tecido para criar uma superfície suficientemente lisa para estampar os eléctrodos de prata (terceira camada) e uma quarta camada sensitiva, composta por tetrafluoroetileno sulfonado O efeito sensitivo é baseado na variação da impedância, sendo a condutividade dessa camada dependente da quantidade de humidade e da temperatura. Os autores verificaram que o sensor é insensível a pequenas dobras, mas abrem-se fendas sob ação de dobras maiores. No primeiro caso, há um ligeiro aumento na resistência dos eléctrodos, mas a influência da dobra na impedância do sensor é negligenciável. Se a dobra for muito acentuada, as deformações resultam em valores de resistência dos eléctrodos na ordem dos gigaohms e o sensor perde sensibilidade à humidade. Os testes demonstraram capacidades de medição de humidade relativa entre 30% e 90%, aproximadamente.

Figura 17) Protótipo do sensor [76].

Byrne [49] estudou o desenvolvimento um sensor de extensão para medição dos ângulos de articulações, utilizando diferentes técnicas e materiais. Os três sensores foram estudados para integrar uma manga de joelho que medisse os ângulos dos movimentos do joelho. A autora procurou várias formas de expressão da peça alienada a um bom funcionamento do sensor, deixando este de ser apenas um goniómetro para se transformar numa peça de moda com funcionalidades acrescidas. A primeira solução apresentada foi produzida em malha rib 1x1 com fio condutor tricotado juntamente com o fio de lã. A segunda alternativa é uma manga com pregas que abrem com o movimento do joelho, usando tinta condutora impressa ao longo das pregas, que obtém melhor contacto quando as pregas estão fechadas. Verificando que ambas as soluções não eram viáveis do ponto de vista funcional, decidiu explorar o bordado, criando um calça de compressão em malha com um bordado condutor no joelho, nas versões homem e senhora. Das duas versões, verificou que a de homem era a que tinha maior precisão, provavelmente dada a simplicidade do desenho, em comparação com a versão de senhora.

O que é interessante analisar projecto de Byrne é a abordagem conduzida pela autora. Para além de se preocupar apenas com o correcto funcionamento do sistema, também se preocupou em trabalhar a expressão da peça e, em particular, do próprio sensor. Este é um dos mais recentes projectos de investigação em sensores de extensão têxteis (2014), notando-se a evolução da investigação nessa área. Enquanto os primeiros trabalhos se focavam exclusivamente na tecnologia, os projectos mais recentes trabalham os sensores têxteis do ponto de vista da função e da expressão do material.