Hybrid triboelectric-piezoelectric nanogenerator for long-term load monitoring in total knee replacements
Notice bibliographique
Résumé
Abstract A self-powered and durable pressure sensor for large-scale pressure detection on the knee implant would be highly advantageous for designing long-lasting and reliable knee implants as well as obtaining information about knee function after the operation. The purpose of this study is to develop a robust energy harvester that can convert wide ranges of pressure to electricity to power a load sensor inside the knee implant. To efficiently convert loads to electricity, we design a cuboid-array-structured tribo-pizoelectric nanogenerator (TPENG) in vertical contact mode inside a knee implant package. The proposed TPENG is fabricated with aluminum and cuboid-patterned silicone rubber layers. Using the cuboid-patterned silicone rubber as a dielectric and aluminum as electrodes improves performance compared with previously reported self-powered sensors. The combination of 10 w t % dopamine-modified BaTiO3 piezoelectric nanoparticles in the silicone rubber enhanced electrical stability and mechanical durability of the silicone rubber. To examine the output, the package-harvester assemblies are loaded into an MTS machine under different periodic loading. Under different cyclic loading, frequencies, and resistance loads, the harvester’s output performance is also theoretically studied and experimentally verified. The proposed cuboid-array-structured TPENG integrated into the knee implant package can generate approximately 15 μ W of apparent power under dynamic compressive loading of 2200 N magnitude. In addition, as a result of the TPENG’s materials being effectively optimized, it possesses remarkable mechanical durability and signal stability, functioning after more than 30 000 cycles under 2200 N load and producing about 300 V peak to peak. We have also presented a mathematical model and numerical results that closely capture experimental results. We have reported how the TPENG charge density varies with force. This study represents a significant advancement in a better understanding of harvesting mechanical energy for instrumented knee implants to detect a load imbalance or abnormal gait patterns.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».