Broderer elektronik i den næste generation af smarte stoffer

Arkæologi afslører, at mennesker begyndte at bære tøj omkring 170, 000 år siden, meget tæt på den næstsidste istid. Selv nu, selvom, de fleste moderne mennesker bærer tøj, der kun er næppe anderledes end de tidligste beklædningsgenstande. Men det er ved at ændre sig, da fleksibel elektronik i stigende grad væves ind i det, der bliver kaldt "smarte stoffer".

Mange af disse kan allerede købes, såsom leggings, der giver blide vibrationer for lettere yoga, T-shirts, der sporer spillerens præstationer og sports-bh'er, der overvåger puls. Smarte stoffer har potentielt lovende anvendelser i sundhedsvæsenet (måling af patienters hjertefrekvens og blodtryk), forsvar (overvågning af soldaters helbred og aktivitetsniveau), biler (justering af sædetemperaturer for at gøre passagererne mere komfortable) og endda smarte byer (lader skilte kommunikere med forbipasserende).

Ideelt set de elektroniske komponenter i disse beklædningsgenstande – sensorer, antenner til at overføre data og batterier til at levere strøm – vil være små, fleksibel og stort set ubemærket af deres bærere. Det gælder i dag for sensorer, hvoraf mange endda kan maskinvaskes. Men de fleste antenner og batterier er stive og ikke vandtætte, så de skal løsnes fra tøjet, inden det vaskes.

Mit arbejde på ElectroScience Laboratory ved Ohio State University har til formål at lave antenner og strømkilder, der er lige så fleksible og vaskbare. Specifikt, vi broderer elektronik direkte ind i stoffer ved hjælp af ledende tråde, som vi kalder "e-tråde".

Antenne broderi

De e-tråde, vi arbejder med, er bundter af snoede polymerfilamenter for at give styrke, hver med en metalbaseret belægning til at lede elektricitet. Polymerkernen af ​​hvert filament er typisk lavet af Kevlar eller Zylon, mens den omgivende belægning er sølv. Ti eller endda hundredvis af disse filamenter snoes derefter sammen for at danne en enkelt e-tråd, der normalt er mindre end en halv millimeter på tværs.

Disse e-tråde kan nemt bruges med almindeligt kommercielt broderiudstyr – de samme computerforbundne symaskiner, som folk bruger hver dag til at sætte deres navne på sportsjakker og sweatshirts. De broderede antenner er lette og lige så gode som deres stive kobbermodstykker, og kan være lige så indviklet som state-of-the-art printkort.

Vores e-thread antenner kan endda kombineres med almindelige tråde i mere komplekse designs, som at integrere antenner i firmalogoer eller andre designs. Vi har været i stand til at brodere antenner på stoffer så tynde som organza og så tykke som Kevlar. Når først de er broderet, ledningerne kan forbindes til sensorer og batterier ved traditionel lodning eller fleksible sammenkoblinger, der kobler komponenter sammen.

Indtil nu, vi har været i stand til at skabe smarte hatte, der læser dybe hjernesignaler til patienter med Parkinsons eller epilepsi. Vi har broderede T-shirts med antenner, der udvider rækkevidden af ​​Wi-Fi-signaler til bærerens mobiltelefon. Vi lavede også måtter og sengetøj, der overvåger spædbørns højde for at screene for en række medicinske tilstande i den tidlige barndom. Og vi har lavet foldbare antenner, der måler, hvor meget en overflade stoffet er på har bøjet eller løftet.

Bevæger sig ud over antennen

Mit laboratorium arbejder også med andre Ohio State forskere, herunder kemiker Anne Co og læge Chandan Sen, at lave fleksible stofbaserede miniature strømgeneratorer.

Vi bruger en proces, der ligner inkjetprintning, til at placere vekslende områder med sølv- og zinkprikker på stoffet. Når disse metaller kommer i kontakt med sved, saltvand eller endda væskeudledninger fra sår, sølv fungerer som den positive elektrode og zink fungerer som den negative elektrode - og elektricitet flyder mellem dem.

Vi har genereret små mængder elektricitet blot ved at få stoffet fugtigt – uden behov for yderligere kredsløb eller komponenter. Det er en fuldt fleksibel, vaskbar strømkilde, der kan forbindes med anden bærbar elektronik, eliminerer behovet for konventionelle batterier.

Både sammen og hver for sig, disse fleksible, bærbar elektronik vil forvandle tøj til forbundet, sansning, kommunikerende enheder, der passer godt ind i strukturen i det indbyrdes forbundne 21. århundrede.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.