Nye sensorer kunne muliggøre smartere tekstiler

Et team af ingeniører ved University of Delaware udvikler næste generation af smarte tekstiler ved at skabe fleksible carbon nanorør-kompositbelægninger på en lang række fibre, inklusive bomuld, nylon og uld. Deres opdagelse er rapporteret i tidsskriftet ACS sensorer hvor de demonstrerer evnen til at måle et usædvanligt bredt trykområde – fra den lette berøring af en fingerspids til at blive kørt over af en gaffeltruck.

Stof belagt med denne sensorteknologi kan bruges i fremtidens "smarte beklædningsgenstande", hvor sensorerne sættes ind i skosålerne eller sys ind i tøjet for at registrere menneskelig bevægelse.

Carbon nanorør giver dette lys, fleksibel, åndbar stofbelægning imponerende føleevne. Når materialet klemmes, store elektriske ændringer i stoffet kan let måles.

"Som sensor, den er meget følsom over for kræfter lige fra berøring til tons, sagde Erik Thostenson, en lektor ved Institut for Maskinteknik og Materialevidenskab og Teknik.

Nervelignende elektrisk ledende nanokompositbelægninger skabes på fibrene ved hjælp af elektroforetisk aflejring (EPD) af polyethyleniminfunktionaliserede kulstofnanorør.

"Filmene fungerer meget som et farvestof, der tilføjer elektrisk sensorfunktionalitet, " sagde Thostenson. "EPD-processen udviklet i mit laboratorium skaber denne meget ensartede nanokompositbelægning, der er stærkt bundet til fiberens overflade. Processen er industrielt skalerbar til fremtidige applikationer."

Nu, forskere kan tilføje disse sensorer til stof på en måde, der er overlegen i forhold til nuværende metoder til fremstilling af smarte tekstiler. Eksisterende teknikker, såsom plettering af fibre med metal eller strikkefibre og metaltråde sammen, kan reducere komforten og holdbarheden af ​​stoffer, sagde Thostenson, der leder UD's multifunktionelle kompositlaboratorium. Nanokompositbelægningen udviklet af Thostensons gruppe er fleksibel og behagelig at røre ved og er blevet testet på en række naturlige og syntetiske fibre, inklusive Kevlar, uld, nylon, Spandex og polyester. Belægningerne er kun 250 til 750 nanometer tykke - omkring 0,25 til 0,75 procent så tykke som et stykke papir - og ville kun tilføje omkring et gram vægt til en typisk sko eller beklædningsgenstand. Hvad mere er, materialerne, der bruges til at fremstille sensorbelægningen, er billige og relativt miljøvenlige, da de kan behandles ved stuetemperatur med vand som opløsningsmiddel.

Udforskning af fremtidige applikationer

En potentiel anvendelse af det sensorbelagte stof er at måle kræfter på folks fødder, mens de går. Disse data kan hjælpe klinikere med at vurdere ubalancer efter skade eller hjælpe med at forhindre skade hos atleter. Specifikt, Thostensons forskningsgruppe samarbejder med Jill Higginson, professor i maskinteknik og direktør for Neuromuscular Biomechanics Lab ved UD, og hendes gruppe som en del af et pilotprojekt finansieret af Delaware INBRE. Deres mål er at se, hvordan disse sensorer, når den er indlejret i fodtøj, sammenligne med biomekaniske laboratorieteknikker såsom instrumenterede løbebånd og motion capture.

Under laboratorietest, folk ved, de bliver overvåget, men uden for laboratoriet, adfærd kan være anderledes.

"En af vores ideer er, at vi kunne bruge disse nye tekstiler uden for et laboratoriemiljø - når vi går ned ad gaden, hjemme, hvor som helst, sagde Thostenson.

Sagar Doshi, en doktorand i maskinteknik ved UD, er hovedforfatter på papiret. Han arbejdede på at lave sensorerne, optimere deres følsomhed, at teste deres mekaniske egenskaber og integrere dem i sandaler og sko. Han har båret sensorerne i foreløbige tests, og indtil videre, sensorerne indsamler data, der kan sammenlignes med dem, der indsamles af en kraftplade, et laboratorieudstyr, der typisk koster tusindvis af dollars.

"Fordi lavprissensoren er tynd og fleksibel, er der mulighed for at skabe brugerdefineret fodtøj og andet tøj med integreret elektronik til at gemme data i deres daglige liv, " sagde Doshi. "Disse data kan senere analyseres af forskere eller terapeuter for at vurdere ydeevne og i sidste ende reducere omkostningerne til sundhedspleje."

Denne teknologi kunne også være lovende til sportsmedicinske applikationer, post-kirurgisk bedring, og til vurdering af bevægelsesforstyrrelser i pædiatriske populationer.

"Det kan være udfordrende at indsamle bevægelsesdata hos børn over en periode og i en realistisk kontekst, " sagde Robert Akins, Direktør for Center for Pædiatrisk Klinisk Forskning og Udvikling ved Nemours—Alfred I. duPont Hospital for Børn i Wilmington og tilknyttet professor i materialevidenskab og teknik, biomedicinsk teknik og biologiske videnskaber på UD. "Tynd, fleksibel, meget følsomme sensorer som disse kunne hjælpe fysioterapeuter og læger med at vurdere et barns mobilitet på afstand, hvilket betyder, at klinikere kunne indsamle flere data, og muligvis bedre data, på en omkostningseffektiv måde, der kræver færre besøg på klinikken, end de nuværende metoder gør."

Tværfagligt samarbejde er afgørende for udviklingen af ​​fremtidige applikationer, og på UD, ingeniører har en unik mulighed for at arbejde sammen med fakulteter og studerende fra College of Health Sciences om UD's Science, Teknologi og avanceret forskning (STAR) Campus.

"Som ingeniører vi udvikler nye materialer og sensorer, men vi forstår ikke altid de vigtigste problemer, som læger, fysioterapeuter og patienter står over for, " sagde Doshi. "Vi samarbejder med dem for at arbejde på de problemer, de står over for og enten lede dem til en eksisterende løsning eller skabe en innovativ løsning til at løse det problem."

Thostensons forskningsgruppe bruger også nanorør-baserede sensorer til andre applikationer, såsom strukturel sundhedsovervågning.

"Vi har arbejdet med kulstof nanorør og nanorør-baserede kompositsensorer i lang tid, " sagde Thostenson, der er tilknyttet fakultet ved UDs Center for Kompositmaterialer (UD-CCM). I samarbejde med forskere inden for civilingeniør har hans gruppe været banebrydende i udviklingen af ​​fleksible nanorørssensorer til at hjælpe med at opdage revner i broer og andre typer storskalastrukturer. "En af de ting, der altid har fascineret mig ved kompositter, er, at vi designer dem i varierende skalaer, hele vejen fra de makroskopiske delegeometrier, et fly eller en flyvinge eller en del af en bil, til stofstrukturen eller fiberniveauet. Derefter, forstærkningerne i nanoskala som carbonnanorør og grafen giver os endnu et niveau til at skræddersy materialets strukturelle og funktionelle egenskaber. Selvom vores forskning kan være fundamental, der er altid øje med ansøgninger. UD-CCM har en lang historie med at omsætte fundamentale forskningsopdagelser i laboratoriet til kommercielle produkter gennem UD-CCMs industrielle konsortium."