Fleksible carbon nanorørfibre vævet ind i tøj samler nøjagtigt EKG, hjerterytme

Der er ingen grund til at tage ubehagelige smarture eller brystremme på for at overvåge dit hjerte, hvis din behagelige skjorte kan gøre et bedre stykke arbejde.

Det er ideen bag "smart tøj" udviklet af et Rice University laboratorium, som brugte sin ledende nanorørtråd til at flette funktionalitet ind i almindeligt tøj.

Den Brown School of Engineering lab af kemisk og biomolekylær ingeniør Matteo Pasquali rapporterede i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver at den syede nanorørfibre ind i sportstøj for at overvåge hjertefrekvensen og tage et kontinuerligt elektrokardiogram (EKG) af bæreren.

Fibrene er lige så ledende som metaltråde, men vaskbar, behagelig og langt mindre tilbøjelig til at gå i stykker, når en krop er i bevægelse, ifølge forskerne.

I det hele taget skjorten, de forbedrede, var bedre til at indsamle data end en standard brystbæltemonitor, der tog direkte målinger under eksperimenter. Når de matches med kommercielle medicinske elektrodemonitorer, carbon nanorør-skjorten gav lidt bedre EKG'er.

"Skjorten skal sidde tæt mod brystet, " sagde Rice-studerende Lauren Taylor, hovedforfatter af undersøgelsen. "I fremtidige undersøgelser, vi vil fokusere på at bruge tættere pletter af carbon nanorør-tråde, så der er mere overfladeareal til at komme i kontakt med huden."

Forskerne bemærkede, at nanorørfibre er bløde og fleksible, og tøj, der indeholder dem, kan maskinvaskes. Fibrene kan maskinsyes til stof ligesom standardtråd. Zickzag-symønsteret gør det muligt for stoffet at strække sig uden at knække dem.

Fibrene gav ikke kun stabil elektrisk kontakt med bærerens hud, men tjente også som elektroder til at forbinde elektronik som Bluetooth-sendere til at videresende data til en smartphone eller forbinde til en Holter-monitor der kan opbevares i en brugers lomme, sagde Taylor.

Pasqualis laboratorium introducerede carbon nanorørfiber i 2013. Siden da har fibrene, hver indeholder titusinder af nanorør, er blevet undersøgt til brug som broer til at reparere beskadigede hjerter, som elektriske grænseflader med hjernen, til brug i cochleaimplantater, som fleksible antenner og til bil- og rumfartsapplikationer. Deres udvikling er også en del af den risbaserede Carbon Hub, et forskningsinitiativ på flere universiteter ledet af Rice og lanceret i 2019.

De originale nanorør filamenter, omkring 22 mikron bred, var for tynde til at en symaskine kunne håndtere. Taylor sagde, at en rebslager blev brugt til at skabe en sybar tråd, i det væsentlige tre bundter af syv filamenter hver, vævet ind i en størrelse, der nogenlunde svarer til almindelig tråd.

"Vi arbejdede med en, der sælger små maskiner designet til at lave reb til modelskibe, " sagde Taylor, som først prøvede at væve tråden i hånden, med begrænset succes. "Han var i stand til at lave os en mellemstor enhed, der gør det samme."

Hun sagde, at zigzag-mønsteret kan justeres for at tage højde for, hvor meget en skjorte eller andet stof sandsynligvis vil strække sig. Taylor sagde, at holdet arbejder sammen med Dr. Mehdi Razavi og hans kolleger ved Texas Heart Institute for at finde ud af, hvordan man maksimerer kontakten med huden.

Fibre vævet ind i stof kan også bruges til at indlejre antenner eller LED'er, ifølge forskerne. Mindre ændringer af fibrenes geometri og tilhørende elektronik kunne i sidste ende gøre det muligt for tøj at overvåge vitale tegn, kraftanstrengelse eller respirationsfrekvens.

Taylor bemærkede, at andre potentielle anvendelser kunne omfatte menneske-maskine-grænseflader til biler eller blød robotteknologi, eller som antenner, sundhedsmonitorer og ballistisk beskyttelse i militæruniformer. "Vi demonstrerede med en samarbejdspartner for et par år siden, at carbon nanorørfibre er bedre til at sprede energi på vægtbasis end Kevlar, og det var uden nogle af de gevinster, vi siden har haft i trækstyrke, " hun sagde.

"Vi ser, at efter to årtiers udvikling i laboratorier verden over, dette materiale fungerer i flere og flere applikationer, " sagde Pasquali. "På grund af kombinationen af ledningsevne, god kontakt med huden, biokompatibilitet og blødhed, carbon nanorør tråde er en naturlig komponent til wearables."

Han sagde, at det bærbare marked, selvom det er relativt lille, kunne være et indgangspunkt for en ny generation af bæredygtige materialer, der kan udvindes fra kulbrinter via direkte spaltning, en proces, der også producerer rent brint. Udvikling af sådanne materialer er et fokus på Carbon Hub.

"Vi er i samme situation som solceller var for et par årtier siden, " sagde Pasquali. "Vi har brug for applikationsledere, der kan give et træk til at opskalere produktionen og øge effektiviteten."