Nowe czujniki mogą umożliwić inteligentniejsze tekstyliów

Heineken: Ensuring production continuity with 3D printing (Lipiec 2019).

Anonim

Zespół inżynierów z Uniwersytetu Delaware opracowuje inteligentne tkaniny nowej generacji, tworząc elastyczne nanorurki węglowe na szerokiej gamie włókien, w tym bawełnie, nylonie i wełnie. Ich odkrycie zostało opisane w czasopiśmie ACS Sensors, gdzie wykazują zdolność mierzenia wyjątkowo szerokiego zakresu nacisku - od lekkiego dotyku koniuszka palca do przejechania przez wózek widłowy.

Tkanina pokryta tą technologią wykrywania może być używana w przyszłych "inteligentnych ubraniach", w których czujniki są wsuwane w podeszwy butów lub przyszyte w odzież w celu wykrycia ruchu człowieka.

Nanorurki węglowe nadają temu lekkiemu, elastycznemu, oddychającemu materiałowi imponującą zdolność wykrywania. Po ściśnięciu materiału można łatwo zmierzyć duże zmiany elektryczne tkaniny.

"Jako czujnik jest bardzo czuły na siły od dotyku do ton", powiedział Erik Thostenson, profesor nadzwyczajny w wydziałach inżynierii mechanicznej i inżynierii materiałowej.

Powłoki nanokompozytowe elektroprzewodzące na przewodach nerwowych są wytwarzane na włóknach przy użyciu elektroforetycznego osadzania (EPD) nanorurek węglowych funkcjonalizowanych polietylenoiminą.

"Filmy zachowują się jak barwnik, który dodaje funkcję wykrywania elektrycznego" - powiedział Thostenson. "Opracowany w moim laboratorium proces EPD tworzy bardzo jednolitą powłokę nanokompozytową silnie związaną z powierzchnią włókna, która jest skalowalna przemysłowo do przyszłych zastosowań."

Teraz naukowcy mogą dodać te czujniki do tkaniny w sposób lepszy od obecnych metod wytwarzania inteligentnych tekstyliów. Istniejące techniki, takie jak powlekanie włókien metalem lub drutem z włókien i splotów metalu, mogą obniżyć komfort i trwałość tkanin, powiedział Thostenson, który kieruje Laboratorium Wielofunkcyjnych Kompozytów UD. Powłoka nanokompozytowa opracowana przez grupę Thostenson jest elastyczna i przyjemna w dotyku i została przetestowana na wielu naturalnych i syntetycznych włóknach, takich jak kevlar, wełna, nylon, spandex i poliester. Powłoki mają grubość od 250 do 750 nanometrów - około 0, 25 do 0, 75 procent grubości w postaci kawałka papieru - i tylko dodają około gram ciężaru do typowego buta lub odzieży. Co więcej, materiały użyte do wykonania powłoki czujnika są niedrogie i stosunkowo przyjazne dla środowiska, ponieważ mogą być przetwarzane w temperaturze pokojowej z użyciem wody jako rozpuszczalnika.

Odkrywanie przyszłych aplikacji

Potencjalnym zastosowaniem tkaniny z powłoką czujnika jest mierzenie sił na stopach ludzi podczas chodzenia. Te dane mogą pomóc klinicystom ocenić brak równowagi po urazie lub pomóc w zapobieganiu urazom u sportowców. W szczególności, grupa badawcza Thostensona współpracuje z Jill Higginson, profesor inżynierii mechanicznej i kierownikiem Laboratorium Biomechaniki Naczyń w UD, a jej grupa w ramach projektu pilotażowego finansowanego przez Delaware INBRE. Ich celem jest sprawdzenie, w jaki sposób te czujniki, po osadzeniu w obuwiu, porównują się z biomechanicznymi technikami laboratoryjnymi, takimi jak oprzyrządowane bieżnie i przechwytywanie ruchu.

Podczas testów laboratoryjnych ludzie wiedzą, że są obserwowani, ale poza laboratorium zachowanie może być inne.

"Jednym z naszych pomysłów jest to, że możemy wykorzystać te nowe tkaniny poza laboratoryjnymi ustawieniami - idąc ulicą, w domu, gdziekolwiek, " powiedział Thostenson.

Sagar Doshi, doktorant w dziedzinie inżynierii mechanicznej w UD, jest głównym autorem artykułu. Pracował nad stworzeniem czujników, optymalizując ich czułość, testując ich właściwości mechaniczne i integrując je w sandały i buty. W testach wstępnych nosił czujniki i jak dotąd czujniki zbierają dane, które porównują z danymi zebranymi przez płytkę siłową, urządzenie laboratoryjne, które zazwyczaj kosztuje tysiące dolarów.

"Ponieważ niski koszt czujnika jest cienki i elastyczny, istnieje możliwość stworzenia niestandardowego obuwia i innych ubrań ze zintegrowaną elektroniką do przechowywania danych podczas ich codziennego życia" - powiedział Doshi. "Dane te mogą być analizowane później przez badaczy lub terapeutów w celu oceny wydajności i ostatecznie obniżyć koszty opieki zdrowotnej."

Technologia ta mogłaby również być obiecująca dla zastosowań w medycynie sportowej, po zabiegach chirurgicznych i do oceny zaburzeń ruchowych w populacjach pediatrycznych.

"Trudne może być gromadzenie danych dotyczących ruchu u dzieci w pewnym okresie czasu iw realistycznym kontekście" - powiedział Robert Akins, dyrektor Centrum Badań Klinicznych Pediatrii i Rozwoju w Szpitalu Nemours-Alfred I. duPont dla Dzieci w Wilmington i afiliowany profesor nauk materiałowych i inżynierii, inżynierii biomedycznej i nauk biologicznych w UD. "Cienkie, elastyczne, bardzo czułe czujniki, takie jak te, mogą pomóc fizycznym terapeutom i lekarzom w zdalnej ocenie mobilności dziecka, co oznacza, że ​​klinicyści mogliby gromadzić więcej danych i prawdopodobnie lepszych danych w opłacalny sposób, który wymaga mniej wizyt u kliniki niż obecnie metody mają. "

Współpraca interdyscyplinarna ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju przyszłych zastosowań, aw UD inżynierowie mają wyjątkową okazję do pracy z wykładowcami i studentami z College of Health Sciences na terenie kampusu naukowego, technologicznego i badań zaawansowanych (STAR) UD.

"Jako inżynierowie opracowujemy nowe materiały i czujniki, ale nie zawsze rozumiemy kluczowe problemy, z którymi mierzą się lekarze, fizjoterapeuci i pacjenci" - powiedział Doshi. "Współpracujemy z nimi w celu rozwiązania problemów, przed którymi stoją i albo skierujemy je do istniejącego rozwiązania, albo stworzymy innowacyjne rozwiązanie, które rozwiąże ten problem."

Grupa badawcza Thostensona wykorzystuje również czujniki oparte na nanorurkach do innych zastosowań, takich jak monitorowanie stanu konstrukcji.

"Od dłuższego czasu pracujemy z nanorurkami węglowymi i nanorurkowymi czujnikami kompozytowymi" - powiedział Thostenson, który jest afiliowanym wykładowcą w Centrum Kompozytów UD (UD-CCM). Pracując z badaczami w inżynierii lądowej, jego grupa jest pionierem w opracowywaniu elastycznych czujników nanorurek, które pomagają wykrywać pęknięcia w mostach i innych rodzajach struktur o dużej skali. "Jedną z rzeczy, które zawsze intrygowały mnie na temat kompozytów, jest to, że projektujemy je na różne długości skali, od makroskopowych geometrii części, samolotu lub skrzydła samolotu lub części samochodu, do struktury tkaniny lub włókna Następnie, nanoskalowe wzmocnienia, takie jak nanorurki węglowe i grafen, dają nam kolejny poziom, aby dopasować właściwości strukturalne i funkcjonalne materiału, chociaż nasze badania mogą mieć fundamentalne znaczenie, zawsze jest oko do zastosowań, UD-CCM ma długą historię tłumaczeń podstawowych odkrycia badawcze w laboratorium do produktów komercyjnych poprzez konsorcjum przemysłowe UD-CCM. "

menu
menu