Novejši senzorji bi omogočili pametnejše tekstilije

The Choice is Ours (2016) Official Full Version (Junij 2019).

Anonim

Ekipa inženirjev Univerze v Delawarju razvija pametno tekstilno blago naslednje generacije z ustvarjanjem prožnih kompozitnih premazov ogljikovih nanocevk na široko paleto vlaken, vključno z bombažem, najlonom in volno. Njihovo odkritje je opisano v reviji ACS Sensors, kjer dokazujejo sposobnost izmeriti izjemno širok razpon pritiska - od lahkega dotika konice prstov, da ga prevaža viličar.

Tkanine, prevlečene s to senzorsko tehnologijo, bi se lahko uporabile v prihodnjih "pametnih oblačilih", kjer so senzorji zdrsnjeni v podplati čevljev ali šivani v oblačila za odkrivanje človeškega gibanja.

Ogljikove nanocevke dajejo ta lahka, prožna, zračna tkanina, ki omogoča impresivno zaznavanje. Ko se material stisne, se lahko velike meritve v tkanini zlahka merijo.

"Kot senzor je zelo občutljiv na sile, ki segajo od dotika na tono, " je povedal Erik Thostenson, izredni profesor na oddelkih za strojništvo in znanost o materialih in inženiringu.

Na vlakna nastanejo električni prevodni nanokompozitni premazi z živci, ki uporabljajo elektroforetsko usedanje (EPD) polietileniminskih funkcionalnih ogljikovih nanocevk.

"Filmi delujejo podobno barvi, ki dodaja funkcijo električnega zaznavanja, " je dejal Thostenson. "Postopek EPD, razvit v mojem laboratoriju, ustvarja ta zelo enakomeren nanokompozitni premaz, ki je močno vezan na površino vlakna. Postopek je industrijsko razširljiv za prihodnje aplikacije."

Zdaj lahko raziskovalci dodajo te senzorje tkanini na način, ki je boljši od sedanjih metod za izdelavo pametnih tekstilij. Obstoječe tehnike, kot so prevlečenje vlaken s kovinskimi ali pletilnimi vlakni in kovinske strune skupaj, lahko zmanjšajo udobje in vzdržljivost tkanin, pravi Thostenson, ki usmerja UD-jev Multifunkcionalni kompozitni laboratorij. Nanokompozitni premaz, ki ga je razvila skupina Thostenson, je prilagodljiv in prijeten na dotik in je bil preizkušen na vrsti naravnih in sintetičnih vlaken, vključno z Kevlarjem, volno, najlonom, Spandexom in poliestrom. Prevleke so debele od 250 do 750 nanometrov, kar je približno 0, 25 do 0, 75 odstotkov debelih kosov papirja, in bi samo tipični čevelj ali oblačilo dodal le približno 1 gram teže. Še več, materiali, uporabljeni za izdelavo senzorja, so poceni in relativno okolju prijazni, saj jih je mogoče obdelati pri sobni temperaturi z vodo kot topilom.

Raziskovanje prihodnjih aplikacij

Ena možna uporaba tkanine, prevlečene s senzorjem, je merjenje sile na nogah ljudi, ko hodijo. Ti podatki bi lahko pomagali zdravnikom oceniti neravnovesja po poškodbi ali pomagati preprečiti poškodbe pri športnikih. Natančneje, raziskovalna skupina Thostenson sodeluje z Jillom Higginsonom, profesorjem strojništva in direktorico laboratorija za neuromuskularno biomehaniko na UD, in njeno skupino v okviru pilotnega projekta, ki ga financira Delaware INBRE. Njihov cilj je videti, kako se ti senzorji, ko so vgrajeni v obutev, primerjajo z biomehaničnimi laboratorijskimi tehnikami, kot so instrumentne tekalne steze in zajemanje gibanja.

Med testiranjem v laboratoriju ljudje vedo, da jih gledajo, vendar zunaj laboratorija je vedenje lahko drugačno.

"Eden od naših idej je, da bi lahko uporabili te nove tekstilije zunaj laboratorijskih nastavitev - hodili po ulici, doma, kjerkoli, " je dejal Thostenson.

Sagar Doshi, doktorski študent iz strojništva na UD, je vodilni avtor na papirju. Delal je na izdelavi senzorjev, optimizaciji njihove občutljivosti, preizkušanju njihovih mehanskih lastnosti in vključevanju v sandale in čevlje. V predhodnih preskusih je nosil senzorje, senzorji pa zbirajo podatke, ki se primerjajo s tistimi, ki jih zbere sile, laboratorijsko napravo, ki običajno stane na tisoče dolarjev.

"Ker je poceni senzor tanek in fleksibilen, obstaja možnost ustvarjanja prilagojene obutve in drugih oblačil z integrirano elektroniko za shranjevanje podatkov med vsakodnevnim življenjem, " je dejal Doshi. "Te podatke lahko kasneje analizirajo raziskovalci ali terapevti, da bi ocenili uspešnost in na koncu znižali stroške zdravstvenega varstva."

Ta tehnologija bi lahko bila tudi obetavna za aplikacije športne medicine, post-kirurško okrevanje in za ocenjevanje motenj gibanja pri pediatričnih populacijah.

"Izziv je zbiranje podatkov o gibanju pri otrocih v določenem časovnem obdobju in v realnem kontekstu", je povedal Robert Akins, direktor Centra za pediatrične klinične raziskave in razvoj v bolnišnici Nemours-Alfred I. duPont za otroke v Wilmingtonu in povezani profesor materialov znanosti in inženirstva, biomedicinski inženiring in biološke znanosti na UD. "Tanki, fleksibilni in zelo občutljivi senzorji, kot je ta, bi fizičnim terapevtom in zdravnikom pomagali fizično oceniti otrokovo mobilnost na daljavo, kar pomeni, da lahko zdravniki zbirajo več podatkov in morda boljše podatke na stroškovno učinkovit način, ki zahteva manj obiskov na ambulanti kot sedanji metode delajo. "

Interdisciplinarno sodelovanje je bistvenega pomena za razvoj prihodnjih aplikacij, pri UD pa imajo inženirji edinstveno priložnost sodelovati s profesorji in študenti iz Visoke šole za zdravstvene vede na Univerzi za znanost, tehnologijo in napredne raziskave (STAR).

"Kot inženirji razvijamo nove materiale in senzorje, vendar ne razumemo vedno ključnih problemov, s katerimi se soočajo zdravniki, fizioterapevti in bolniki", je dejal Doshi. "Sodelujemo z njimi, da se lotimo problemov, s katerimi se soočajo, in jih usmerite v obstoječo rešitev ali ustvarite inovativno rešitev za rešitev tega problema."

Raziskovalna skupina Thostenson uporablja tudi senzorje na osnovi nanocevk za druge aplikacije, kot je strukturno spremljanje zdravja.

"Delali smo z ogljikovimi nanocevkami in kompozitnimi senzorji na osnovi nanocevk, " je povedal Thostenson, ki je povezana fakulteta UD-centra za kompozitne materiale (UD-CCM). Delo z raziskovalci iz gradbenega inženirstva je njegova skupina začela razvijati prožne senzorje nanocevk za pomoč pri odkrivanju razpok v mostovih in drugih vrstah velikih struktur. "Ena od stvari, ki me je vedno zanimalo za kompozite, je, da jih oblikujemo v različnih dolžinah, vse od geometrije makroskopskih delov, letala ali letalskega krila ali dela avtomobila do strukture tkanine ali vlaken Nadomestne ojačitve, kot so ogljikove nanocevke in grafene, nam dajo še eno raven, da prilagodimo strukturne in funkcionalne lastnosti materiala. Čeprav naše raziskave so lahko temeljne, je vedno pri iskanju aplikacij. UD-CCM ima dolgo zgodovino prevajanja temeljnih raziskovalna odkritja v laboratoriju za komercialne izdelke preko industrijskega konzorcija UD-CCM. "

menu
menu