De nouveaux capteurs pourraient permettre des textiles plus intelligents

Anonim

Une équipe d'ingénieurs de l'Université du Delaware développe des textiles intelligents de nouvelle génération en créant des revêtements composites en nanotubes de carbone flexibles sur une large gamme de fibres, notamment le coton, le nylon et la laine. Leur découverte est rapportée dans la revue ACS Sensors, où ils démontrent la capacité de mesurer une gamme de pression exceptionnellement large, du léger toucher du bout du doigt à la conduite d’un chariot élévateur.

Le tissu recouvert de cette technologie de détection pourrait être utilisé dans les futurs «vêtements intelligents» où les capteurs sont glissés dans les semelles de chaussures ou cousus dans des vêtements pour détecter le mouvement humain.

Les nanotubes de carbone confèrent à ce revêtement en tissu léger, souple et respirant une capacité de détection impressionnante. Lorsque le matériau est comprimé, les changements électriques importants dans le tissu sont facilement mesurables.

"En tant que capteur, il est très sensible aux forces allant du toucher aux tonnes", a déclaré Erik Thostenson, professeur agrégé aux départements de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux.

Des revêtements nanocomposites électriquement conducteurs de type nerveux sont créés sur les fibres en utilisant un dépôt électrophorétique (EPD) de nanotubes de carbone fonctionnalisés par polyéthylèneimine.

"Les films agissent comme un colorant qui ajoute une fonctionnalité de détection électrique", a déclaré Thostenson. "Le processus EPD développé dans mon laboratoire crée ce revêtement nanocomposite très uniforme, fortement lié à la surface de la fibre. Le processus est industriellement évolutif pour les applications futures."

Maintenant, les chercheurs peuvent ajouter ces capteurs au tissu d'une manière supérieure aux méthodes actuelles de fabrication de textiles intelligents. Les techniques existantes, telles que le placage de fibres avec du métal ou des fibres à tricoter et des fils de métal, peuvent réduire le confort et la durabilité des tissus, a déclaré Thostenson, qui dirige le laboratoire de composites multifonctionnels de UD. Le revêtement nanocomposite développé par le groupe Thostenson est souple et agréable au toucher et a été testé sur une gamme de fibres naturelles et synthétiques, notamment le Kevlar, la laine, le nylon, le Spandex et le polyester. Les revêtements ne font que 250 à 750 nanomètres d’épaisseur - environ 0, 25 à 0, 75% d’épaisseur comme un morceau de papier - et ne feraient qu’ajouter environ un gramme de poids à une chaussure ou à un vêtement typique. De plus, les matériaux utilisés pour réaliser le revêtement du capteur sont peu coûteux et relativement écologiques, car ils peuvent être traités à température ambiante avec de l'eau en tant que solvant.

Explorer les applications futures

Une application potentielle du tissu à revêtement de capteur consiste à mesurer les forces exercées sur les pieds au fur et à mesure de leur marche. Ces données pourraient aider les cliniciens à évaluer les déséquilibres après une blessure ou à prévenir les blessures chez les athlètes. Plus précisément, le groupe de recherche de Thostenson collabore avec Jill Higginson, professeur d'ingénierie mécanique et directrice du laboratoire de biomécanique neuromusculaire chez UD, et son groupe dans le cadre d'un projet pilote financé par Delaware INBRE. Leur objectif est de voir comment ces capteurs, une fois intégrés aux chaussures, se comparent aux techniques de laboratoire biomécaniques telles que les tapis de course instrumentés et la capture de mouvement.

Pendant les tests de laboratoire, les gens savent qu'ils sont surveillés, mais en dehors du laboratoire, le comportement peut être différent.

"L'une de nos idées est que nous pourrions utiliser ces nouveaux textiles en dehors d'un laboratoire, en marchant dans la rue, à la maison ou ailleurs", a déclaré Thostenson.

Sagar Doshi, doctorant en génie mécanique à l'UD, est l'auteur principal du document. Il a travaillé sur la fabrication des capteurs, optimisant leur sensibilité, testant leurs propriétés mécaniques et les intégrant dans des sandales et des chaussures. Il a porté les capteurs lors d'essais préliminaires et, jusqu'à présent, les capteurs collectent des données comparables à celles recueillies par une plaque de force, un appareil de laboratoire qui coûte généralement des milliers de dollars.

"Parce que le capteur à faible coût est mince et flexible, la possibilité existe de créer des chaussures personnalisées et d'autres vêtements avec une électronique intégrée pour stocker les données dans leur vie quotidienne", a déclaré Doshi. "Ces données pourraient être analysées plus tard par des chercheurs ou des thérapeutes pour évaluer les performances et finalement réduire le coût des soins de santé."

Cette technologie pourrait également être prometteuse pour les applications de médecine sportive, la récupération post-chirurgicale et l'évaluation des troubles du mouvement chez les populations pédiatriques.

"Il peut être difficile de collecter des données de mouvement chez les enfants sur une période de temps et dans un contexte réaliste", a déclaré Robert Akins, directeur du Centre de recherche clinique et de développement pédiatrique de l'hôpital Nemours — Alfred I. duPont de Wilmington. et professeur affilié de science et ingénierie des matériaux, génie biomédical et sciences biologiques à l'UD. "Des capteurs fins, flexibles et hautement sensibles comme ceux-ci pourraient aider les physiothérapeutes et les médecins à évaluer la mobilité d'un enfant à distance, ce qui signifie que les cliniciens pourraient collecter plus de données et éventuellement de meilleures données de manière rentable. méthodes font. "

La collaboration interdisciplinaire est essentielle au développement de futures applications, et à l'UD, les ingénieurs ont une opportunité unique de travailler avec des professeurs et des étudiants du College of Health Sciences sur le campus STAR, Science, Technologie et Recherche avancée (UD).

"En tant qu'ingénieurs, nous développons de nouveaux matériaux et capteurs, mais nous ne comprenons pas toujours les problèmes majeurs auxquels les médecins, les physiothérapeutes et les patients sont confrontés", a déclaré Doshi. "Nous collaborons avec eux pour résoudre les problèmes auxquels ils sont confrontés et les orienter vers une solution existante ou créer une solution innovante pour résoudre ce problème."

Le groupe de recherche de Thostenson utilise également des capteurs à base de nanotubes pour d'autres applications, telles que la surveillance de la santé structurelle.

"Nous travaillons depuis longtemps avec des nanotubes de carbone et des capteurs composites à base de nanotubes", a déclaré Thostenson, qui est membre du corps professoral du Centre des matériaux composites de l'UD (UD-CCM). Travaillant avec des chercheurs en génie civil, son groupe a été le pionnier du développement de capteurs de nanotubes flexibles pour aider à détecter les fissures dans les ponts et autres types de structures à grande échelle. «L’une des choses qui m’a toujours intriguée dans les composites est que nous les concevons à différentes longueurs d’échelle, des géométries de pièces macroscopiques, des avions, des ailes d’avions ou des parties de voitures, à la structure ou à la fibre. Les renforts nanométriques tels que les nanotubes de carbone et le graphène nous permettent d’adapter les propriétés structurelles et fonctionnelles des matériaux, bien que nos recherches soient fondamentales, mais que les applications sont toujours axées sur la traduction. les découvertes de la recherche en laboratoire aux produits commerciaux par le biais du consortium industriel d'UD-CCM. "

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