Вышивка пряжи, генерирующей энергию, на ткани позволила исследователям встроить в одежду сенсорную панель с цифровым питанием и датчики движения. Этот метод предлагает недорогой, масштабируемый потенциальный метод создания носимых устройств.

«Наша техника использует вышивку, которая довольно проста — вы можете сшивать нашу пряжу прямо на ткани», — сказал ведущий автор исследования Ронг Инь, доцент кафедры текстильной инженерии, химии и науки в Университете штата Северная Каролина. «Во время производства ткани вам не нужно ничего думать о носимых устройствах . Вы можете интегрировать пряжу, вырабатывающую энергию, после того, как предмет одежды будет изготовлен».

В исследовании, опубликованном в Nano Energy , исследователи протестировали несколько конструкций пряжи, вырабатывающей энергию. Чтобы сделать их достаточно прочными, чтобы выдерживать натяжение и изгиб в процессе вышивания, они в конечном итоге использовали группу из пяти имеющихся в продаже медных проволок с тонким полиуретановым покрытием. Затем они пришивали их к хлопчатобумажной ткани другим материалом, называемым ПТФЭ.

«Это недорогой метод изготовления носимой электроники с использованием коммерчески доступных продуктов», — сказал Инь. «Электрические свойства наших прототипов были сравнимы с другими конструкциями, основанными на том же механизме выработки энергии».

Исследователи полагались на метод генерирования электричества, называемый « трибоэлектрическим эффектом », который включает использование электронов, которыми обмениваются два разных материала, например, статическое электричество. Они обнаружили, что ткань из ПТФЭ показала наилучшие характеристики с точки зрения напряжения и тока при контакте с медными проводами с полиуретановым покрытием по сравнению с другими типами тканей, которые они тестировали, включая хлопок и шелк. Они также протестировали покрытие образцов вышивки плазмой, чтобы усилить эффект.

«В нашей конструкции у вас есть два слоя: один — это ваши проводящие медные провода с полиуретановым покрытием, а другой — тефлоновый, и между ними есть зазор», — сказал Инь. «Когда два непроводящих материала соприкасаются друг с другом, один материал потеряет часть электронов, а другой получит часть электронов . Когда вы соедините их вместе, возникнет ток».

Исследователи протестировали свои нити в качестве датчиков движения, вышив их тканью из ПТФЭ на джинсовой ткани. Они поместили вышитые нашивки на ладонь, под руку, на локоть и колено, чтобы отслеживать электрические сигналы, генерируемые при движении человека. Они также прикрепили ткань со своей вышивкой к стельке обуви, чтобы проверить ее использование в качестве шагомера, обнаружив, что их электрические сигналы различаются в зависимости от того, идет ли человек, бежит или прыгает.

Наконец, они протестировали свою пряжу в текстильной цифровой клавиатуре на руке, которую они сделали, вышив цифры на куске хлопчатобумажной ткани и прикрепив их к куску ткани из ПТФЭ. В зависимости от числа, которое человек нажал на клавиатуре, он видел разные электрические сигналы, генерируемые для каждого числа.

«Вы можете вышивать нашу пряжу на одежде, и когда вы двигаетесь, она генерирует электрический сигнал, и эти сигналы можно использовать в качестве датчика», — сказал Инь. «Когда мы помещаем вышивку в обувь, если вы бежите, она генерирует более высокое напряжение, чем если бы вы просто шли. используется как интерфейс».

Поскольку текстильные изделия неизбежно будут стираться, они проверили долговечность своего дизайна вышивки в серии тестов на стирку и протирание. После ручной стирки и полоскания вышивки моющим средством, а также сушки в духовке они не обнаружили разницы или небольшого увеличения напряжения. Для прототипа, покрытого плазмой, они обнаружили ослабленные, но все же более высокие характеристики по сравнению с исходным образцом. После испытания на истирание они обнаружили, что после 10 000 циклов трения не произошло значительного изменения выходной электрической мощности их конструкций.

В будущем они планируют интегрировать свои датчики с другими устройствами, чтобы добавить больше функций.

«Следующий шаг — интегрировать эти датчики в носимую систему», — сказал Инь.