Команда инженеров из Университета Делавэра разрабатывает интеллектуальный текстиль нового поколения, создавая гибкие композитные покрытия из углеродных нанотрубок на широком спектре волокон, включая хлопок, нейлон и шерсть. Об их открытии сообщается в журнале ACS Sensors, где они демонстрируют способность измерять исключительно широкий диапазон давления в промышленных процессах — от легкого прикосновения кончика пальца до движения вилочного погрузчика. Подробнее об преобразователях давления можно узнать здесь https://eupribor.ru/.

Ткань, покрытая этой сенсорной технологией, может быть использована в будущей «умной одежде», где датчики вставляются в подошвы обуви или вшиваются в одежду для обнаружения движения человека.

Углеродные нанотрубки придают этому легкому, гибкому, дышащему тканевому покрытию впечатляющие чувствительные способности. Когда материал сжимается, легко измерить большие электрические изменения в ткани.

«Как датчик он очень чувствителен к силам, варьирующимся от прикосновения до тонн», — сказал Эрик Тостенсон, доцент факультетов машиностроения и материаловедения и инженерии.

Электропроводящие нанокомпозитные покрытия, подобные нервам, создаются на волокнах с помощью электрофоретического осаждения (EPD) углеродных нанотрубок, функционализированных полиэтиленимином.

«Эти пленки действуют во многом как краситель, который добавляет функциональные возможности электрического зондирования», — сказал Тостенсон. «Процесс EPD, разработанный в моей лаборатории, создает очень однородное нанокомпозитное покрытие, которое прочно связывается с поверхностью волокна. Этот процесс промышленно масштабируем для будущих применений».

Теперь исследователи могут добавлять эти датчики к ткани таким способом, который превосходит существующие методы изготовления умного текстиля. Существующие методы, такие как покрытие волокон металлом или соединение волокон и металлических прядей вместе, могут снизить комфорт и долговечность тканей, говорит Тостенсон, руководитель лаборатории многофункциональных композитов UD. Нанокомпозитное покрытие, разработанное группой Тостенсона, является гибким и приятным на ощупь и было протестировано на ряде натуральных и синтетических волокон, включая кевлар, шерсть, нейлон, спандекс и полиэстер. Толщина покрытий составляет всего от 250 до 750 нанометров — примерно от 0,25 до 0,75 процента толщины листа бумаги — и они добавят лишь около грамма веса обычной обуви или одежде. Более того, материалы, используемые для изготовления покрытия сенсора, недороги и относительно экологичны.

 Потенциальное применение технологии

Одним из потенциальных применений ткани с сенсорным покрытием является измерение сил, воздействующих на ноги людей во время ходьбы. Эти данные могут помочь врачам оценить дисбаланс после травмы или помочь предотвратить травмы у спортсменов. В частности, исследовательская группа Тостенсона сотрудничает с Джилл Хиггинсон, профессором машиностроения и директором лаборатории нервно-мышечной биомеханики Университетского университета, и ее группой в рамках пилотного проекта, финансируемого Делавэрским INBRE. Их цель — увидеть, как эти датчики, встроенные в обувь, сравниваются с биомеханическими лабораторными методами, такими как беговые дорожки с инструментами и захват движения.

Во время лабораторных испытаний люди знают, что за ними наблюдают, но за пределами лаборатории поведение может быть другим.

«Одна из наших идей заключается в том, что мы могли бы использовать этот новый текстиль за пределами лабораторных условий — гуляя по улице, дома, где угодно», — сказал Тостенсон.

Сагар Доши, докторант машиностроения UD, является ведущим автором статьи. Он работал над созданием датчиков, оптимизировал их чувствительность, проверял их механические свойства и интегрировал их в сандалии и туфли. Он использовал датчики в ходе предварительных испытаний, и на данный момент датчики собирают данные, сравнимые с данными, собранными силовой пластиной, лабораторным устройством, которое обычно стоит тысячи долларов.

«Поскольку недорогой датчик тонкий и гибкий, существует возможность создавать специальную обувь и другую одежду со встроенной электроникой для хранения данных в повседневной жизни», — сказал Доши. «Эти данные могут быть позже проанализированы исследователями или терапевтами для оценки эффективности и, в конечном итоге, снижения затрат на здравоохранение».

Эта технология также может быть многообещающей для применения в спортивной медицине, послеоперационном восстановлении и для оценки двигательных нарушений в педиатрической популяции.

«Собрать данные о движениях детей за определенный период времени и в реальном контексте может быть непросто», — сказал Роберт Акинс, директор Центра педиатрических клинических исследований и разработок детской больницы Немура Альфреда И. Дюпона в Уилмингтоне. и доцент кафедры материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и биологических наук в UD. «Подобные тонкие, гибкие и высокочувствительные датчики могут помочь физиотерапевтам и врачам оценить подвижность ребенка удаленно, а это означает, что врачи смогут собирать больше данных и, возможно, более качественных данных экономически эффективным способом, который требует меньше посещений клиники, чем сейчас».

Междисциплинарное сотрудничество имеет важное значение для разработки будущих приложений, и инженеры UD имеют уникальную возможность работать с преподавателями и студентами Колледжа медицинских наук в кампусе науки, технологий и перспективных исследований (STAR) UD.

«Как инженеры, мы разрабатываем новые материалы и датчики, но не всегда понимаем ключевые проблемы, с которыми сталкиваются врачи, физиотерапевты и пациенты», — сказал Доши. «Мы сотрудничаем с ними, чтобы работать над проблемами, с которыми они сталкиваются, и либо направляем их к существующему решению, либо создаем инновационное решение для решения этой проблемы».

Исследовательская группа Тостенсона также использует датчики на основе нанотрубок для других приложений, таких как мониторинг состояния конструкций.

«Мы уже давно работаем с углеродными нанотрубками и композитными датчиками на основе нанотрубок», — сказал Тостенсон, преподаватель Центра композитных материалов Университетского университета (UD-CCM). Работая с исследователями в области гражданского строительства, его группа стала пионером в разработке гибких датчиков на нанотрубках.для помощи в обнаружении трещин в мостах и ​​других типах крупномасштабных сооружений. «Одна из вещей, которая всегда интриговала меня в композитах, это то, что мы проектируем их в разном масштабе, от макроскопической геометрии деталей, самолета, крыла самолета или части автомобиля, до структуры ткани или волокна.

Затем наноразмерные усиления, такие как углеродные нанотрубки и графен, дают нам еще один уровень для адаптации структурных и функциональных свойств материала. Хотя наши исследования могут быть фундаментальными, мы всегда стремимся к приложениям. UD-CCM имеет долгую историю перевода фундаментальных знаний исследовательские открытия в лаборатории для коммерческой продукции через промышленный консорциум UD-CCM».