Un equipo de ingenieros de la Universidad de Delaware está desarrollando textiles inteligentes de próxima generación mediante la creación de recubrimientos compuestos de nanotubos de carbono flexibles en una amplia gama de fibras, incluyendo algodón, nylon y lana. Su descubrimiento se informa en la revista sensores ACS donde demuestran la capacidad de medir un rango de presión excepcionalmente amplio, desde el ligero toque de la yema del dedo hasta el atropello de una carretilla elevadora.
La tela recubierta con esta tecnología de detección podría usarse en futuras "prendas inteligentes" donde los sensores se introducen en las suelas de los zapatos o se cosen en la ropa para detectar el movimiento humano.
Los nanotubos de carbono le dan a este revestimiento de tela ligero, flexible y transpirable una capacidad de detección impresionante. Cuando se aprieta el material, se pueden medir fácilmente grandes cambios eléctricos en la tela.
"Como sensor, es muy sensible a fuerzas que van desde el tacto hasta las toneladas", dijo Erik Thostenson, profesor asociado en los Departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Los recubrimientos de nanocompuestos eléctricamente conductores de tipo nervioso se crean en las fibras utilizando deposición electroforética EPD de nanotubos de carbono funcionalizados con polietilenimina.
"Las películas actúan como un tinte que agrega funcionalidad de detección eléctrica", dijo Thostenson. "El proceso de EPD desarrollado en mi laboratorio crea este recubrimiento nanocompuesto muy uniforme que está fuertemente unido a la superficie de la fibra. El proceso es escalable industrialmente.para futuras aplicaciones "
Ahora, los investigadores pueden agregar estos sensores a la tela de una manera que sea superior a los métodos actuales para hacer textiles inteligentes. Las técnicas existentes, como el revestimiento de fibras con metal o la fibra de tejido y los hilos metálicos juntos, pueden disminuir la comodidad y durabilidad de las telas, dijo Thostenson, quien dirige el Laboratorio de Compuestos Multifuncionales de UD. El recubrimiento de nanocompuestos desarrollado por el grupo de Thostenson es flexible y agradable al tacto y ha sido probado en una gama de fibras naturales y sintéticas, incluyendo Kevlar, lana, nylon, Spandex y poliéster.los recubrimientos tienen un grosor de solo 250 a 750 nanómetros, aproximadamente del 0,25 al 0,75 por ciento del grosor de un trozo de papel, y solo agregarían aproximadamente un gramo de peso a un zapato o prenda típica. Además, los materiales utilizados para fabricar el sensorel recubrimiento es económico y relativamente ecológico, ya que pueden procesarse a temperatura ambiente con agua como solvente.
Explorando aplicaciones futuras
Una posible aplicación del tejido recubierto con sensor es medir las fuerzas en los pies de las personas mientras caminan. Esta información podría ayudar a los médicos a evaluar los desequilibrios después de una lesión o ayudar a prevenir lesiones en los atletas. Específicamente, el grupo de investigación de Thostenson está colaborando con Jill Higginson,profesora de ingeniería mecánica y directora del Laboratorio de Biomecánica Neuromuscular de la UD, y su grupo como parte de un proyecto piloto financiado por Delaware INBRE. Su objetivo es ver cómo estos sensores, cuando están integrados en el calzado, se comparan con las técnicas de laboratorio biomecánico, como los instrumentoscintas de correr y captura de movimiento.
Durante las pruebas de laboratorio, las personas saben que están siendo observadas, pero fuera del laboratorio, el comportamiento puede ser diferente.
"Una de nuestras ideas es que podríamos utilizar estos nuevos textiles fuera de un entorno de laboratorio, caminando por la calle, en casa, donde sea", dijo Thostenson.
Sagar Doshi, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en UD, es el autor principal del artículo. Trabajó en la fabricación de los sensores, optimizando su sensibilidad, probando sus propiedades mecánicas e integrándolos en sandalias y zapatos. Ha usado los sensoresen pruebas preliminares, y hasta ahora, los sensores recopilan datos que se comparan con los recopilados por una placa de fuerza, un dispositivo de laboratorio que generalmente cuesta miles de dólares
"Debido a que el sensor de bajo costo es delgado y flexible, existe la posibilidad de crear calzado personalizado y otras prendas con electrónica integrada para almacenar datos durante su vida cotidiana", dijo Doshi. "Estos datos podrían analizarse más tarde porinvestigadores o terapeutas para evaluar el rendimiento y finalmente reducir el costo de la atención médica "
Esta tecnología también podría ser prometedora para aplicaciones de medicina deportiva, recuperación posquirúrgica y para evaluar trastornos del movimiento en poblaciones pediátricas.
"Puede ser difícil recopilar datos de movimiento en niños durante un período de tiempo y en un contexto realista", dijo Robert Akins, Director del Centro de Investigación y Desarrollo Clínico Pediátrico en el Hospital Nemours - Alfred I. duPont paraNiños en Wilmington y profesor afiliado de ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería biomédica y ciencias biológicas en la UD. "Sensores delgados, flexibles y altamente sensibles como estos podrían ayudar a los fisioterapeutas y médicos a evaluar la movilidad de un niño de forma remota, lo que significa que los médicos podrían recopilar más datos,y posiblemente mejores datos, de una manera rentable que requiera menos visitas a la clínica que los métodos actuales ".
La colaboración interdisciplinaria es esencial para el desarrollo de futuras aplicaciones, y en UD, los ingenieros tienen una oportunidad única de trabajar con profesores y estudiantes de la Facultad de Ciencias de la Salud en el Campus de Ciencia, Tecnología e Investigación Avanzada STAR de UD.
"Como ingenieros, desarrollamos nuevos materiales y sensores, pero no siempre entendemos los problemas clave que enfrentan los médicos, fisioterapeutas y pacientes", dijo Doshi. "Colaboramos con ellos para trabajar en los problemas que enfrentan ydirigirlos a una solución existente o crear una solución innovadora para resolver ese problema "
El grupo de investigación de Thostenson también utiliza sensores basados en nanotubos para otras aplicaciones, como el monitoreo de salud estructural.
"Hemos estado trabajando con nanotubos de carbono y sensores compuestos basados en nanotubos durante mucho tiempo", dijo Thostenson, profesor afiliado del Centro de Materiales Compuestos de UD UD-CCM. Trabajando con investigadores en ingeniería civil de su grupoha sido pionero en el desarrollo de sensores de nanotubos flexibles para ayudar a detectar grietas en puentes y otros tipos de estructuras a gran escala ". Una de las cosas que siempre me ha intrigado sobre los compuestos es que los diseñamos a diferentes longitudes de escala, desdelas geometrías macroscópicas de las partes, un avión o un ala de avión o parte de un automóvil, a la estructura de la tela o al nivel de fibra. Luego, los refuerzos a nanoescala como los nanotubos de carbono y el grafeno nos dan otro nivel para adaptar las propiedades estructurales y funcionales del material.la investigación puede ser fundamental, siempre hay un ojo puesto en las aplicaciones UD-CCM tiene una larga historia de traducir descubrimientos de investigación fundamentales en el laboratorio a productos comerciales a través deh Consorcio industrial de UD-CCM "
Este trabajo fue apoyado por el Programa CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias de los EE. UU. NSF y el programa INBRE de Delaware con una subvención de NIH-NIGMS P20-GM103446 y el Estado de Delaware.
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Materiales proporcionado por Universidad de Delaware . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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