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. incluido el algodón, nailon 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 un dedo hasta ser atropellados por una carretilla elevadora.

La tela recubierta con esta tecnología de detección podría usarse en futuras "prendas inteligentes" donde los sensores se deslizan en las suelas de los zapatos o se cosen en la ropa para detectar el movimiento humano.

Los nanotubos de carbono dan esta luz, flexible, Revestimiento de tela transpirable impresionante capacidad de detección. Cuando se aprieta el material, Los grandes cambios eléctricos en la tela se miden fácilmente.

"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.

Se crean recubrimientos de nanocompuestos eléctricamente conductores similares a nervios en las fibras usando 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 de nanocompuestos muy uniforme que está fuertemente adherido a la superficie de la fibra. El proceso es escalable industrialmente para aplicaciones futuras ".

Ahora, los investigadores pueden agregar estos sensores a la tela de una manera superior a los métodos actuales para fabricar textiles inteligentes. Técnicas existentes, tales como revestir fibras con metal o tejer fibras y hebras metálicas juntas, puede disminuir la comodidad y durabilidad de los tejidos, dijo Thostenson, quien dirige el Laboratorio de Compuestos Multifuncionales de la 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. incluido Kevlar, lana, nylon, Spandex y poliéster. Los recubrimientos tienen un grosor de entre 250 y 750 nanómetros, aproximadamente del 0,25 al 0,75 por ciento del grosor de un trozo de papel, y solo agregarían alrededor de un gramo de peso a un zapato o prenda típica. Y lo que es más, Los materiales utilizados para fabricar el revestimiento del sensor son económicos y relativamente ecológicos. ya que se pueden procesar a temperatura ambiente con agua como disolvente.

Explorando aplicaciones futuras

Una posible aplicación de la tela recubierta de sensor es medir las fuerzas en los pies de las personas mientras caminan. Estos datos podrían 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, profesor de ingeniería mecánica y director 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 está incrustado en el calzado, compare con técnicas de laboratorio biomecánicas como cintas de correr instrumentadas y captura de movimiento.

Durante las pruebas de laboratorio, la gente sabe que está siendo vigilada, pero fuera del laboratorio, el comportamiento puede ser diferente.

"Una de nuestras ideas es que podríamos utilizar estos novedosos textiles fuera del entorno de un laboratorio:caminando por la calle, en casa, donde quiera, "dijo Thostenson.

Sagar Doshi, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en la UD, es el autor principal del artículo. Trabajó en hacer los sensores, optimizando su sensibilidad, probando sus propiedades mecánicas e integrándolas en sandalias y zapatos. Ha usado los sensores en pruebas preliminares, y muy lejos, los sensores recopilan datos que se comparan con los recopilados por una placa de fuerza, un dispositivo de laboratorio que normalmente 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 diaria, "Dijo Doshi." Estos datos podrían ser analizados más tarde por investigadores o terapeutas para evaluar el desempeño y, en última instancia, reducir el costo de la atención médica ".

Esta tecnología también podría ser prometedora para aplicaciones de medicina deportiva, recuperación posquirúrgica, y para evaluar los trastornos del movimiento en poblaciones pediátricas.

"Puede ser un desafío 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 para Niños en Wilmington y profesor afiliado de ciencia e ingeniería de materiales, Ingeniería biomédica y ciencias biológicas en la UD. "Delgada, flexible, sensores 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 requiere menos visitas a la clínica que los métodos actuales ".

La colaboración interdisciplinaria es fundamental 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 Ciencias de la UD, Campus de Tecnología e Investigación Avanzada (STAR).

"Como ingenieros, Desarrollamos nuevos materiales y sensores, pero no siempre entendemos los problemas clave que los médicos, fisioterapeutas y pacientes se enfrentan, ", dijo Doshi." Colaboramos con ellos para trabajar en los problemas que enfrentan y dirigirlos 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 la salud estructural.

"Hemos estado trabajando con nanotubos de carbono y sensores compuestos basados ​​en nanotubos durante mucho tiempo, "dijo Thostenson, que es profesora afiliada al Centro de Materiales Compuestos de la UD (UD-CCM). Trabajando con investigadores en ingeniería civil, su grupo ha 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 acerca de los compuestos es que los diseñamos en diferentes longitudes de escala, desde las geometrías macroscópicas de las piezas, un avión o el ala de un avión o parte de un automóvil, a la estructura del tejido o al nivel de la 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. Aunque nuestra investigación puede ser fundamental, siempre hay un ojo hacia las aplicaciones. UD-CCM tiene una larga trayectoria en la traducción de descubrimientos de investigación fundamentales en el laboratorio en productos comerciales a través del consorcio industrial de UD-CCM ".