Många bärbara biosensorer, datasändare och liknande tekniska framsteg för personlig hälsoövervakning har nu "kreativt miniatyriserats, säger materialkemist Trisha Andrew vid University of Massachusetts Amherst, men de kräver mycket energi, och strömkällor kan vara skrymmande och tunga. Nu har hon och hennes Ph.D. Student Linden Allison rapporterar att de har utvecklat ett tyg som kan skörda kroppsvärme för att driva små bärbar mikroelektronik som aktivitetsspårare.

Skriver i en tidig onlineupplaga av Avancerad materialteknik , Andrew och Allison förklarar det i teorin, kroppsvärme kan producera kraft genom att dra fördel av skillnaden mellan kroppstemperatur och omgivande svalare luft, en "termoelektrisk" effekt. Material med hög elektrisk ledningsförmåga och låg värmeledningsförmåga kan flytta elektrisk laddning från en varm region till en svalare på detta sätt.

Viss forskning har visat att små mängder kraft kan skördas från en människokropp under en åtta timmars arbetsdag, men de specialmaterial som behövs för närvarande är antingen mycket dyra, giftig eller ineffektiv, påpekar de. Andrew säger, "Vad vi har utvecklat är ett sätt att billigt ångtryck biokompatibelt, flexibla och lätta polymerfilmer gjorda av vardagliga, rikligt med material på bomullstyger som har tillräckligt höga termoelektriska egenskaper för att ge ganska hög termisk spänning, tillräckligt för att driva en liten enhet."

För detta arbete, forskarna utnyttjade de naturligt låga värmetransportegenskaperna hos ull och bomull för att skapa termoelektriska plagg som kan upprätthålla en temperaturgradient över en elektronisk enhet som kallas en termostapel, som omvandlar värme till elektrisk energi även under långa perioder av kontinuerligt slitage. Detta är ett praktiskt övervägande för att säkerställa att det ledande materialet kommer att vara elektriskt, mekaniskt och termiskt stabilt över tid, Andrew konstaterar.

"Väsentligen, vi utnyttjade den grundläggande isolerande egenskapen hos tyger för att lösa ett långvarigt problem i enhetsgemenskapen, " sammanfattar hon och Allison. "Vi tror att detta arbete kommer att vara intressant för enhetsingenjörer som försöker utforska nya energikällor för bärbar elektronik och designers som är intresserade av att skapa smarta plagg."

Specifikt, de skapade sin termostapel av helt tyg genom att ångtrycka en ledande polymer känd som persistent p-dopad poly(3, 4-etylendioxitiofen) (PEDOT-Cl) på en tätvävd och en medelvävd form av kommersiellt bomullstyg. De integrerade sedan denna termostapel i en specialdesignad, bärbart band som genererar termospänningar över 20 millivolt när det bärs på handen.

Forskarna testade hållbarheten hos PEDOT-CI-beläggningen genom att gnugga eller tvätta belagda tyger i varmt vatten och bedöma prestanda genom skanning av elektronmikrofotografi, som visade att beläggningen "inte spricker, delaminera eller tvätta bort mekaniskt när de tvättas eller nöts, bekräftar den mekaniska robustheten hos den ångtryckta PEDOT-CI."

De mätte ytbeläggningens elektriska ledningsförmåga med hjälp av en specialbyggd sond och fann att den lösare vävda bomullen visade högre ledningsförmåga än det tätare vävmaterialet. Konduktiviteten hos båda tygerna "förblev i stort sett oförändrade efter gnuggning och tvätt, " lägger de till.

Med hjälp av en värmekamera, de konstaterade att handleden, volontärernas handflata och överarmar utstrålade mest värme, så Andrew och Allison producerade stretchiga stickade band av termoelektriskt tyg som kan bäras i dessa områden. Den luftexponerade utsidan av bandet är isolerad från kroppsvärme genom garntjocklek, medan endast den obelagda sidan av termostapeln kommer i kontakt med huden för att minska risken för allergisk reaktion mot PEDOT-CI, påpekar de.

Forskarna noterar att svett avsevärt ökade termospänningen från det stretchiga armbandet, vilket inte var förvånande, eftersom fuktig bomull är känt för att vara en bättre värmeledare än torra tyger, de observerar. De kunde stänga av värmeöverföringen efter behag genom att sätta in ett värmereflekterande plastskikt mellan bärarens hud och bandet, också.

Övergripande, de säger, "Vi visar att den reaktiva ångbeläggningsprocessen skapar mekaniskt robusta tygtermopålar" med "särskilt höga termoelektriska effektfaktorer" vid låga temperaturskillnader jämfört med traditionellt producerade enheter. "Ytterligare, vi beskriver bästa praxis för att naturligt integrera termopylar i plagg, som gör att betydande temperaturgradienter kan upprätthållas över termostapeln trots kontinuerligt slitage."