För första gången, forskarna från MIT och AFFOA har producerat fibrer med inbäddad elektronik som är så flexibla att de kan vävas till mjuka tyger och göras till bärbara kläder. Upphovsman:Massachusetts Institute of Technology
Den senaste utvecklingen inom textilier och fibrer är en slags mjuk hårdvara som du kan bära:duk som har elektroniska enheter inbyggda i den.
Forskare vid MIT har nu inbäddade höghastighetsoptoelektroniska halvledarenheter, inklusive lysdioder (lysdioder) och diodfotodetektorer, i fibrer som sedan vävdes på Inman Mills, i South Carolina, i mjukt, tvättbara tyger och tillverkade i kommunikationssystem. Detta markerar uppnåendet av ett efterlängtat mål att skapa "smarta" tyger genom att införliva halvledarenheter-nyckelkomponenten i modern elektronik-som fram till nu var den saknade delen för att göra tyger med sofistikerad funktionalitet.
Denna upptäckt, säger forskarna, kunde släppa loss en ny "Moores lag" för fibrer - med andra ord, en snabb utveckling där fibrernas förmåga skulle växa snabbt och exponentiellt över tiden, precis som mikrochips kapacitet har vuxit under årtionden.
Resultaten beskrivs i veckan i tidningen Natur i en uppsats av den tidigare MIT -doktoranden Michael Rein; hans forskningsrådgivare Yoel Fink, MIT -professor i materialvetenskap och elektroteknik och VD för AFFOA (Advanced Functional Fabrics of America); tillsammans med ett team från MIT, AFFOA, Inman Mills, EPFL i Lausanne, Schweiz, och Lincoln Laboratory.
Optiska fibrer har traditionellt tillverkats genom att göra ett cylindriskt föremål som kallas en "förform, "som i huvudsak är en skalad modell av fibern, värmer den sedan. Mjukat material dras eller dras sedan nedåt under spänning och den resulterande fibern samlas på en spole.
Det viktigaste genombrottet för att producera dessa nya fibrer var att lägga till preformen ljusemitterande halvledardioder storleken på ett sandkorn, och ett par koppartrådar en bråkdel av ett hårs bredd. Vid uppvärmning i en ugn under fiberdragningsprocessen, polymerförformen delvis flytande, bilda en lång fiber med dioderna uppställda längs mitten och anslutna med koppartrådarna.
I detta fall, de fasta komponenterna var två typer av elektriska dioder tillverkade med standardmikrochipteknik:ljusdioder (lysdioder) och fotosensordioder. "Både enheterna och trådarna behåller sina dimensioner medan allt krymper runt dem" i ritprocessen, Säger Rein. De resulterande fibrerna vävdes sedan i tyger, som tvättades 10 gånger för att visa sin praktiska funktion som möjligt material för kläder.
Ljusemitterande fibrer vävda i tyger. Upphovsman:Greg Hren. Ägare:Michael Rein och Yoel Fink.
"Detta tillvägagångssätt ger en ny inblick i processen att tillverka fibrer, säger Rein, som var tidningens huvudförfattare och utvecklade konceptet som ledde till den nya processen. "Istället för att dra materialet tillsammans i flytande tillstånd, vi blandade in enheter i partikelform, tillsammans med tunna metalltrådar. "
En av fördelarna med att införliva funktion i själva fibermaterialet är att den resulterande fibern är i sig vattentät. För att demonstrera detta, laget placerade några av de fotodetekterande fibrerna inuti en fiskbehållare. En lampa utanför akvariet överförde musik (på lämpligt sätt, Händels "Vattenmusik") genom vattnet till fibrerna i form av snabba optiska signaler. Fibrerna i tanken omvandlade ljuspulserna - så snabba att ljuset verkar stadigt för blotta ögat - till elektriska signaler, som sedan omvandlades till musik. Fibrerna överlevde i vattnet i veckor.
Även om principen låter enkel, får det att fungera konsekvent, och se till att fibrerna kan tillverkas pålitligt och i mängd, har varit en lång och svår process. Personal vid Advanced Functional Fabric of America Institute, ledd av Jason Cox och Chia-Chun Chung, utvecklat vägarna till att öka avkastningen, genomströmning, och övergripande tillförlitlighet, gör dessa fibrer redo för övergång till industri. På samma gång, Marty Ellis från Inman Mills utvecklade tekniker för att väva dessa fibrer till tyger med hjälp av en konventionell vävstol i industriell skala.
"Det här dokumentet beskriver en skalbar väg för att införliva halvledarenheter i fibrer. Vi förutser framväxten av en" Moores lag "-analog i fibrer under de kommande åren, "Fink säger." Det gör det redan möjligt för oss att utöka tygernas grundläggande kapacitet för att omfatta kommunikation, belysning, fysiologisk övervakning, och mer. Under de kommande åren kommer tyger att leverera mervärdestjänster och kommer inte längre bara att väljas ut för estetik och komfort. "
Han säger att de första kommersiella produkterna med denna teknik kommer att nå marknaden redan nästa år - en utomordentligt kort utveckling från laboratorieforskning till kommersialisering. En sådan snabb lab-to-market-utveckling var en viktig del av anledningen till att man i första hand skapade ett akademiskt samarbete mellan regering och regering, till exempel AFFOA, han säger. Dessa första applikationer kommer att vara specialiserade produkter som involverar kommunikation och säkerhet. "Det kommer att bli det första tygkommunikationssystemet. Vi är just nu i färd med att överföra tekniken till inhemska tillverkare och industri med en oöverträffad hastighet och skala, " han säger.
Förutom kommersiella applikationer, Fink säger att det amerikanska försvarsdepartementet - en av AFFOAs stora anhängare - "undersöker tillämpningar av dessa idéer på våra kvinnor och män i uniform."
Utöver kommunikation, fibrerna kan potentiellt ha betydande tillämpningar inom det biomedicinska området, säger forskarna. Till exempel, enheter som använder sådana fibrer kan användas för att göra ett armband som kan mäta puls- eller blodsyrehalter, eller vävas in i ett bandage för att kontinuerligt övervaka läkningsprocessen.
