Ett team av ingenjörer vid University of Delaware utvecklar nästa generations smarta textilier genom att skapa flexibla kolnanorörskompositbeläggningar på ett brett utbud av fibrer, inklusive bomull, nylon och ull. Deras upptäckt rapporteras i tidskriften ACS-sensorer där de visar förmågan att mäta ett exceptionellt brett tryckområde – från lätt beröring av en fingertopp till att bli överkörd av en gaffeltruck.

Tyg belagt med denna avkänningsteknik skulle kunna användas i framtida "smarta plagg" där sensorerna skjuts in i skosulorna eller sys i kläder för att upptäcka mänskliga rörelser.

Kolnanorör ger detta ljus, flexibel, andningsbar tygbeläggning imponerande avkänningsförmåga. När materialet kläms, stora elektriska förändringar i tyget mäts lätt.

"Som sensor, den är väldigt känslig för krafter som sträcker sig från beröring till ton, sa Erik Thostenson, en docent vid institutionerna för maskinteknik och materialvetenskap och teknik.

Nervliknande elektriskt ledande nanokompositbeläggningar skapas på fibrerna med hjälp av elektroforetisk avsättning (EPD) av polyetyleniminfunktionaliserade kolnanorör.

"Filmer fungerar ungefär som ett färgämne som lägger till elektrisk avkänningsfunktion, ", sade Thostenson. "EPD-processen som utvecklats i mitt labb skapar denna mycket enhetliga nanokompositbeläggning som är starkt bunden till fiberns yta. Processen är industriellt skalbar för framtida tillämpningar."

Nu, forskare kan lägga till dessa sensorer i tyget på ett sätt som är överlägset nuvarande metoder för att tillverka smarta textilier. Befintliga tekniker, såsom plätering av fibrer med metall eller stickfiber och metalltrådar tillsammans, kan minska tygernas komfort och hållbarhet, sa Thostenson, som leder UD:s Multifunctional Composites Laboratory. Nanokompositbeläggningen som utvecklats av Thostensons grupp är flexibel och behaglig att ta på och har testats på en rad naturliga och syntetiska fibrer, inklusive Kevlar, ull, nylon, Spandex och polyester. Beläggningarna är bara 250 till 750 nanometer tjocka - cirka 0,25 till 0,75 procent så tjocka som ett papper - och skulle bara lägga till ungefär ett gram vikt till en typisk sko eller ett plagg. Vad mer, materialen som används för att göra sensorbeläggningen är billiga och relativt miljövänliga, eftersom de kan bearbetas vid rumstemperatur med vatten som lösningsmedel.

Utforska framtida tillämpningar

En potentiell tillämpning av det sensorbelagda tyget är att mäta krafter på människors fötter när de går. Dessa data kan hjälpa läkare att bedöma obalanser efter skada eller hjälpa till att förhindra skador hos idrottare. Specifikt, Thostensons forskargrupp samarbetar med Jill Higginson, professor i maskinteknik och chef för Neuromuscular Biomechanics Lab vid UD, och hennes grupp som en del av ett pilotprojekt finansierat av Delaware INBRE. Deras mål är att se hur dessa sensorer, när den är inbäddad i skor, jämför med biomekaniska labbtekniker som instrumenterade löpband och motion capture.

Under laboratorietester, folk vet att de blir bevakade, men utanför labbet, beteende kan vara annorlunda.

"En av våra idéer är att vi skulle kunna använda dessa nya textilier utanför en laboratoriemiljö - när vi går nerför gatan, hemma, vart som helst, sa Thostenson.

Sagar Doshi, doktorand i maskinteknik vid UD, är huvudförfattare på tidningen. Han arbetade med att tillverka sensorerna, optimera deras känslighet, testa deras mekaniska egenskaper och integrera dem i sandaler och skor. Han har burit sensorerna i preliminära tester, och änsålänge, sensorerna samlar in data som kan jämföras med den som samlas in av en kraftplatta, en laboratorieanordning som vanligtvis kostar tusentals dollar.

"Eftersom lågkostnadssensorn är tunn och flexibel finns det möjlighet att skapa skräddarsydda skor och andra plagg med integrerad elektronik för att lagra data under deras dagliga liv, Doshi sa. "Denna data kan analyseras senare av forskare eller terapeuter för att bedöma prestanda och i slutändan få ner kostnaderna för sjukvård."

Denna teknik kan också vara lovande för idrottsmedicinska tillämpningar, återhämtning efter kirurgi, och för att bedöma rörelsestörningar i pediatriska populationer.

"Det kan vara utmanande att samla in rörelsedata hos barn över en tidsperiod och i ett realistiskt sammanhang, sa Robert Akins, Direktör för Center for Pediatric Clinical Research and Development vid Nemours—Alfred I. duPont Hospital for Children i Wilmington och associerad professor i materialvetenskap och teknik, biomedicinsk teknik och biologiska vetenskaper vid UD. "Tunn, flexibel, mycket känsliga sensorer som dessa kan hjälpa fysioterapeuter och läkare att bedöma ett barns rörlighet på distans, vilket innebär att läkare kan samla in mer data, och möjligen bättre data, på ett kostnadseffektivt sätt som kräver färre besök på kliniken än vad nuvarande metoder gör."

Tvärvetenskapligt samarbete är avgörande för utvecklingen av framtida applikationer, och på UD, ingenjörer har en unik möjlighet att arbeta med lärare och studenter från College of Health Sciences på UD:s Science, Teknik och avancerad forskning (STAR) Campus.

"Som ingenjörer, vi utvecklar nya material och sensorer men vi förstår inte alltid de viktigaste problemen som läkare, sjukgymnaster och patienter står inför, ", sa Doshi. "Vi samarbetar med dem för att arbeta med de problem de står inför och antingen rikta dem till en befintlig lösning eller skapa en innovativ lösning för att lösa det problemet."

Thostensons forskargrupp använder även nanorörsbaserade sensorer för andra applikationer, såsom strukturell hälsoövervakning.

"Vi har arbetat med kolnanorör och nanorörsbaserade kompositsensorer under lång tid, sade Thostenson, som är ansluten fakultet vid UD:s Centrum för kompositmaterial (UD-CCM). Genom att arbeta med forskare inom byggnadsteknik har hans grupp banat väg för utvecklingen av flexibla nanorörssensorer för att hjälpa till att upptäcka sprickor i broar och andra typer av storskaliga strukturer. "En av de saker som alltid har fascinerat mig med kompositer är att vi designar dem i olika skala, hela vägen från de makroskopiska delarnas geometrier, ett flygplan eller en flygplansvinge eller en del av en bil, till tygstrukturen eller fibernivån. Sedan, förstärkningarna i nanoskala som kolnanorör och grafen ger oss en annan nivå för att skräddarsy materialets strukturella och funktionella egenskaper. Även om vår forskning kan vara grundläggande, det finns alltid ett öga mot ansökningar. UD-CCM har en lång historia av att översätta grundläggande forskningsrön i laboratoriet till kommersiella produkter genom UD-CCM:s industrikonsortium."