Augenstickerei der Forscher als niedrig

Das Aufsticken energieerzeugender Garne auf Stoff ermöglichte es den Forschern, ein batteriebetriebenes, numerisches Touchpad und Bewegungssensoren in die Kleidung einzubetten.Die Technik bieteteine kostengünstige, skalierbare potenzielle Methode zur Herstellung tragbarer Geräte.

„Unsere Technik nutzt Stickerei, was ziemlich einfach ist – Sie können unsere Garne direkt auf den Stoff nähen“, sagte der Hauptautor der Studie, Rong Yin, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der North Carolina State University. „Bei der Stoffproduktion muss man sich keine Gedanken über die tragbaren Geräte machen. Die stromerzeugenden Garne können erst nach der Herstellung des Kleidungsstücks integriert werden.“

In der in Nano Energy veröffentlichten Studie testeten Forscher mehrere Designs für stromerzeugende Garne. Um sie langlebig genug zu machen, um den Spannungen und Biegungen des Stickvorgangs standzuhalten, verwendeten sie schließlich fünf handelsübliche Kupferdrähte, die mit einer dünnen Polyurethan-Beschichtung versehen waren, zusammen. Dann nähten sie sie mit einem anderen Material namens PTFE auf Baumwollstoff.

„Dies ist eine kostengünstige Methode zur Herstellung tragbarer Elektronik unter Verwendung kommerziell erhältlicher Produkte“, sagte Yin. „Die elektrischen Eigenschaften unserer Prototypen waren vergleichbar mit denen anderer Designs, die auf demselben Stromerzeugungsmechanismus beruhten.“

Die Forscher stützten sich auf eine Methode zur Stromerzeugung namens „triboelektrischer Effekt“, bei der Elektronen genutzt werden, die von zwei verschiedenen Materialien ausgetauscht werden, beispielsweise statischer Elektrizität. Sie fanden heraus, dass das PTFE-Gewebe im Vergleich zu anderen von ihnen getesteten Gewebearten, darunter Baumwolle und Seide, bei Kontakt mit den mit Polyurethan beschichteten Kupferdrähten die beste Leistung in Bezug auf Spannung und Strom aufwies. Sie testeten auch die Beschichtung der Stickereiproben mit Plasma, um den Effekt zu verstärken.

„In unserem Design haben Sie zwei Schichten – eine besteht aus Ihren leitfähigen, mit Polyurethan beschichteten Kupferdrähten und die andere aus PTFE, und zwischen ihnen befindet sich eine Lücke“, sagte Yin. „Wenn die beiden nichtleitenden Materialien miteinander in Kontakt kommen, verliert ein Material einige Elektronen und ein anderes erhält einige Elektronen. Wenn man sie miteinander verbindet, entsteht ein Strom.“

Forscher testeten ihre Garne als Bewegungssensoren, indem sie sie mit dem PTFE-Gewebe auf Denim stickten. Sie platzierten die Stickflecken auf der Handfläche, unter dem Arm, am Ellenbogen und am Knie, um elektrische Signale zu verfolgen, die bei der Bewegung einer Person erzeugt werden. Sie befestigten auch Stoff mit ihrer Stickerei auf der Innensohle eines Schuhs, um dessen Verwendung als Schrittzähler zu testen. Dabei stellten sie fest, dass ihre elektrischen Signale unterschiedlich waren, je nachdem, ob die Person ging, rannte oder sprang.

Schließlich testeten sie ihre Garne in einem numerischen Tastenfeld auf Textilbasis am Arm, das sie herstellten, indem sie Zahlen auf ein Stück Baumwollstoff stickten und diese auf einem Stück PTFE-Stoff befestigten. Abhängig von der Zahl, die die Person auf der Tastatur drückte, sah sie, dass für jede Zahl unterschiedliche elektrische Signale erzeugt wurden.

„Man kann unsere Garne auf Kleidung sticken, und wenn man sich bewegt, erzeugt es ein elektrisches Signal, und diese Signale können als Sensor verwendet werden“, sagte Yin. „Wenn wir die Stickerei in einen Schuh stecken, wird beim Laufen eine höhere Spannung erzeugt als beim bloßen Gehen. Wenn wir Zahlen auf Stoff nähen und darauf drücken, erzeugt es für jede Zahl eine andere Spannung. Das könnte sein.“ als Schnittstelle genutzt.“

Da Textilprodukte zwangsläufig gewaschen werden, testeten sie die Haltbarkeit ihres Stickmusters in einer Reihe von Wasch- und Reibtests. Nach dem Händewaschen und Spülen der Stickerei mit Reinigungsmittel und dem Trocknen im Ofen stellten sie keinen Unterschied oder einen leichten Spannungsanstieg fest. Für den mit Plasma beschichteten Prototyp stellten sie im Vergleich zur Originalprobe eine schwächere, aber immer noch überlegene Leistung fest. Nach einem Abriebtest stellten sie fest, dass sich die elektrische Ausgangsleistung ihrer Konstruktionen nach 10.000 Scheuerzyklen nicht wesentlich veränderte.

In zukünftigen Arbeiten planen sie, ihre Sensoren mit anderen Geräten zu integrieren, um weitere Funktionen hinzuzufügen.

„Der nächste Schritt besteht darin, diese Sensoren in ein tragbares System zu integrieren“, sagte Yin.

Die Studie „Flexibles, langlebiges und waschbares triboelektrisches Garn und Stickerei für autonome Sensorik und Mensch-Maschine-Interaktion“ wurde online in Nano Energy veröffentlicht. Zu den Co-Autoren gehörten Yu Chen, Erdong Chen, Zihao Wang, Yali Ling, Rosie Fisher, Mengjiao Li, Jacob Hart, Weilei Mu, Wei Gao, Xiaoming Tao und Bao Yang. Die Finanzierung erfolgte durch die North Carolina State University über den NC State Faculty Research & Professional Development Fund und das NC State Summer REU-Programm.

– Diese Pressemitteilung wurde von der North Carolina State University bereitgestellt