¿Qué sigue para los textiles inteligentes?
Por Victoria Nickerson 29 June 2021
En los últimos años, la investigación sobre textiles inteligentes se ha expandido debido al rápido progreso en varias áreas, como las nanotecnologías, la miniaturización de dispositivos, las estrategias de comunicación de baja potencia y el desarrollo de interfaces inteligentes hombre-máquina.
En su reciente serie de seminarios web, Materiales y dispositivos inteligentes para textiles electrónicos, la Sociedad de Investigación de Materiales (MRS) exploró los últimos desarrollos en la industria textil inteligente. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, la Universidad de Tufts y el Instituto de Tecnología de Georgia dieron charlas sobre temas que van desde materiales conductores y dispositivos portátiles basados en hilos hasta nanogeneradores triboeléctricos textiles inteligentes.
BLOQUES DE CONSTRUCCIÓN PARA TEXTILES INTELIGENTES
En la primera sesión, Christian Müller, profesor de la Universidad de Chalmers, habló sobre “La realización de materiales como bloques de construcción para textiles electrónicos”. Müller proporcionó una visión general de los diferentes tipos de materiales conductores utilizados actualmente en la esfera textil inteligente que incluyen metales, semiconductores orgánicos (polímeros conjugados), polímeros básicos, alótropos de carbono y otros materiales 2D. Estos materiales conductores se pueden agregar a un textil en cada etapa del proceso de fabricación a través de enfoques de abajo hacia arriba o de arriba hacia abajo. De abajo hacia arriba implica comenzar con un material conductor de base y crear fibras / hilos (es decir, hilatura / recubrimiento / teñido) a partir de él para formar estructuras textiles complejas para diferentes aplicaciones. El enfoque de arriba hacia abajo implica el uso de sustratos textiles existentes y la integración de materiales conductores a través de técnicas como el recubrimiento, laminado, teñido o bordado.
Müller dice que es importante tener en cuenta tanto las propiedades eléctricas como las mecánicas cuando se utilizan materiales conductores para textiles inteligentes. Por ejemplo, un material necesita al menos un 5% de capacidad de estiramiento para soportar diferentes fuerzas y deformaciones aplicadas durante el proceso de fabricación, así como cuando se utiliza en la aplicación final.
La sostenibilidad es otro aspecto que hay que tener en cuenta. Para muchos dispositivos textiles inteligentes, se combinan varios materiales diferentes para crear un producto final, lo que a menudo conduce al problema de cómo separar los diferentes componentes del material cuando el dispositivo llega a su final de vida útil. En este sentido, Müller dice que un enfoque de fabricación de arriba hacia abajo podría ser preferible, ya que permite que los materiales electrónicos se eliminen más fácilmente, dejando que el tejido base se recicle y reutilice al final de su vida útil.
Señala el uso de materiales para textiles inteligentes de una manera más inteligente y eficiente: “Este es uno de los mayores desafíos en el campo, cómo hacer dispositivos que funcionen bien, sean robustos, resistentes al lavado y al desgaste, con la menor cantidad de material posible”. Müller dice que es importante tener en cuenta el uso sostenible de los materiales a lo largo de todo el proceso de diseño, incluyendo si se pueden reciclar o reutilizar al final de su vida útil. WTiN ha informado previamente sobre la investigación del equipo de Müller en la Universidad de Chalmers, que desarrolló un hilo conductor de celulosa recubierto con una tinta basada en un polímero biocompatible.
“La celulosa es un material fantástico que se puede extraer y reciclar de forma sostenible, y veremos que se utiliza cada vez más en el futuro”, dice Müller. “Y cuando los productos están hechos de material uniforme, o tan pocos materiales como sea posible, el proceso de reciclaje se vuelve mucho más fácil y más efectivo. Esta es otra perspectiva desde la que el hilo de celulosa es muy prometedor para el desarrollo de los textiles electrónicos”.
En otro lugar, Müller habló de la creación de normas en la industria textil inteligente. Dice que se necesita más desarrollo en este ámbito para facilitar la ampliación de los productos textiles electrónicos. “Lo que realmente nos falta son estándares que nos permitan hacer la transición de materiales del laboratorio a la industria”, dice Müller.
Con el fin de convencer a los futuros colaboradores e inversores, usted necesita ser capaz de ampliar su producto para demostrar que tiene potencial. Sin embargo, para hacer esto, se requiere una gran cantidad de material. “Hay muchos estándares que requieren grandes cantidades de material, y a menudo al desarrollar materiales inicialmente solo tienes unos pocos gramos. Eso no nos permite usar estándares tradicionales para probar diferentes aspectos como la biocompatibilidad, la reciclabilidad y la estabilidad de estos materiales (e-textiles)”. Por lo tanto, puede ser difícil llevar un producto de una etapa de prototipo al mercado sin el desarrollo de estándares aplicables a los textiles inteligentes.
NANOGENERADORES TRIBOELÉCTRICOS TEXTILES INTELIGENTES
El Dr. Zhong Lin Wang, profesor del Instituto de Tecnología de Georgia y director del Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Beijing, discutió el estado actual y las perspectivas de los nanogeneradores triboeléctricos textiles inteligentes (TENG).
Uno de los grandes desafíos con la electrónica portátil y los textiles inteligentes es: ¿cómo potenciamos estos sistemas de una manera eficiente y sostenible? Desde 2012, el equipo de Wang ha estado explorando esta cuestión a través de su trabajo sobre los TENG.
Esencialmente, un TENG es un dispositivo de recolección de energía que utiliza la corriente de desplazamiento como una fuerza impulsora para convertir la energía mecánica en electricidad mediante una combinación del efecto triboeléctrico y la inducción electrostática. Por ejemplo, si tiene dos fibras en contacto entre sí, el movimiento / fuerza de compresión / estiramiento puede crear una carga eléctrica entre los dos, y un cambio en la distancia de espacio da como resultado un voltaje que le da una corriente de salida. Según Wang, las fibras, hilos o telas se pueden integrar para formar una red y cualquier movimiento físico que toque esa red le dará una salida de señal eléctrica. Los TENG son efectivos para la generación de energía de baja potencia, baja frecuencia y baja amplitud. Se ha informado de que la densidad de potencia de los TENG es de hasta 500 W m−2, con una eficiencia del 50% o más. Cuando se usan en el cuerpo humano, los dispositivos TENGs podrían usarse para la generación de energía, el almacenamiento de energía y los sensores para el monitoreo de señales fisiológicas.
La mayoría de los TENG son basados en polímeros y flexibles, altamente portátiles, rentables y fáciles de fabricar, lo que significa que tienen mucho potencial para impulsar productos textiles inteligentes y hacer viables las redes electrónicas autoalimentadas.
WEARABLES BASADOS EN HILOS
Finalmente, Sameer R Sonkusale, profesor de la Universidad de Tufts, dio una charla sobre dispositivos portátiles basados en hilos.
Los textiles nos ofrecen la oportunidad de integrar diferentes funciones de detección en una sola plataforma (es decir, hilos), desde el monitoreo de la actividad física y los electrocardiogramas, hasta la medición de electrolitos, metabolitos y niveles de hidratación de su sudor (microfluídica).
“Hay infinitas posibilidades de usar textiles e hilos como sustratos para realizar verdaderos wearables integrados en el cuerpo con muchas más capacidades que los dispositivos existentes”, dice Sonkusale.
¿Cómo hacemos hilos funcionalizados? Sonkusale dice que esto se puede lograr utilizando técnicas como el recubrimiento por inmersión de carrete a carrete y el secado. Las funcionalidades complejas se pueden lograr recubriendo repetidamente el mismo hilo con diferentes tintas conductoras. Incluso después de múltiples procesos de recubrimiento, se puede realizar un hilo multifuncional que es delgado, flexible, cosible, cosible y tejible.
Una de las aplicaciones incluye un hilo de detección de pH hecho de carbono y polianilina. Cuando el hilo está en contacto con una solución con protones e iones de hidrógeno, se creará un potencial con respecto a un electrodo de referencia (plata/cloruro de plata), que será proporcional a la concentración del pH. Otra aplicación es un hilo de detección de glucosa y en lugar de un solo hilo, esta es una combinación de tres hilos cosidos en un parche. El hilo del electrodo de trabajo está hecho de nanotubos de carbono y enzima glucosa oxidasa, el hilo del electrodo contador está hecho de carbono, y el hilo del electrodo de referencia está hecho de plata / cloruro de plata.
Una de las principales áreas en las que se ha centrado el equipo de Sonkusale es un parche portátil de detección de sudor que puede monitorear los biomarcadores de estrés (es decir, el nivel de electrolitos o el nivel de lactato) de fluidos biológicos no invasivos. El parche consiste en hilos de detección electroquímica incrustados en una gasa colocada en una tirita. Un pequeño módulo electrónico en forma de botón electrónico transmite información de forma inalámbrica desde los hilos de detección a una placa inteligente para su análisis.
Un parche portátil de detección de sudor creado por el equipo de Sonkusale en la Universidad de Tufts. Fuente: Presentación de la Universidad de Tufts para el seminario web materiales y dispositivos inteligentes para textiles electrónicos
Un área adicional es el monitoreo de la actividad física. Esto se logra haciendo hilos de sensor de tensión que cambian su resistencia cuando se estiran, lo que le permite monitorear la actividad individual de diferentes partes del cuerpo, así como movimientos físicos como caminar, sentarse o estar de pie.
En otros lugares, el equipo también ha creado transistores basados en hilos para la cicatrización de heridas y la administración de fármacos. Un electrodo basado en hilos toma muestras y detecta el exudado de la herida y se multiplexa a una sola lectura. Los hilos se integran perfectamente con el tejido subyacente para proporcionar la “primera plataforma única” para realizar diagnósticos integrados en tejido. Para la administración de fármacos, el equipo creó un parche multipropósita de base de hilo donde los hilos individuales llevan terapias sobre ellos y los liberan a pedido. La terapéutica se integra en los hilos recubriendo primero los hilos con un material conductor y luego cubriéndolos con un hidrogel que contiene partículas cargadas de fármacos sensibles térmicamente. A continuación, se pasa una corriente eléctrica a través del recubrimiento conductor que calienta el hidrogel y hace que el fármaco se libere.
