Un team di ingegneri dell'Università del Delaware sta sviluppando tessuti intelligenti di prossima generazione creando rivestimenti compositi flessibili di nanotubi di carbonio su un'ampia gamma di fibre, compreso il cotone, nylon e lana. La loro scoperta è riportata sulla rivista Sensori ACS dove dimostrano la capacità di misurare una gamma eccezionalmente ampia di pressione, dal leggero tocco di un dito all'essere travolti da un carrello elevatore.

Il tessuto rivestito con questa tecnologia di rilevamento potrebbe essere utilizzato in futuri "indumenti intelligenti" in cui i sensori vengono inseriti nelle suole delle scarpe o cuciti negli indumenti per rilevare il movimento umano.

I nanotubi di carbonio danno questa luce, flessibile, rivestimento in tessuto traspirante impressionante capacità di rilevamento. Quando il materiale viene schiacciato, grandi cambiamenti elettrici nel tessuto sono facilmente misurabili.

"Come sensore, è molto sensibile a forze che vanno dal tocco alle tonnellate, "ha detto Erik Thostenson, professore associato nei Dipartimenti di Ingegneria Meccanica e Scienza e Ingegneria dei Materiali.

Rivestimenti nanocompositi elettricamente conduttivi simili a nervi vengono creati sulle fibre utilizzando la deposizione elettroforetica (EPD) di nanotubi di carbonio funzionalizzati con polietileneimmina.

"I film si comportano in modo molto simile a un colorante che aggiunge funzionalità di rilevamento elettrico, " ha affermato Thostenson. "Il processo EPD sviluppato nel mio laboratorio crea questo rivestimento nanocomposito molto uniforme che è fortemente legato alla superficie della fibra. Il processo è scalabile a livello industriale per applicazioni future."

Ora, i ricercatori possono aggiungere questi sensori al tessuto in un modo che è superiore ai metodi attuali per realizzare tessuti intelligenti. Tecniche esistenti, come la placcatura di fibre con metallo o fibra per maglieria e trefoli metallici insieme, può diminuire il comfort e la durata dei tessuti, disse Thostenson, che dirige il Laboratorio Compositi Multifunzionali dell'UD. Il rivestimento nanocomposito sviluppato dal gruppo Thostenson è flessibile e piacevole al tatto ed è stato testato su una gamma di fibre naturali e sintetiche, compreso Kevlar, lana, nylon, Spandex e poliestere. I rivestimenti hanno uno spessore di soli 250-750 nanometri, circa dallo 0,25 allo 0,75 percento dello spessore di un pezzo di carta, e aggiungerebbero solo circa un grammo di peso a una scarpa o un indumento tipico. Cosa c'è di più, i materiali utilizzati per realizzare il rivestimento del sensore sono economici e relativamente ecologici, poiché possono essere lavorati a temperatura ambiente con acqua come solvente.

Esplorare le applicazioni future

Una potenziale applicazione del tessuto rivestito di sensori è misurare le forze sui piedi delle persone mentre camminano. Questi dati potrebbero aiutare i medici a valutare gli squilibri dopo l'infortunio o aiutare a prevenire gli infortuni negli atleti. Nello specifico, Il gruppo di ricerca di Thostenson sta collaborando con Jill Higginson, professore di ingegneria meccanica e direttore del Laboratorio di Biomeccanica Neuromuscolare all'UD, e il suo gruppo come parte di un progetto pilota finanziato da Delaware INBRE. Il loro obiettivo è vedere come questi sensori, quando incorporato nelle calzature, confrontare con tecniche di laboratorio biomeccaniche come tapis roulant strumentati e motion capture.

Durante i test di laboratorio, le persone sanno di essere osservate, ma fuori dal laboratorio, il comportamento potrebbe essere diverso.

"Una delle nostre idee è che potremmo utilizzare questi nuovi tessuti al di fuori di un ambiente di laboratorio, camminando per strada, a casa, dovunque, " disse Thostenson.

Sagar Doshi, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica presso UD, è l'autore principale del documento. Ha lavorato alla realizzazione dei sensori, ottimizzando la loro sensibilità, testandone le proprietà meccaniche e integrandole in sandali e scarpe. Ha indossato i sensori nei test preliminari, e finora, i sensori raccolgono dati che si confrontano con quelli raccolti da una piastra di forza, un dispositivo di laboratorio che in genere costa migliaia di dollari.

"Poiché il sensore a basso costo è sottile e flessibile, esiste la possibilità di creare calzature e altri indumenti personalizzati con elettronica integrata per memorizzare i dati durante la loro vita quotidiana, " Ha detto Doshi. "Questi dati potrebbero essere analizzati in seguito da ricercatori o terapisti per valutare le prestazioni e, infine, ridurre i costi dell'assistenza sanitaria".

Questa tecnologia potrebbe essere promettente anche per applicazioni di medicina sportiva, recupero post-chirurgico, e per la valutazione dei disturbi del movimento nelle popolazioni pediatriche.

"Può essere difficile raccogliere dati sui movimenti dei bambini per un periodo di tempo e in un contesto realistico, " ha detto Robert Akins, Direttore del Center for Pediatric Clinical Research and Development presso il Nemours—Alfred I. duPont Hospital for Children di Wilmington e professore affiliato di scienza e ingegneria dei materiali, ingegneria biomedica e scienze biologiche presso UD. "Magro, flessibile, sensori altamente sensibili come questi potrebbero aiutare fisioterapisti e medici a valutare la mobilità di un bambino a distanza, il che significa che i medici potrebbero raccogliere più dati, e possibilmente dati migliori, in un modo conveniente che richiede meno visite alla clinica rispetto ai metodi attuali."

La collaborazione interdisciplinare è essenziale per lo sviluppo di applicazioni future, e all'UD, gli ingegneri hanno un'opportunità unica di lavorare con docenti e studenti del College of Health Sciences su UD's Science, Campus di tecnologia e ricerca avanzata (STAR).

"Come ingegneri, sviluppiamo nuovi materiali e sensori ma non sempre capiamo i problemi chiave che i medici, fisioterapisti e pazienti stanno affrontando, " ha detto Doshi. "Collaboriamo con loro per lavorare sui problemi che stanno affrontando e indirizzarli verso una soluzione esistente o creare una soluzione innovativa per risolvere quel problema".

Il gruppo di ricerca di Thostenson utilizza anche sensori basati su nanotubi per altre applicazioni, come il monitoraggio della salute strutturale.

"Lavoriamo con nanotubi di carbonio e sensori compositi basati su nanotubi da molto tempo, " disse Thostenson, che è docente affiliato presso il Centro per i materiali compositi dell'UD (UD-CCM). Lavorando con ricercatori nel campo dell'ingegneria civile, il suo gruppo ha aperto la strada allo sviluppo di sensori a nanotubi flessibili per aiutare a rilevare crepe nei ponti e altri tipi di strutture su larga scala. "Una delle cose che mi ha sempre incuriosito dei compositi è che li progettiamo a diverse lunghezze di scala, dalle geometrie macroscopiche del pezzo, un aeroplano o un'ala di aeroplano o parte di un'auto, alla struttura del tessuto o al livello delle fibre. Quindi, i rinforzi su scala nanometrica come i nanotubi di carbonio e il grafene ci danno un altro livello per adattare le proprietà strutturali e funzionali del materiale. Sebbene la nostra ricerca possa essere fondamentale, c'è sempre un occhio alle applicazioni. UD-CCM ha una lunga storia nel tradurre le scoperte fondamentali della ricerca in laboratorio in prodotti commerciali attraverso il consorzio industriale di UD-CCM."