Une équipe d'ingénieurs de l'Université du Delaware développe des textiles intelligents de nouvelle génération en créant des revêtements composites flexibles en nanotubes de carbone sur une large gamme de fibres, y compris le coton, nylon et laine. Leur découverte est rapportée dans le journal Capteurs ACS où ils démontrent leur capacité à mesurer une plage de pression exceptionnellement large, du simple toucher du doigt au passage par un chariot élévateur.

Le tissu enduit de cette technologie de détection pourrait être utilisé dans de futurs « vêtements intelligents » où les capteurs sont glissés dans les semelles des chaussures ou cousus dans les vêtements pour détecter le mouvement humain.

Les nanotubes de carbone donnent cette lumière, souple, Revêtement en tissu respirant capacité de détection impressionnante. Lorsque le matériau est pressé, les grands changements électriques dans le tissu sont facilement mesurés.

"En tant que capteur, il est très sensible aux forces allant du toucher aux tonnes, " a déclaré Erik Thostenson, professeur agrégé aux départements de génie mécanique et de science et génie des matériaux.

Des revêtements nanocomposites électroconducteurs semblables à des nerfs sont créés sur les fibres à l'aide d'un dépôt électrophorétique (EPD) de nanotubes de carbone fonctionnalisés par polyéthylèneimine.

"Les films agissent un peu comme un colorant qui ajoute une fonctionnalité de détection électrique, " a déclaré Thostenson. " Le processus EPD développé dans mon laboratoire crée ce revêtement nanocomposite très uniforme qui est fortement lié à la surface de la fibre. Le processus est industriellement évolutif pour de futures applications."

Maintenant, les chercheurs peuvent ajouter ces capteurs au tissu d'une manière supérieure aux méthodes actuelles de fabrication de textiles intelligents. Techniques existantes, telles que le placage de fibres avec du métal ou le tricotage de fibres et de fils métalliques ensemble, peut diminuer le confort et la durabilité des tissus, dit Thostenson, qui dirige le laboratoire des composites multifonctionnels de l'UD. Le revêtement nanocomposite développé par le groupe Thostenson est souple et agréable au toucher et a été testé sur une gamme de fibres naturelles et synthétiques, dont Kevlar, laine, nylon, Spandex et polyester. Les revêtements ne mesurent que 250 à 750 nanomètres d'épaisseur, soit environ 0,25 à 0,75% de l'épaisseur d'un morceau de papier, et n'ajouteraient qu'environ un gramme de poids à une chaussure ou à un vêtement typique. Quoi de plus, les matériaux utilisés pour fabriquer le revêtement du capteur sont peu coûteux et relativement respectueux de l'environnement, car ils peuvent être traités à température ambiante avec de l'eau comme solvant.

Explorer les applications futures

Une application potentielle du tissu enduit de capteur est de mesurer les forces exercées sur les pieds des personnes lorsqu'elles marchent. Ces données pourraient aider les cliniciens à évaluer les déséquilibres après une blessure ou aider à prévenir les blessures chez les athlètes. Spécifiquement, Le groupe de recherche de Thostenson collabore avec Jill Higginson, professeur de génie mécanique et directeur du Laboratoire de biomécanique neuromusculaire à l'UD, et son groupe dans le cadre d'un projet pilote financé par Delaware INBRE. Leur objectif est de voir comment ces capteurs, lorsqu'il est intégré dans les chaussures, comparer aux techniques de laboratoire biomécaniques telles que les tapis roulants instrumentés et la capture de mouvement.

Lors des tests en laboratoire, les gens savent qu'ils sont surveillés, mais en dehors du labo, le comportement peut être différent.

"L'une de nos idées est que nous pourrions utiliser ces nouveaux textiles en dehors d'un laboratoire - en marchant dans la rue, à la maison, partout où, " a déclaré Thostenson.

Sagar Doshi, doctorant en génie mécanique à l'UD, est l'auteur principal de l'article. Il a travaillé à la fabrication des capteurs, optimiser leur sensibilité, tester leurs propriétés mécaniques et les intégrer dans des sandales et des chaussures. Il a porté les capteurs lors de tests préliminaires, et jusqu'à présent, les capteurs collectent des données comparables à celles collectées par une plate-forme de force, un appareil de laboratoire qui coûte généralement des milliers de dollars.

« Parce que le capteur à faible coût est fin et flexible, il existe la possibilité de créer des chaussures et d'autres vêtements personnalisés avec une électronique intégrée pour stocker des données au cours de leur vie quotidienne, " Doshi a déclaré. "Ces données pourraient être analysées plus tard par des chercheurs ou des thérapeutes pour évaluer les performances et finalement réduire le coût des soins de santé."

Cette technologie pourrait également être prometteuse pour des applications en médecine du sport, récupération post-chirurgicale, et pour évaluer les troubles du mouvement dans les populations pédiatriques.

« Il peut être difficile de collecter des données sur les mouvements chez les enfants sur une période de temps et dans un contexte réaliste, " a déclaré Robert Akins, Directeur du Centre de recherche et de développement cliniques pédiatriques de l'hôpital pour enfants Nemours-Alfred I. duPont de Wilmington et professeur affilié en science et ingénierie des matériaux, génie biomédical et sciences biologiques à l'UD. "Mince, souple, des capteurs très sensibles comme ceux-ci pourraient aider les physiothérapeutes et les médecins à évaluer à distance la mobilité d'un enfant, ce qui signifie que les cliniciens pourraient collecter plus de données, et peut-être de meilleures données, d'une manière rentable qui nécessite moins de visites à la clinique que les méthodes actuelles."

La collaboration interdisciplinaire est essentielle pour le développement d'applications futures, et à l'UD, les ingénieurs ont une occasion unique de travailler avec des professeurs et des étudiants du Collège des sciences de la santé sur la science de l'UD, Campus Technologie et Recherche Avancée (STAR).

« En tant qu'ingénieurs, nous développons de nouveaux matériaux et capteurs mais nous ne comprenons pas toujours les problèmes clés que les médecins, les kinésithérapeutes et les patients sont confrontés, " a déclaré Doshi. " Nous collaborons avec eux pour travailler sur les problèmes auxquels ils sont confrontés et soit les diriger vers une solution existante, soit créer une solution innovante pour résoudre ce problème. "

Le groupe de recherche de Thostenson utilise également des capteurs à base de nanotubes pour d'autres applications, telles que la surveillance de la santé structurelle.

« Nous travaillons depuis longtemps avec des nanotubes de carbone et des capteurs composites à base de nanotubes, " dit Thostenson, qui est professeur affilié au Centre pour les matériaux composites de l'UD (UD-CCM). En collaboration avec des chercheurs en génie civil, son groupe a été le pionnier du développement de capteurs à nanotubes flexibles pour aider à détecter les fissures dans les ponts et autres types de structures à grande échelle. "L'une des choses qui m'a toujours intrigué à propos des composites, c'est que nous les concevons à différentes échelles, depuis les géométries macroscopiques des pièces, un avion ou une aile d'avion ou une partie de voiture, à la structure du tissu ou au niveau de la fibre. Puis, les renforts nanométriques comme les nanotubes de carbone et le graphène nous donnent un autre niveau pour adapter les propriétés structurelles et fonctionnelles du matériau. Bien que notre recherche puisse être fondamentale, il y a toujours un œil sur les applications. L'UD-CCM a une longue histoire de traduction des découvertes de la recherche fondamentale en laboratoire en produits commerciaux via le consortium industriel de l'UD-CCM."