ウェアラブル電子機器を作るための低コストのソリューションとしての目の刺繍

発電する糸を生地に刺繍することで、研究者はセルフパワー式の数値タッチパッドと動きセンサーを衣服に埋め込むことができました。 この技術は、ウェアラブル デバイスを作成するための低コストでスケーラブルな潜在的な方法を提供します。

「私たちの技術は刺繍を使用していますが、これは非常に単純です。糸を生地に直接縫い付けることができます」と、ノースカロライナ州立大学の繊維工学、化学、科学の助教授である研究の筆頭著者である Rong Yin 氏は述べています。 「ファブリックの生産中は、ウェアラブル デバイスについて何も考慮する必要はありません。 衣料品を作った後に、発電糸を組み込むことができます。」

で発表された研究では、 ナノエネルギー、研究者は発電糸の複数のデザインをテストしました。 刺繍の際の引っ張りや曲がりに耐えられる耐久性を持たせるため、最終的に市販の銅線にポリウレタンを薄くコーティングしたものを5本使いました。 次に、彼らはそれらを PTFE と呼ばれる別の素材で綿布に縫い付けました。

「これは、市販の製品を使用してウェアラブル電子機器を作成するための低コストの方法です」と Yin 氏は述べています。 「私たちのプロトタイプの電気特性は、同じ発電メカニズムに依存する他の設計に匹敵しました。」

研究チームは、「摩擦電気効果」と呼ばれる電気を発生させる方法に依存していました。これには、静電気などの 2 つの異なる物質によって交換される電子を利用することが含まれます。 彼らは、綿や絹など、テストした他の種類の生地と比較して、ポリウレタンでコーティングされた銅線と接触したときに、PTFE 生地が電圧と電流の点で最高の性能を発揮することを発見しました。 彼らはまた、刺繍サンプルをプラズマでコーティングして効果を高めることもテストしました.

「私たちの設計では、2 つの層があります。1 つは導電性のポリウレタン被覆銅線で、もう 1 つは PTFE で、その間にギャップがあります」と Yin 氏は言います。 「2つの非導電性材料が互いに接触すると、一方の材料が電子を失い、一部が電子を獲得します。 それらをつなぐと、電流が流れます。

研究者たちは、彼らの糸をデニムに PTFE 生地で刺繍することにより、モーション センサーとしてテストしました。 彼らは、手のひら、腕の下、肘、膝に刺繍パッチを配置し、人の動きに応じて生成される電気信号を追跡しました。 彼らはまた、歩数計としての使用をテストするために靴の裏に刺繍を施した布を取り付け、人が歩いているか、走っているか、ジャンプしているかによって電気信号が変化することを発見しました.

最後に、綿布に数字を刺繍し、PTFE 布に貼り付けて、腕のテキスタイル ベースの数字キーパッドで糸をテストしました。 人がキーパッドで押した数字に応じて、数字ごとに生成された異なる電気信号が見られました。

「私たちの糸を服に刺繍することができます。動くと電気信号が生成され、それらの信号をセンサーとして使用できます」と Yin 氏は言います。 「刺繍を靴に入れると、走っているときの方が歩いているときよりも高い電圧が発生します。 数字を布に縫い付けてプレスすると、数字ごとに異なる電圧が発生します。 インターフェイスとして使用できます。」

繊維製品はどうしても洗濯が必要になるため、刺繍の耐久性を洗濯と摩擦の繰り返しでテスト。 刺繍を手洗いして洗剤ですすぎ、オーブンで乾燥させた後、電圧に違いがないか、わずかに増加したことがわかりました. プラズマでコーティングされたプロトタイプの場合、元のサンプルに比べて強度は低下していますが、性能は依然として優れていることがわかりました。 摩耗テストの後、彼らは、10,000 回の摩擦サイクルの後、設計の電気出力性能に大きな変化がないことを発見しました。

今後の作業では、センサーを他のデバイスと統合して、より多くの機能を追加する予定です。

「次のステップは、これらのセンサーをウェアラブル システムに統合することです」と Yin 氏は述べています。

研究「柔軟で耐久性があり、洗える摩擦電気糸と刺繍によるセルフパワーセンシングとヒューマンマシンインタラクション」はオンラインで公開されました。 ナノエネルギー. 共著者には、Yu Chen、Erdong Chen、Zihao Wang、Yali Ling、Rosie Fisher、Mengjiao Li、Jacob Hart、Weilei Mu、Wei Gao、Xiaming Tao、Bao Yang が含まれます。 ノースカロライナ州立大学は、ノースカロライナ州立大学の研究および専門能力開発基金とノースカロライナ州のサマー REU プログラムを通じて資金を提供しました。

-オレニアック-

編集者への注意: 研究の要約は次のとおりです。

セルフパワーセンシングとヒューマンマシンインタラクションのための柔軟で耐久性があり、洗える摩擦電気糸と刺繍

著者: Yu Chen、Erdong Chen、Zihao Wang、Yali Ling、Rosie Fisher、Mengjiao Li、Jacob Hart、Weilei Mu、Wei Gao、Xiaming Tao、Bao Yang、Rong Yin。

公開済み: onlineOct. 2022年2月27日 ナノエネルギー

土肥10.1016/j.nanoen.2022.107929

概要: テキスタイルと摩擦電気ナノジェネレーター (TENG) の新しい組み合わせにより、セルフパワーの 17 個のウェアラブル エレクトロニクスとセンサーを実現することに成功しました。 しかし、テキスタイルベースの TENG の製造は、複雑な製造プロセス、低い生産速度、高コスト、貧弱な電気機械特性、および 19 限られた設計能力のために、依然として大きな課題です 18。 ここでは、簡単で低コスト、20、スケーラブルな刺繍技術を備えたテキスタイルベースの TENG を開発するための新しいルートを報告しました。 低コストの商用材料である 5 プライの極細エナメル銅線は、繊維ベースの TENG で摩擦電気層と電極の二重機能を備えた刺繍材料として使用されました。 直径 0.1 mm、長さ 30 cm の 1 本のエナメル銅線は、周波数 1.2 でポリテトラフルオロエチレン (PTFE) 24 ファブリックと接触すると、60 V 23 を超える開回路電圧と 0.45 µA の短絡電流を生成できます。 Hz と 70 N の接触力のピーク値。さらに、プラズマ処理後のエナメル銅線の摩擦電気性能は、プラズマ処理なしの場合よりも優れている可能性があり、最大瞬時電力密度などは 245 μW/m に達する可能性があります。 27本の未処理ワイヤーの約1.5倍。 これらの斬新な刺繍 TENG は、優れた摩擦帯電性能と優れたデザイン能力を備えています。 5×5 cm2 28 刺繍サンプルは、同様の接触条件下で 300 V の開放回路電圧と 8 μA の短絡回路電流を生成できます。 ウェアラブルな摩擦電気刺繍は、ウェアの 30 の異なる部分で使用できます。 セルフパワーの完全ファブリックベースの数字キーパッドは、摩擦電気の刺繍に基づいて設計されており、人間と機械のインターフェースとして機能し、優れたエネルギー収集と信号収集の機能を示しています。 したがって、この研究は、次世代のスマートウェアラブルデバイスに適用できるテキスタイルベースのTENGの新しい一般的な設計パラダイムを開きます.

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