وبسيطة وقابلة للتطوير أسلوب تلفيق لعضوي الأجهزة الإلكترونية بشأن المنسوجات
مارس 13, 2017
في هذه الورقة، ونحن نقدم بروتوكول لإيداع انتقائي المواد العضوية على المنسوجات، والذي يسمح لدمج المباشر من الأجهزة الإلكترونية العضوية مع الأجهزة القابلة للارتداء. الأجهزة ملفقة يمكن أن تكون متكاملة تماما في المنسوجات، واحترام مظهرهم الميكانيكية وتمكين قدرات الاستشعار.
الهدف العام من إجراء الزخرفة هذا هو إيداع المواد العضوية النشطة بالكهرباء بشكل انتقائي على المنسوجات ، مما يتيح تصنيع الأجهزة الإلكترونية العضوية القابلة للارتداء مباشرة على الملابس. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على سؤال رئيسي في مجال الإلكترونيات القابلة للارتداء ، خاصة كيفية دمج الإلكترونيات بسلاسة مع الملابس للتفاعل بكفاءة مع جسم الإنسان. تنبع الميزة الرئيسية لهذه التقنية من القدرة المرنة للمنسوجات ، والتي تسمح بارتداء هذه المنسوجات بشكل مريح عند التلامس الوثيق مع الجلد.
أولا فكرة عن هذه الطريقة. عندما نبحث عن طريقة غير تقليدية للجمع بين الإلكترونيات العضوية ومنصة المنسوجات بطريقة فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير في الصناعة. هذه التقنية مستوحاة من تقنية dying الكيمونو اليابانية القديمة ، والتي قمنا بتكييفها مع أدوات التصنيع الدقيقة والبيئة اليوم.
لبدء الإجراء ، استخدم قاطع ليزر لقطع نمط قطب كهربائي مصمم مسبقا إلى لوح بولي أميد بسمك 125 ميكرومتر لتشكيل قناع. ثم خذ ورقة بسمك 300 ميكرومتر من قماش البوليستر المتشابك بنسبة 100٪ مع قدرة تمدد اتجاه متماسكة تصل إلى 50٪ قم بتثبيتها على سطح مستو ومحمول. في غطاء الدخان ، استخدم أداة صب الشريط الأوتوماتيكية لطلاء قناع البولي أميد بتركيبة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان بسرعة ستة أمتار في الدقيقة إلى سمك غشاء مبلل يبلغ 200 ميكرومتر.
ضع القماش برفق على القناع المطلي ب PDMS واترك PDMS يمتص في هيكل النسيج لمدة 10 دقائق. قم بتلدين PDMS عند 100 درجة مئوية لمدة 10 دقائق أو عند 60 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة للأقمشة الحساسة للحرارة. في غطاء الدخان ، اخلطي 80 مل من PEDOT: تشتت PSS ، و 20 مل من جلايكول الإيثيلين ، و 40 ميكرولتر من حمض 4-dodecylbenzenesulfonic ، ومليلتر واحد من 3-propylmethacrylate.
ثم ضعي الخليط للتحريك على محرك مغناطيسي. قم بتغطية خليط PEDOT: PSS بالفرشاة فوق القماش المقنع حتى يتم طلاء نمط القطب بحوالي ملليلتر واحد من الخليط لكل سنتيمتر مربع ويبدو موحدا في اللون. خطوة طلاء الفرشاة ل PEDOT: PSS هي الخطوة الحاسمة.
يجب أن تكون مقاومة الصفيحة للنمط حوالي 230 أوم مربع. قم بإزالة قناع البولي أميد ثم قم بمعالجة نمط القطب الكهربائي عند 110 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة أو عند 60 درجة مئوية لمدة ساعتين للأقمشة الحساسة للحرارة. لتصنيع أقطاب كهربائية جلدية من PEDOT: أقطاب PSS على المنسوجات ، قم أولا بإعداد خليط هلام يتكون من 60٪ من حيث الحجم السائل الأيوني ، و 35٪ عامل تشابك ، و 5٪ بادئ ضوئي.
في غطاء الدخان ، قم بتغطية الأقطاب الكهربائية ب 20 ميكرولتر لكل سنتيمتر مربع من السائل الأيوني ، ثم أضف 25 ميكرولتر لكل سنتيمتر مربع من خليط الهلام عن طريق الصب المتساقط. قم بتعريض الأقطاب الكهربائية المطلية لضوء الأشعة فوق البنفسجية 365 نانومتر لمدة 10 إلى 15 دقيقة لترسيخ الجل وتشكيل الأقطاب الكهربائية الجلدية. لتصنيع أجهزة استشعار سعوية من PEDOT: أقطاب PSS على المنسوجات ، في غطاء الدخان ، قم بتطبيق 10 إلى تركيبة PDMS واحدة على القماش.
استخدم ممسحة لتوزيع تركيبة PDMS بالتساوي على الأقطاب الكهربائية لإزالة أي فائض. قم بتلدين الطبقة العازلة ل PDMS عند درجة حرارة تصل إلى 100 درجة مئوية لمدة 10 دقائق على الأقل ، اعتمادا على تحمل حرارة النسيج ، لتشكيل المستشعرات السعوية. باستخدام هذه الطريقة ، تم تصميم أقطاب PEDOT: PSS على المنسوجات المحبوكة والمنسوجة.
دقة الزخرفة للبوليستر المحبوك أكبر من ملليمتر واحد. يمكن الحصول على دقة أضيق على المنسوجات المنسوجة أو المنسوجة بإحكام. تعمل الأقطاب الكهربائية المزخرفة على المنسوجات المحبوكة كمستشعرات تمدد دون مزيد من التعديلات.
عندما يتم شد النسيج ، يؤدي التواء الألياف الموصلة إلى تغيير في المقاومة. تم تصميم مجموعة ترانزستور كهروكيميائية عضوية على شريط نايلون منسوج ، ومستشعر عرق يمكن ارتداؤه ، أيضا دون مزيد من التعديلات. سمحت إضافة سائل أيوني في الجل للأقطاب الكهربائية بالعمل كأقطاب كهربائية جلدية يمكن ارتداؤها للمراقبة الكهربية الفسيولوجية.
بدلا من ذلك ، أدت إضافة طبقة PDMS العازلة إلى إنشاء مستشعرات مكثف. يؤدي لمس الأقطاب الكهربائية إلى تغيير السعة ، مما يسمح بتصنيع لوحة مفاتيح يمكن ارتداؤها. يوفر الجمع بين المنسوجات الضيقة والأقطاب الكهربائية العضوية والناعمة قناة اتصال محسنة مع جسم الإنسان مقارنة بالجهاز الإلكتروني التقليدي ذي الحالة الصلبة.
تسمح هذه الطريقة بالتخصيص المستقبلي للملابس الموجودة باستخدام الأجهزة الإلكترونية الذكية. ومع ذلك ، فإن إحدى النقاط الحاسمة وفي بعض الحالات المقيدة لهذه التكنولوجيا هي أن المواد والمواد العضوية' المتانة والظروف القابلة للارتداء.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة بروتوكولاً جديداً للترسيب الانتقائي للمواد العضوية النشطة كهربائياً على المنسوجات، مما يسهل دمج الأجهزة الإلكترونية العضوية القابلة للارتداء مباشرة في الملابس. تعزز هذه الطريقة التفاعل بين الإلكترونيات وجسم الإنسان مع الحفاظ على الراحة والسلامة الميكانيكية.
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلوم
- الإلكترونيات القابلة للارتداء
- الإلكترونيات العضوية
- هندسة المنسوجات
خلفية علمية
- يعد دمج الإلكترونيات مع المنسوجات تحدياً رئيسياً في التكنولوجيا القابلة للارتداء.
- غالباً ما تؤثر الطرق التقليدية سلباً على راحة الملابس وجمالياتها.
- تستمد هذه التقنية إلهامها من ممارسات النسيج التاريخية.
- وتهدف إلى ابتكار حل فعال من حيث التكلفة وقابل للتوسع للأجهزة القابلة للارتداء.
الغرض من الدراسة
- تطوير طريقة للدمج السلس للإلكترونيات العضوية في المنسوجات.
- تعزيز وظائف الملابس من خلال قدرات الاستشعار المدمجة.
- استكشاف نهج غير تقليدي لدمج الإلكترونيات مع المنسوجات.
الطرق المستخدمة
- تكييف تقنيات صبغ الكيمونو التقليدية من أجل التصنيع الدقيق الحديث.
- الترسيب الانتقائي للمواد العضوية على الركائز النسيجية.
- تقييم الخواص الميكانيكية للمنسوجات المتكاملة.
- اختبار الراحة وقابلية الارتداء للمنتجات النهائية.
النتائج الرئيسية
- الدمج الناجح للأجهزة الإلكترونية العضوية في المنسوجات.
- الحفاظ على المظهر الميكانيكي والراحة للمنسوجات.
- تمكين قدرات استشعار جديدة في التطبيقات القابلة للارتداء.
- إثبات القابلية للتوسع والفعالية من حيث التكلفة لهذه الطريقة.
الاستنتاجات
- تمثل هذه الطريقة تقدماً ملحوظاً في مجال الإلكترونيات القابلة للارتداء.
- توفر هذه الطريقة إطار عمل للأبحاث المستقبلية في الأجهزة المدمجة في المنسوجات.
- يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى تفاعلات أكثر كفاءة بين التكنولوجيا وجسم الإنسان.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
تتيح هذه الطريقة دمج الإلكترونيات العضوية في المنسوجات على نطاق واسع، مما يعالج تحدياً رئيسياً في تطوير الأجهزة القابلة للارتداء: وهو تحقيق واجهات سلسة بين الإلكترونيات والمنسوجات دون المساس بالراحة أو الخصائص الميكانيكية. ومن خلال تطويع تقنيات التشكيل التاريخية لتناسب التصنيع الدقيق الحديث، توفر هذه الطريقة مساراً فعالاً من حيث التكلفة لإنتاج المستشعرات والأقطاب الكهربائية القابلة للارتداء مباشرة على الملابس. ويدعم ذلك الاكتشاف في المراحل المبكرة للأنظمة المتكاملة حيوياً، حيث يكون التوافق الميكانيكي والتزام المستخدم أمرين حاسمين لدقة البيانات والمراقبة الطولية.
التطبيقات الاستراتيجية في مجال البحث والتطوير في الصناعات الدوائية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من صحة الهدف
- القيمة العلمية: تمكن من استقصاء الإشارات الفسيولوجية من خلال أقطاب كهربائية مدمجة في نسيج متوافق تحافظ على الاتصال بالجلد أثناء الحركة.
- القيمة التشغيلية: تدعم اختبار الفرضيات في البيئات المتنقلة من خلال الحفاظ على الميكانيكا الحيوية الطبيعية أثناء جمع البيانات.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: توفر منصات إلكترونية عضوية نمطية ومعيارية للحصول الموثوق على إشارات المؤشرات الحيوية من الأسطح الفسيولوجية.
- القيمة التشغيلية: تسهل إمكانية تكرار المقايسة من خلال الترسيب القابل للتوسع القائم على الأقنعة والطلاء الموحد للمواد عبر الركائز النسيجية.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- القيمة العلمية: يدعم التحقق من صحة المؤشرات الحيوية الانتقالية من خلال تمكين المراقبة المستمرة وغير الباضعة في ظروف فسيولوجية ذات صلة وفي حالة حرية الحركة.
- القيمة التشغيلية: يربط بين سير عمل الاكتشاف ومراحل ما قبل السريرية عبر تنسيقات قابلة للارتداء تقلل من الشوائب الناتجة عن التوتر في الدراسات الحيوانية والبشرية.
تكامل مسار العمل والتدفق الإجرائي
تندرج هذه الطريقة ضمن تسلسل عملية الاكتشاف، بدءاً من الاختبار المبكر للفرضيات البيولوجية وصولاً إلى التحقق قبل السريري، لا سيما في التطبيقات التي تتطلب مراقبة فسيولوجية طولية ومتنقلة حيث تكون استقرار الواجهة بين القطب والأنسجة أمراً بالغ الأهمية.
- بيولوجيا الاكتشاف: تتيح الربط الميكانيكي والكهربائي مع الأنظمة البيولوجية من خلال أقطاب كهربائية قابلة للتمدد ومتوافقة مع الجلد تحافظ على سلامة الإشارة أثناء الحركة الديناميكية.
- الفحص: توفر قراءات كمية تعتمد على المقاومية من مستشعرات مدمجة في المنسوجات تستجيب للإجهاد الفسيولوجي، مما يدعم التحليل المقارن للحالات.
- التحليلات: تولد تحولات قابلة للقياس في المقاومة الكهربائية والسعة ترتبط بالحالات الفسيولوجية، مما يتيح المقارنة الإحصائية بين المجموعات التجريبية.
- الأبحاث الانتقالية: تدعم الاستمرارية في الدراسات قبل السريرية من خلال السماح باستخدام تنسيقات قابلة للارتداء متطابقة عبر أنظمة النماذج المختلفة، مما يقلل من التباين الانتقالي.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: تمثل قدرة منصية للاستخدام المتكرر عبر برامج اكتشاف متعددة تتطلب واجهات بيولوجية قابلة للارتداء ومتوافقة مع شكل الجسم.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تعزز الثقة التنبؤية عن طريق تقليل عدم التطابق الميكانيكي بين المستشعر والأنسجة، مما يقلل من آثار الحركة في البيانات المتنقلة.
- القيمة التشغيلية: تضمن التنميط والقدرة على التوسع من خلال التشكيل المحدد بالقناع والترسيب القائم على المحلول المتوافق مع عمليات معالجة المنسوجات من لفة إلى لفة.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن قرارات المضي قدماً أو التوقف من خلال تمكين التقييم المبكر للتفاعل مع الهدف في ظروف الاستخدام الطبيعية، مما يقلل من الفشل في المراحل المتأخرة بسبب ضعف الامتثال.
- تأثير المحفظة: تدعم التقدم المعدل حسب المخاطر من خلال التحقق من تعديل الهدف في صيغ قابلة للارتداء وذات صلة فسيولوجياً قبل اللجوء إلى البدائل الغازية أو الضخمة.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في الإلكترونيات العضوية، والتعامل مع المنسوجات، وتقنيات التشكيل الدقيق بما في ذلك القطع بالليزر والصب بالقالب (tape casting).
- يتطلب الوصول إلى خزانات استرداد الغازات (fume hoods)، والمحركات المغناطيسية، ووحدات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية (UV curing units)، ومعدات التلدين الحراري لمعالجة المواد.
- يستلزم توحيد المعايير بين الفرق المكونة من علماء المواد، ومهندسي المنسوجات، وعلماء الأحياء لضمان اتساق أداء الأقطاب الكهربائية عبر أنواع الأقمشة المختلفة.
- يتضمن اعتبارات التكيف مع تباين تمدد المنسوجات، وسماكتها، وكرهها للماء، وهي عوامل تؤثر على امتصاص PDMS والتصاق المواد.
- تشمل القيود العملية الاستقرار طويل الأمد للمواد العضوية النشطة كهربائياً تحت ظروف الغسيل المتكرر، والتمدد، والتعرض البيئي كما ورد في المصدر.
