שיטת ייצור פשוט Scalable עבור מכשירים אלקטרוניים אורגניים על טקסטיל
13 במרץ 2017
במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול להפקיד חומרים אורגניים באופן סלקטיבי על טקסטיל, המאפשרים אינטגרציה הישירה של מכשירים אלקטרוניים אורגניים עם פריטי לבוש. המכשירים המפוברקים ניתן לשלב באופן מלא בטקסטיל, כיבוד המראה המכאני שלהם ומאפשר יכולות חישה.
המטרה הכוללת של הליך דפוס זה היא להפקיד באופן סלקטיבי חומרים אלקטרואקטיביים אורגניים על טקסטיל, מה שמאפשר ייצור של מכשירים אלקטרוניים אורגניים לבישים ישירות על בגדים. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלת מפתח בתחום האלקטרוניקה הלבישה, במיוחד כיצד לשלב בצורה חלקה אלקטרוניקה עם בגדים כדי לקיים אינטראקציה יעילה עם גוף האדם. היתרון העיקרי של טכניקה זו נובע מיכולת אלסטית של טקסטיל, המאפשרת ללבוש טקסטיל זה בנוחות במגע הדוק עם העור.
ראשית רעיון לשיטה זו. כאשר אנו מחפשים דרך לא מסורתית לשלב אלקטרוניקה אורגנית עם פלטפורמת טקסטיל בצורה חסכונית וניתנת להרחבה בתעשייה. טכניקה זו נוצרה בהשראת טכניקת צביעת קימונו יפנית עתיקה, אותה התאמנו לכלי המיקרו-ייצור ולסביבה של ימינו.
כדי להתחיל בהליך, השתמש בחותך לייזר כדי לחתוך תבנית אלקטרודה שתוכננה מראש ליריעת פוליאמיד בעובי 125 מיקרומטר ליצירת מסכה. לאחר מכן קח יריעה בעובי 300 מיקרומטר מבד פוליאסטר סרוג 100% עם יכולת מתיחה בכיוון סריגה של עד 50%אבטח את זה למשטח שטוח ונייד. במכסה אדים, השתמש בכלי יציקת סרט אוטומטי כדי לצפות את מסכת הפוליאמיד בתכשיר פולידימתילסילוקסן בשישה מטרים לדקה לעובי סרט רטוב של 200 מיקרומטר.
הנח בעדינות את הבד על המסכה המצופה PDMS ואפשר ל-PDMS להיספג במבנה הטקסטיל למשך 10 דקות. חישול ה-PDMS ב-100 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות או ב-60 מעלות צלזיוס למשך 20 דקות עבור בדים רגישים לחום. במכסה האדים, מערבבים יחד 80 מיליליטר של פיזור PEDOT:PSS, 20 מיליליטר אתילן גליקול, 40 מיקרוליטר של חומצה 4-דודצילבנזנסולפונית ומיליליטר אחד של 3-פרופילמתאקרילט.
לאחר מכן מניחים את התערובת לערבב על מערבל מגנטי. מברישים את תערובת PEDOT:PSS על הבד הממוסך עד שתבנית האלקטרודה מצופה בכמיליליטר אחד של התערובת לסנטימטר בריבוע ונראית אחידה בצבעה. שלב ציפוי המברשת של PEDOT:PSS הוא השלב הקריטי.
התנגדות הסדין של התבנית צריכה להיות בערך 230 אוהם מרובע. הסר את מסכת הפוליאמיד ולאחר מכן רפא את תבנית האלקטרודה ב-110 מעלות צלזיוס למשך שעה אחת או ב-60 מעלות צלזיוס למשך שעתיים עבור בדים רגישים לחום. כדי לייצר אלקטרודות עוריות מאלקטרודות PEDOT:PSS על טקסטיל, הכינו תחילה תערובת ג'ל המורכבת מ-60% בנפח נוזל יוני, 35% חומר צולב ו-5% פוטו-יוזם.
במכסה אדים, מצפים את האלקטרודות ב-20 מיקרוליטר לסנטימטר בריבוע של הנוזל היוני, ולאחר מכן מוסיפים 25 מיקרוליטר לסנטימטר בריבוע מתערובת הג'ל על ידי יציקת טיפה. חשוף את האלקטרודות המצופות לאור UV של 365 ננומטר למשך 10 עד 15 דקות כדי למצק את הג'ל וליצור את האלקטרודות העוריות. כדי לייצר חיישנים קיבוליים מאלקטרודות PEDOT:PSS על טקסטיל, במכסה אדים, יש למרוח 10 פורמולציות PDMS על הבד.
השתמש במגב כדי לפזר באופן שווה את נוסחת ה-PDMS על האלקטרודות כדי להסיר עודפים. חישול שכבת הבידוד של ה- PDMS בטמפרטורה של עד 100 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות לפחות, תלוי בסובלנות החום של הבד, ליצירת החיישנים הקיבוליים. בשיטה זו, אלקטרודות PEDOT:PSS עוצבו על טקסטיל סרוג וארוג.
רזולוציית הדפוס של פוליאסטר סרוג גדולה ממילימטר אחד. ניתן לקבל רזולוציות צרות יותר על טקסטיל סרוג או ארוג. האלקטרודות המעוצבות על טקסטיל סרוג מתפקדות כחיישני מתיחה ללא שינויים נוספים.
כאשר הבד נמתח, פיתול הסיבים המוליכים מביא לשינוי בהתנגדות. מערך טרנזיסטור אלקטרוכימי אורגני עוצב על סרט ניילון ארוג, חיישן זיעה לביש, גם הוא ללא שינויים נוספים. תוספת של נוזל יוני בג'ל אפשרה לאלקטרודות לתפקד כאלקטרודות עוריות לבישות לניטור אלקטרו-פיזיולוגי.
לחלופין, תוספת של שכבת PDMS מבודדת יצרה חיישני קבלים. נגיעה באלקטרודות גורמת לשינוי קיבול, ומאפשרת ייצור של מקלדת לבישה. השילוב של טקסטיל צמוד עם אלקטרודות אורגניות ורכות מציע ערוץ תקשורת משופר עם גוף האדם בהשוואה למכשיר האלקטרוני המסורתי במצב מוצק.
שיטה זו מאפשרת התאמה עתידית של בגדים קיימים עם המכשירים האלקטרוניים החכמים. עם זאת, אחת הנקודות הקריטיות ובמקרים מסוימים המגבילות של טכנולוגיה זו היא עמידות החומרים, החומרים האורגניים והתנאים הלבישים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול חדש להשקעה סלקטיבית של חומרים אורגניים אלקטרו-אקטיביים על טקסטיל, המאפשר שילוב של התקני אלקטרוניקה אורגנית לבישים ישירות בתוך ביגוד. שיטה זו משפרת את האינטראקציה בין רכיבים אלקטרוניים לגוף האדם תוך שמירה על נוחות ועל שלמות מכנית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- אלקטרוניקה לבישה
- אלקטרוניקה אורגנית
- הנדסת טקסטיל
רקע
- שילוב של רכיבים אלקטרוניים בטקסטיל הוא אתגר מרכזי בטכנולוגיה לבישה.
- שיטות מסורתיות פוגעות לעיתים קרובות בנוחות ובאסתטיקה של הבגדים.
- טכניקה זו שואבת השראה משיטות עבודה היסטוריות בטקסטיל.
- מטרתה היא ליצור פתרון יעיל מבחינת עלויות וניתן להרחבה עבור מכשירים לבישים.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה לשילוב חלק של אלקטרוניקה אורגנית בטקסטיל.
- שיפור הפונקציונליות של ביגוד באמצעות יכולות חישוב וחישוש מוטמעות.
- בחינת גישה לא שגרתית לשילוב של אלקטרוניקה עם טקסטיל.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- התאמה של טכניקות צביעת קימונו מסורתיות עבור מיקרו-פבריקציה מודרנית.
- שיקוע סלקטיבי של חומרים אורגניים על מצעי טקסטיל.
- הערכה של התכונות המכניות של הטקסטילים המשולבים.
- בדיקת הנוחות והיכולת ללבישה של המוצרים הסופיים.
תוצאות עיקריות
- שילוב מוצלח של התקנים אלקטרוניים אורגניים בטקסטיל.
- שמירה על המראה המכני ועל הנוחות של הטקסטיל.
- מתן יכולות חישש חדשות ביישומים לבישים.
- הדגמת סקילביליות וכדאיות כלכלית של השיטה.
מסקנות
- שיטה זו מהווה התקדמות משמעותית בתחום האלקטרוניקה הלבישה.
- היא מספקת מסגרת למחקר עתידי במכשירים המוטמעים בטקסטיל.
- גישה זו עשויה להוביל לאינטראקציות יעילות יותר בין הטכנולוגיה לגוף האדם.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו מאפשרת שילוב בר-הרחבה של אלקטרוניקה אורגנית בטקסטיל, ובכך נותנת מענה לאתגר מרכזי בפיתוח מכשירים לבישים: השגת ממשקים חלקים בין האלקטרוניקה לטקסטיל ללא פגיעה בנוחות או בתכונות המכניות. באמצעות התאמה של טכניקות דפוס היסטוריות למיקרו-פבריקציה מודרנית, היא מציעה נתיב חסכוני לייצור חיישנים ואלקטרודות לבישים ישירות על הבגד. דבר זה תומך בגילוי בשלבים מוקדמים של מערכות ביו-אינטגרטיביות, שבהן התאמה מכנית וציות של המשתמש הם קריטיים לדיוק הנתונים ולניטור לאורך זמן.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של אותות פיזיולוגיים באמצעות אלקטרודות אינטגרליות בטקסטיל התואמות למבנה הגוף ושומרות על מגע עם העור במהלך תנועה.
- ערך תפעולי: תומך בבדיקת היפותזות בסביבות ניידות על ידי שימור ביומכניקה טבעית במהלך איסוף הנתונים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מספק פלטפורמות אלקטרוניות אורגניות סטנדרטיות ותבניתיות לרכישת אותות אמינה של סמנים ביולוגיים ממשטחים פיזיולוגיים.
- ערך תפעולי: מקל על שחזור הבדיקה באמצעות שיקוע מבוסס מסכה הניתן להרחבה וציפוי חומר אחיד על גבי מצעי טקסטיל.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך בתיקוף של סמנים ביולוגיים תרגומיים על ידי מתן אפשרות לניטור רציף ולא פולשני בתנאים פיזיולוגיים רלוונטיים של חיים חופשיים.
- ערך תפעולי: מגשר בין תהליכי גילוי לתהליכי עבודה פרה-קליניים באמצעות פורמטים לבישים המפחיתים ארטיפקטים הנגרמים ממתח במחקרים בבעלי חיים ובבני אדם.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות ביולוגיות מוקדמות ועד לתיקוף פרה-קליני, ובמיוחד עבור יישומים הדורשים ניטור פיזיולוגי אמבולטורי לאורך זמן, שבהם יציבות הממשק בין האלקטרודה לרקמה היא קריטית.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשר ממשק מכני וחשמלי עם מערכות ביולוגיות באמצעות אלקטרודות נמתחות ומתאימות לעור, השומרות על שלמות האות במהלך תנועה דינמית.
- סריקה: מספק קריאות כמותיות המבוססות על התנגדות מחיישנים המשולבים בטקסטיל ומגיבים למאמץ פיזיולוגי, ובכך תומך בניתוח השוואתי של מצבים.
- אנליטיקה: יוצר שינויים מדידים בהתנגדות החשמלית ובקיבול, המתואמים עם מצבים פיזיולוגיים, ומאפשרים השוואה סטטיסטית בין קבוצות ניסוייות.
- מחקר תרגומי: תומך ברציפות למחקרים פרה-קליניים על ידי מתן אפשרות להשתמש בפורמטים לבישים זהים במערכות מודלים שונות, ובכך מפחית את השונות התרגומית.
- שימוש חוזר ארגוני: מהווה יכולת פלטפורמה לשימוש חוזר במספר תוכניות גילוי הדורשות ממשקים ביולוגיים לבישים ומתאימים לצורה של הגוף.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי על ידי צמצום אי-התאמה מכנית בין החיישן לרקמה, ובכך ממזער ארטיפקטים של תנועה בנתונים שנאספו במהלך ניידות.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ויכולת הרחבה באמצעות תבנית המוגדרת על ידי מסכה ושיקוע מבוסס תמיסה התואם לעיבוד טקסטיל מסוג roll-to-roll.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות go/no-go על ידי מתן אפשרות להערכה מוקדמת של מעורבות המטרה בתנאי שימוש טבעיים, מה שמפחית כשלים בשלבים מאוחרים עקב היעדר ציות (compliance) של המשתמש.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בקידום מותאם סיכון באמצעות תיקוף של מודולציית מטרה בפורמטים לבישים רלוונטיים פיזיולוגית, לפני מעבר לחלופות פולשניות או מסורבלות.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות באלקטרוניקה אורגנית, טיפול בטקסטיל וטכניקות של מיקרו-דפוס (micro-patterning), כולל חיתוך בלייזר ויציקת סרט (tape casting).
- נדרשת גישה למכבסות כימיות (fume hoods), בוחשים מגנטיים, יחידות הקשיה ב-UV וציוד לחישול תרמי (thermal annealing) לצורך עיבוד חומרים.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית בין מדעני חומרים, מהנדסי טקסטיל וביולוגים כדי להבטיח ביצועי אלקטרודה עקביים על פני סוגי בדים שונים.
- התהליך כולל שיקולי התאמה למתיחה, עובי והידרופוביות משתנים של הטקסטיל, המשפיעים על ספיגת PDMS ועל היצמדות החומרים.
- מגבלות מעשיות כוללות יציבות ארוכת טווח של חומרים אלקטרו-אקטיביים אורגניים תחת שטיפות חוזרות, מתיחה וחשיפה לסביבה, כפי שצוין במקור.
