Prosta i skalowalna metoda wytwarzania organicznych urządzeń elektronicznych na tekstyliach
13 marca 2017
W tym artykule prezentujemy protokół selektywnego osadzania materiałów organicznych na tekstyliach, który pozwala na bezpośrednią integrację organicznych urządzeń elektronicznych z urządzeniami do noszenia. Wyprodukowane urządzenia można w pełni zintegrować z tekstyliami, szanując ich mechaniczny wygląd i umożliwiając wykrywanie.
Ogólnym celem tej procedury modelowania jest selektywne osadzanie organicznych materiałów elektroaktywnych na tekstyliach, co umożliwia wytwarzanie organicznych urządzeń elektronicznych do noszenia bezpośrednio na odzieży. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytanie w dziedzinie elektroniki ubieralnej, a zwłaszcza jak bezproblemowo zintegrować elektronikę z odzieżą, aby skutecznie wchodzić w interakcję z ludzkim ciałem. Główną zaletą tej techniki jest elastyczność tkanin, która pozwala na wygodne noszenie tych tkanin w bliskim kontakcie ze skórą.
Najpierw pomysł na tę metodę. Kiedy szukamy nietradycyjnego sposobu łączenia elektroniki organicznej z platformą tekstylną w sposób opłacalny i skalowalny w branży. Technika ta została zainspirowana starą japońską techniką barwienia kimona, którą dostosowaliśmy do dzisiejszych narzędzi i środowiska mikrofabrykacji.
Aby rozpocząć procedurę, użyj wycinarki laserowej, aby wyciąć wcześniej zaprojektowany wzór elektrody w arkuszu poliamidu o grubości 125 mikrometrów, aby utworzyć maskę. Następnie weź arkusz o grubości 300 mikrometrów ze 100% dzianiny poliestrowej interlock z możliwością rozciągania w kierunku dzianiny do 50%Przymocuj go do płaskiej, przenośnej powierzchni. W dygestorium użyj automatycznego narzędzia do odlewania taśmy, aby pokryć maskę poliamidową preparatem polidimetylosiloksanu z prędkością sześciu metrów na minutę do mokrej warstwy o grubości 200 mikrometrów.
Delikatnie umieść tkaninę na masce pokrytej PDMS i pozwól, aby PDMS wchłonął się w strukturę tekstylną przez 10 minut. Wyżarzać PDMS w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez 10 minut lub w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez 20 minut w przypadku tkanin wrażliwych na ciepło. W dygestorii wymieszaj ze sobą 80 mililitrów dyspersji PEDOT:PSS, 20 mililitrów glikolu etylenowego, 40 mikrolitrów kwasu 4-dodecylobenzenosulfonowego i jeden mililitr metakrylanu 3-propylu.
Następnie umieść mieszaninę do wymieszania na mieszadle magnetycznym. Pokryj mieszaninę PEDOT:PSS pędzlem na zamaskowanej tkaninie, aż wzór elektrody zostanie pokryty około jednym mililitrem mieszaniny na centymetr kwadratowy i będzie wyglądał na jednolity kolor. Etap powlekania pędzlem PEDOT: PSS jest krokiem krytycznym.
Rezystancja arkusza wzoru musi wynosić około 230 omów kwadratowych. Zdejmij maskę poliamidową, a następnie utwardź wzór elektrody w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez godzinę lub w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez dwie godziny w przypadku tkanin wrażliwych na ciepło. Aby wytworzyć elektrody skórne z elektrod PEDOT: PSS na tekstyliach, najpierw przygotuj mieszaninę żelu składającą się z 60% objętości cieczy jonowej, 35% środka sieciującego i 5% fotoinicjatora.
W dygestorium pokryj elektrody 20 mikrolitrami na centymetr kwadratowy cieczy jonowej, a następnie dodaj 25 mikrolitrów na centymetr kwadratowy mieszaniny żelu przez odlewanie kroplowe. Wystaw powlekane elektrody na działanie 365-nanometrowego światła UV przez 10 do 15 minut, aby zestalić żel i uformować elektrody skórne. Aby wytworzyć czujniki pojemnościowe z elektrod PEDOT:PSS na tekstyliach, w dygestoriach nałóż 10 na jeden preparat PDMS na tkaninę.
Użyj ściągaczki, aby równomiernie rozprowadzić preparat PDMS na elektrodach, aby usunąć nadmiar. Wyżarzać warstwę izolacyjną PDMS w temperaturze do 100 stopni Celsjusza przez co najmniej 10 minut, w zależności od tolerancji ciepła tkaniny, aby utworzyć czujniki pojemnościowe. Za pomocą tej metody elektrody PEDOT:PSS zostały wzorowane na dzianinach i tkaninach.
Rozdzielczość wzoru dzianiny poliestrowej jest większa niż jeden milimetr. Węższe rozdzielczości można uzyskać na ciasno dzianych lub tkanych tkaninach. Elektrody wzorowane na dzianinie działają jak czujniki rozciągliwości bez dalszych modyfikacji.
Kiedy tkanina jest rozciągana, skręcanie włókien przewodzących powoduje zmianę rezystywności. Organiczny układ tranzystorów elektrochemicznych został wzorowany na tkanej nylonowej wstążce, nadającym się do noszenia czujniku potu, również bez dalszych modyfikacji. Dodanie cieczy jonowej w żelu pozwoliło elektrodom funkcjonować jako nadające się do noszenia elektrody skórne do monitorowania elektrofizjologicznego.
Alternatywnie, dodanie izolacyjnej warstwy PDMS stworzyło czujniki kondensatorowe. Dotknięcie elektrod powoduje zmianę pojemności, co pozwala na wyprodukowanie klawiatury do noszenia. Połączenie ściśle przylegających tkanin z organicznymi i miękkimi elektrodami zapewnia lepszy kanał komunikacji z ludzkim ciałem w porównaniu z tradycyjnym półprzewodnikowym urządzeniem elektronicznym.
Ta metoda pozwala na przyszłą personalizację istniejącej odzieży za pomocą inteligentnych urządzeń elektronicznych. Jednak jednym z krytycznych, a w niektórych przypadkach ograniczających punktów tej technologii jest trwałość materiałów, materiałów organicznych i warunki noszenia.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia nowy protokół selektywnego osadzania organicznych materiałów elektroaktywnych na tkaninach, co ułatwia bezpośrednią integrację noszonych organicznych urządzeń elektronicznych z odzieżą. Metoda ta usprawnia interakcję między elektroniką a ludzkim ciałem, zachowując jednocześnie komfort i integralność mechaniczną.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Elektronika noszona
- Elektronika organiczna
- Inżynieria tekstylna
Wstęp
- Integracja elektroniki z tekstyliami stanowi kluczowe wyzwanie w technologiach ubieralnych.
- Tradycyjne metody często ograniczają komfort i estetykę odzieży.
- Technika ta czerpie inspirację z historycznych praktyk tekstylnych.
- Jej celem jest stworzenie kosztowo efektywnego i skalowalnego rozwiązania dla urządzeń ubieralnych.
Cel badania
- Opracowanie metody bezszwowej integracji elektroniki organicznej z tkaninami.
- Zwiększenie funkcjonalności odzieży poprzez wbudowanie możliwości sensorycznych.
- Zbadanie nietradycyjnego podejścia do łączenia elektroniki z tkaninami.
Zastosowane metody
- Adaptacja tradycyjnych technik farbowania kimono do nowoczesnej mikrowytwarzania.
- Selektywne osadzanie materiałów organicznych na podłożach tekstylnych.
- Ocena właściwości mechanicznych zintegrowanych tekstyliów.
- Badanie komfortu i możliwości noszenia produktów końcowych.
Główne wyniki
- Skuteczna integracja organicznych urządzeń elektronicznych z tkaninami.
- Zachowanie wyglądu mechanicznego i komfortu tkanin.
- Wprowadzenie nowych możliwości sensorycznych w aplikacjach ubieralnych.
- Wykazanie skalowalności i efektywności kosztowej metody.
Wnioski
- Metoda ta stanowi znaczący postęp w dziedzinie elektroniki noszonej.
- Zapewnia ona podstawy do przyszłych badań nad urządzeniami zintegrowanymi z tekstyliami.
- Podejście to może prowadzić do bardziej efektywnych interakcji między technologią a ludzkim organizmem.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Metoda ta umożliwia skalowalną integrację elektroniki organicznej z tekstyliami, rozwiązując kluczowy problem w rozwoju urządzeń ubieralnych: uzyskanie bezszwowych interfejsów elektroniczno-tekstylnych bez pogarszania komfortu ani właściwości mechanicznych. Poprzez adaptację historycznych technik wzorowania do nowoczesnej mikrofabrykacji, oferuje ona kosztowo efektywną drogę produkcji czujników i elektrod ubieralnych bezpośrednio na odzieży. Wspiera to wczesne etapy opracowywania systemów zintegrowanych biologicznie, w których zgodność mechaniczna i akceptacja użytkownika są krytyczne dla wierności danych oraz monitorowania podłużnego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia analizę sygnałów fizjologicznych za pomocą konformalnych elektrod zintegrowanych z tkaniną, które utrzymują kontakt ze skórą podczas ruchu.
- Wartość operacyjna: Wspiera weryfikację hipotez w warunkach ambulatoryjnych poprzez zachowanie naturalnej biomechaniki podczas gromadzenia danych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia zestandaryzowane, wzorowane platformy elektroniki organicznej do niezawodnej akwizycji sygnałów biomarkerów z powierzchni fizjologicznych.
- Wartość operacyjna: Ułatwia powtarzalność analiz dzięki skalowalnemu osadzaniu z wykorzystaniem masek oraz jednorodnej powłoce materiałowej na podłożach tekstylnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera walidację biomarkerów translacyjnych poprzez umożliwienie ciągłego, nieinwazyjnego monitorowania w fizjologicznie istotnych warunkach życia swobodnego.
- Wartość operacyjna: Łączy etapy odkrywania i badania przedkliniczne dzięki formatom urządzeń ubieralnych, które redukują artefakty wywołane stresem w badaniach na zwierzętach i ludziach.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu badawczego, od wczesnych testów hipotez biologicznych po walidację przedkliniczną, szczególnie w zastosowaniach wymagających podłużnego, ambulatoryjnego monitorowania fizjologicznego, w których kluczowa jest stabilność interfejsu elektroda-tkanka.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia interfejsowanie mechaniczne i elektryczne z systemami biologicznymi za pomocą rozciągliwych, dopasowujących się do skóry elektrod, które zachowują integralność sygnału podczas dynamicznego ruchu.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowe odczyty oparte na rezystywności z sensorów zintegrowanych z tekstyliami, które reagują na odkształcenia fizjologiczne, wspierając porównawczą analizę warunków.
- Analityka: Generuje mierzalne zmiany rezystancji elektrycznej i pojemności, które korelują ze stanami fizjologicznymi, umożliwiając porównanie statystyczne pomiędzy grupami eksperymentalnymi.
- Badania translacyjne: Wspiera ciągłość badań przedklinicznych poprzez umożliwienie stosowania identycznych formatów urządzeń ubieralnych w różnych systemach modelowych, co redukuje zmienność translacyjną.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi funkcjonalność platformy do wielokrotnego zastosowania w wielu programach odkrywczych wymagających dopasowujących się, ubieralnych biointerfejsów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną poprzez redukcję niedopasowania mechanicznego między sensorem a tkanką, co minimalizuje artefakty ruchowe w danych ambulatoryjnych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i skalowalność dzięki wzorcowaniu definiowanemu przez maskę oraz osadzaniu metodą roztworową, kompatybilnemu z tekstylnym przetwarzaniem roll-to-roll.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez umożliwienie wczesnej oceny zaangażowania celu w warunkach użytkowania naturalistycznego, redukując ryzyko niepowodzenia na późnym etapie z powodu niskiej zgodności.
- Wpływ na portfolio: Wspiera optymalizację postępów z uwzględnieniem ryzyka poprzez walidację modulacji celu w fizjologicznie istotnych, noszalnych formatach przed zastosowaniem alternatyw inwazyjnych lub nieporęcznych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie elektroniki organicznej, obróbki tekstyliów oraz technik mikrowzorowania, w tym cięcia laserowego i odlewania taśmowego.
- Wymaga dostępu do dygestoriów, mieszadeł magnetycznych, urządzeń do utwardzania UV oraz sprzętu do wyżarzania termicznego w celu przetwarzania materiałów.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej pomiędzy naukowcami zajmującymi się materiałami, inżynierami tekstyliów i biologami, aby zapewnić spójną wydajność elektrod dla różnych rodzajów tkanin.
- Obejmuje kwestie adaptacji do różnej rozciągliwości, grubości i hydrofobowości tekstyliów, które wpływają na absorpcję PDMS i adhezję materiałów.
- Ograniczenia praktyczne obejmują długoterminową stabilność organicznych materiałów elektroaktywnych podczas wielokrotnego prania, rozciągania i ekspozycji na czynniki środowiskowe, zgodnie z informacjami w źródle.
