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 הכללית של הליך דפוס זה היא השקעה סלקטיבית של חומרים אורגניים אלקטרו-אקטיביים על טקסטיל, דבר המאפשר ייצור של התקני אלקטרוניקה אורגנית לבישים ישירות על הבגדים. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלה מרכזית בתחום האלקטרוניקה הלבישה, ובמיוחד כיצד לשלב אלקטרוניקה בבגדים באופן חלק כדי לאפשר אינטראקציה יעילה עם גוף האדם. היתרון המרכזי של טכניקה זו נובע מיכולת האלסטיות של הטקסטיל, המאפשרת ללבוש בדים אלו בנוחות ובמגע הדוק עם העור.
ראשית, סקירה כללית של שיטה זו. כאשר חיפשנו דרך לא שגרתית לשלב אלקטרוניקה אורגנית עם פלטפורמת טקסטיל באופן יעיל מבחינת עלויות וניתן להרחבה תעשייתית, השבנו השראה מטכניקת צביעת קימנו יפנית עתיקה, אותה התאמנו לכלי הסביבה והמיקרו-פבריקציה של ימינו.
כדי להתחיל בהליך, השתמש בחיתוך לייזר כדי לחתוך תבנית אלקטרודה שתוכננה מראש לתוך יריעת פוליאמיד בעובי 125 מיקרומטר כדי ליצור מסכה. לאחר מכן, קח יריעה בעובי 300 מיקרומטר של בד פוליאסטר 100% interlock knit עם יכולת מתיחה בכיוון הסריגה של עד 50%. הצמד זאת למשטח שטוח ונייד. תחת מנדף, השתמש בכלי יציקת סרט אוטומטי כדי לצפות את מסכת הפוליאמיד בתמיסת polydimethylsiloxane במהירות של שישה מטרים לדקה, עד לעובי שכבה רטובה של 200 מיקרומטר.
הניחו בעדינות את הבד על המסכה המצופה ב-PDMS והמתינו 10 דקות לספיגת ה-PDMS במבנה הטקסטיל. בצעו התמססות (Anneal) של ה-PDMS בטמפרטורה של 100 degrees Celsius למשך 10 דקות, או ב-60 degrees Celsius למשך 20 דקות עבור בדים הרגישים לחום. בתוך מ जहरीר, ערבבו יחד 80 milliliters של תמיסת PEDOT:PSS, 20 milliliters של ethylene glycol, 40 microliters של 4-dodecylbenzenesulfonic acid ו-one milliliter של 3-propylmethacrylate.
לאחר מכן, הניחו את התערובת לערבוב על ערבב מגנטי. מרחו את תערובת ה-PEDOT:PSS במברשת על הבד הממוסך עד שדגם האלקטרודה יצופה בכ-1 milliliter של התערובת ל-centimeter squared וצבעו ייראה אחיד. שלב הציפוי במברשת של ה-PEDOT:PSS הוא השלב הקריטי.
התנגדות הגיליון של התבנית צריכה להיות כ-230 ohm square. יש להסיר את מסכת הפוליאמיד ולאחר מכן להקשות את תבנית האלקטרודה בטמפרטורה של 110 degrees Celsius למשך שעה אחת, או ב-60 degrees Celsius למשך שעתיים עבור בדים רגישים לחום. כדי לייצר אלקטרודות עוריות מאלקטרודות PEDOT:PSS על טקסטיל, הכין תחילה תערובת ג'ל המורכבת מ-60% נפח של נוזל יוני, 35% חומר קשירה (crosslinking agent) ו-5% פוטו-איניציאטור.
בתוך מנדף, כסו את האלקטרודות ב-20 microliters per centimeter squared של הנוזל היוני, ולאחר מכן הוסיפו 25 microliters per centimeter squared של תערובת הג'ל בשיטת drop casting. חשפו את האלקטרודות המצופות לאור UV באורך גל של 365-nanometer למשך 10 עד 15 דקות כדי להקשיח את הג'ל וליצור את האלקטרודות העוריות. כדי לייצר חיישנים קיבוליים מאלקטרודות PEDOT:PSS על טקסטיל, מרחו בתוך מנדף 10 עד 1 של פורמולציית PDMS על הבד.
השתמש במרית (squeegee) כדי לפרוס באופן אחיד את תמיסת ה-PDMS על גבי האלקטרודות ולהסיר עודפים. בצע חישול (annealing) לשכבת הבידוד של ה-PDMS בטמפרטורה של עד 100 °C למשך 10 דקות לפחות, בהתאם לעמידות הבד לחום, כדי ליצור את החיישנים הקיבוליים. באמצעות שיטה זו, תוכננו אלקטרודות PEDOT:PSS על טקסטיל סרוג וארוג.
רזולוציית התבנית של פוליאסטר סרוג היא גדולה ממילימטר אחד. ניתן להשיג רזולוציות צרות יותר בטקסטיל סרוג בצפיפות או באריג. האלקטרודות המודפסות על טקסטיל סרוג מתפקדות כחיישני מתיחה ללא צורך בשינויים נוספים.
כאשר הבד נמתח, פיתול הסיבים המוליכים גורם לשינוי בהתנגדות הסגולית. מערך של טרנזיסטורים אלקטרוכימיים אורגניים הוטבע על סרט ניילון ארוג, המשמש כחיישן זיעה לביש, ללא שינויים נוספים. הוספת נוזל יוני בג'ל אפשרה לאלקטרודות לתפקד כאלקטרודות עוריות לבישות לניטור אלקטרו-פיזיולוגי.
לחלופין, הוספת שכבת PDMS מבודדת יצרה חיישני קיבול. נגיעה באלקטרודות גורמת לשינוי בקיבול, דבר המאפשר ייצור של מקלדת לבישה. השילוב של טקסטיל צמוד גוף עם אלקטרודות אורגניות ורכות מציע ערוץ תקשורת משופר עם גוף האדם בהשוואה למכשיר אלקטרוני מסוג solid-state מסורתי.
שיטה זו מאפשרת התאמה אישית עתידית של בגדים קיימים באמצעות מכשירים אלקטרוניים חכמים. עם זאת, אחת הנקודות הקריטיות ובמקרים מסוימים המגבילות של טכנולוגיה זו היא העמידות של החומרים, ובמיוחד של חומרים אורגניים, ותנאי הלבישה שלהם.
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.
