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 wzorowania jest selektywne nanoszenie organicznych materiałów elektroaktywnych na tekstylia, co umożliwia wykonanie noszonych organicznych urządzeń elektronicznych bezpośrednio na odzieży. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytanie w dziedzinie elektroniki noszonej, a w szczególności w kwestii bezszwowego zintegrowania elektroniki z odzieżą w celu efektywnej interakcji z ludzkim ciałem. Główna zaleta tej techniki wynika z elastyczności tekstyliów, co pozwala na komfortowe noszenie tych materiałów w bezpośrednim kontakcie ze skórą.
Najpierw przedstawimy koncepcję tej metody. Poszukiwaliśmy nietradycyjnego sposobu łączenia elektroniki organicznej z platformą tekstylną w sposób kosztowo efektywny i skalowalny przemysłowo. Technika ta została zainspirowana dawną japońską metodą farbowania kimon, którą dostosowaliśmy do współczesnych narzędzi i środowiska mikrofabrykacji.
Aby rozpocząć procedurę, należy użyć wycinarki laserowej do wycięcia zaprojektowanego wcześniej wzoru elektrody w arkuszu poliamidu o grubości 125 µm w celu utworzenia maski. Następnie należy przygotować arkusz dzianiny poliestrowej typu interlock o grubości 300 µm i 100% składzie, charakteryzujący się rozciągliwością w kierunku dzianiny do 50%. Należy przymocować go do płaskiej, przenośnej powierzchni. W dygestorium, przy użyciu automatycznego urządzenia do odlewania taśm, należy pokryć maskę poliamidową preparatem polidimetylosiloksanu z prędkością sześciu metrów na minutę, aż do uzyskania grubości mokrego filmu wynoszącej 200 µm.
Delikatnie połóż tkaninę na masce pokrytej PDMS i pozwól, aby PDMS wniknął w strukturę tekstylną przez 10 minut. Wygrzej PDMS w temperaturze 100 °C przez 10 minut lub w temperaturze 60 °C przez 20 minut w przypadku tkanin wrażliwych na ciepło. W dygestorium wymieszaj 80 ml dyspersji PEDOT:PSS, 20 ml glikolu etylowego, 40 µl kwasu 4-dodecylobenzenosulfonowego oraz 1 ml 3-propylmetakrylanu.
Następnie umieść mieszaninę do mieszania na mieszalniku magnetycznym. Nanieś pędzlem mieszaninę PEDOT:PSS na maskowaną tkaninę, aż wzór elektrody zostanie pokryty ilością około jednego mililitra mieszaniny na centymetr kwadratowy i kolor będzie wydawał się jednolity. Etap nakładania PEDOT:PSS pędzlem jest krokiem krytycznym.
Rezystancja arkusza wzoru powinna wynosić około 230 ohm square. Usuń maskę poliamidową, a następnie utwardź wzór elektrody w temperaturze 110 °C przez jedną godzinę lub w temperaturze 60 °C przez dwie godziny w przypadku tkanin wrażliwych na ciepło. Aby wykonać elektrody skórne z elektrod PEDOT:PSS na tekstyliach, w pierwszej kolejności przygotuj mieszaninę żelu składającą się z 60% obj. cieczy jonowej, 35% czynnika sieciującego i 5% fotoinicjatora.
W dygestorium pokryć elektrody cieczą jonową w ilości 20 µL/cm², a następnie nanieść 25 µL/cm² mieszaniny żelu metodą drop castingu. Naświetlać pokryte elektrody światłem UV o długości fali 365 nm przez 10 do 15 minut, aby utwardzić żel i utworzyć elektrody skórne. W celu wytworzenia czujników pojemnościowych z elektrod PEDOT:PSS na tkaninach, w dygestorium nanieść preparat PDMS nr 10 na tkaninę.
Za pomocą rakli równomiernie rozprowadź formulację PDMS na elektrodach, aby usunąć nadmiar materiału. Wygrzej warstwę izolacyjną PDMS w temperaturze do 100 °C przez co najmniej 10 minut, w zależności od odporności termicznej tkaniny, aby uformować czujniki pojemnościowe. Stosując tę metodę, na tkaninach dzianinowych i tkanych wykonano wzory elektrod PEDOT:PSS.
Rozdzielczość wzorowania dzianiny poliestrowej wynosi powyżej jednego milimetra. Większą rozdzielczość można uzyskać na tkaninach o gęstym splocie lub tkaninach tkanych. Elektrody naniesione na tekstylia dzianinowe pełnią funkcję czujników rozciągania bez konieczności wprowadzania dalszych modyfikacji.
Podczas rozciągania tkaniny skręcanie włókien przewodzących powoduje zmianę rezystywności. Na tkanej nylonowej wstążce uformowano macierz organicznych tranzystorów elektrochemicznych, która posłużyła jako noszony sensor potu, również bez żadnych dodatkowych modyfikacji. Dodatek cieczy jonowej w żelu pozwolił elektrodom pełnić funkcję noszonych elektrod skórnych do monitorowania elektrofizjologicznego.
Alternatywnie, dodanie izolacyjnej warstwy PDMS pozwoliło na stworzenie czujników pojemnościowych. Dotknięcie elektrod powoduje zmianę pojemności, co umożliwia wykonanie noszalnej klawiatury. Połączenie ściśle przylegających tekstyliów z organicznymi i miękkimi elektrodami oferuje usprawniony kanał komunikacji z ludzkim ciałem w porównaniu do tradycyjnych urządzeń elektronicznych w stanie stałym.
Metoda ta umożliwia przyszłą personalizację istniejącej odzieży za pomocą inteligentnych urządzeń elektronicznych. Jednakże jednym z krytycznych, a w niektórych przypadkach ograniczających punktów tej technologii jest trwałość materiałów, w tym materiałów organicznych, oraz warunki użytkowania odzieży.
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.
