صناعة ملابس مولدة للطاقة حل منخفض التكلفة لصنع إلكترونيات يمكن ارتداؤها

سمح تطريز الخيوط المولدة للطاقة على القماش للباحثين بتضمين لوحة لمس رقمية تعمل بالطاقة الذاتية وأجهزة استشعار للحركة في الملابس.

توفر هذه التقنية طريقة محتملة منخفضة التكلفة وقابلة للتطوير لصنع الأجهزة القابلة للارتداء.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة رونق يين ، الأستاذ المساعد في هندسة النسيج والكيمياء والعلوم في جامعة ولاية كارولينا الشمالية: “تستخدم تقنيتنا التطريز ، وهو أمر بسيط جدًا – يمكنك خياطة خيوطنا مباشرة على القماش”، “أثناء إنتاج الأقمشة ، لا تحتاج إلى التفكير في أي شيء بخصوص الأجهزة القابلة للارتداء، يمكنك دمج خيوط توليد الطاقة بعد تصنيع قطعة الملابس.”

في الدراسة المنشورة في Nano Energy ، اختبر الباحثون تصميمات متعددة لخيوط توليد الطاقة. لجعلها متينة بما يكفي لتحمل التوتر والانحناء في عملية خياطة التطريز، استخدموا في النهاية مجموعة من خمسة أسلاك نحاسية متوفرة تجاريًا ، والتي كانت تحتوي على طبقة رقيقة من البولي يوريثين. ثم قاموا بخياطتها على قماش قطني بمادة أخرى تسمى PTFE.

قال يين: “هذه طريقة منخفضة التكلفة لصنع إلكترونيات يمكن ارتداؤها باستخدام المنتجات المتاحة تجارياً”، “كانت الخصائص الكهربائية لنماذجنا الأولية قابلة للمقارنة مع التصميمات الأخرى التي اعتمدت على نفس آلية توليد الطاقة.”

اعتمد الباحثون على طريقة لتوليد الكهرباء تسمى ” تأثير كهرباء الاحتكاك”، والتي تتضمن تسخير الإلكترونات التي يتم تبادلها بواسطة مادتين مختلفتين، مثل الكهرباء الساكنة.

وجدوا أن نسيج PTFE كان يتمتع بأفضل أداء من حيث الجهد والتيار عند ملامسته للأسلاك النحاسية المغلفة بالبولي يوريثان ، مقارنةً بأنواع الأقمشة الأخرى التي تم اختبارها، بما في ذلك القطن والحرير،كما اختبروا طلاء عينات التطريز بالبلازما لزيادة التأثير.

قال يين: “في تصميمنا ، لديك طبقتان – واحدة هي الأسلاك النحاسية الموصلة والمغلفة بالبولي يوريثان ، والأخرى هي PTFE ، وهناك فجوة بينهما”.،”عندما تتلامس المادتان غير الموصلة مع بعضهما البعض ، ستفقد مادة واحدة بعض الإلكترونات ، وسيحصل البعض الآخر على بعض الإلكترونات ،عندما تربطهما معًا ، سيكون هناك تيار.”

اختبر الباحثون خيوطهم كأجهزة استشعار للحركة عن طريق تطريزها بنسيج PTFE على الدنيم، وضعوا رقع التطريز على راحة اليد ،وتحت الذراع والكوع والركبة لتتبع الإشارات الكهربائية المتولدة أثناء تحرك الشخص.

قاموا أيضًا بربط القماش بتطريزهم على نعل الحذاء لاختبار استخدامه كمقياس للخطى، ووجدوا أن إشاراتهم الكهربائية تختلف اعتمادًا على ما إذا كان الشخص يمشي أو يركض أو يقفز.

أخيرًا ، قاموا باختبار خيوطهم في لوحة مفاتيح رقمية قائمة على النسيج على الذراع ، والتي صنعوها من خلال تطريز الأرقام على قطعة من القماش القطني ، وربطها بقطعة من قماشPTFE، اعتمادًا على الرقم الذي دفعه الشخص على لوحة المفاتيح ، رأوا إشارات كهربائية مختلفة متولدة لكل رقم.

قال يين: “يمكنك تطريز خيوطنا على الملابس ، وعندما تتحرك ، فإنها تولد إشارة كهربائية، ويمكن استخدام هذه الإشارات كأداة استشعار”،”عندما نضع التطريز في الحذاء، إذا كنت تركض، فإنه يولد جهدًا أعلى مما لو كنت تمشي للتو،عندما قمنا بخياطة الأرقام على القماش ، والضغط عليها، فإنه يولد جهدًا مختلفًا لكل رقم، يمكن أن يكون تستخدم كواجهة “.

نظرًا لأن المنتجات النسيجية ستُغسل حتمًا ، فقد اختبروا متانة تصميم التطريز الخاص بهم في سلسلة من اختبارات الغسيل والفرك، بعد غسل اليد وشطف التطريز بالمنظف وتجفيفه في الفرن لم يجدوا فرقًا أو زيادة طفيفة في الجهد، بالنسبة للنموذج الأولي المغلف بالبلازما ، وجدوا أداءً ضعيفًا ولكنه لا يزال متفوقًا مقارنةً بالعينة الأصلية، بعد اختبار التآكل ، وجدوا أنه لم يكن هناك تغيير كبير في أداء الخرج الكهربائي لتصميماتهم بعد 10000 دورة فرك.

في العمل المستقبلي ، يخططون لدمج أجهزة الاستشعار الخاصة بهم مع الأجهزة الأخرى لإضافة المزيد من الوظائف، قال يين: “الخطوة التالية هي دمج هذه المستشعرات في نظام يمكن ارتداؤه”.

شمل المؤلفون المشاركون في الدراسة يو تشين ، وإردونج تشين، وزيهو وانج ، ويالي لينج ، وروزي فيشر ، ومنججياو لي ، وجاكوب هارت ، وويلي مو ، ووي جاو ، وشياومينج تاو ، وباو يانج