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Tetris na manga: material permeável a gás para eletrônicos vestíveis



A eletrônica vestível se tornou parte integrante da vida de muitas pessoas modernas. De pulseiras fitness e relógios inteligentes a óculos de realidade aumentada e camisas inteligentes - a gama de dispositivos existentes varia de obviamente útil a divertida futurista. No entanto, quando se trata de algo “vestível”, além da funcionalidade, você precisa pensar em conforto. Cientistas da Universidade da Carolina do Norte (EUA) desenvolveram um novo material permeável a gases para eletrônicos vestíveis, ou seja, capaz de respirar. Quais técnicas foram usadas para criar o novo material, quais são as propriedades do protótipo obtido e quanto mais confortável será o uso de componentes eletrônicos em si? Aprendemos sobre isso com o relatório dos cientistas. Vai.

Base de estudo


Qualquer coisa que vestimos é mais ou menos permeável a gases. Isto é devido à necessidade de cumprir nossa fisiologia. A pele humana é um elemento importante do sistema excretor do corpo, fornecendo a produção de produtos metabólicos através do suor. Portanto, bloquear a execução dessa função usando materiais completamente "selados" não é uma boa idéia na vida cotidiana (roupas e equipamentos especializados não contam).

Quanto à eletrônica vestível, mas com seu desenvolvimento e transformação de pulseiras comuns em elementos de guarda-roupa quase completos, os cientistas começaram a pensar não apenas nas propriedades físicas dos materiais utilizados, o que é importante para desempenhar diretamente as funções do dispositivo, mas também nas propriedades que contribuem para o conforto do usuário.

A maioria dos aparelhos portáteis modernos, como os próprios pesquisadores observam, são fabricados com base em substratos poliméricos sólidos, como polidimetilsiloxano (PDMS), tereftalato de polietileno (PET) e poliimida (PI). Neste trabalho, os cientistas descrevem um novo material que possui não apenas boa condutividade e flexibilidade, como nos precursores anteriores, mas também boa permeabilidade ao gás.

Já houve tentativas de criar algo semelhante, mas todos eles enfrentaram certas dificuldades durante a produção ou limitações de uso.

Por exemplo, um material ultrafino à base de álcool polivinílico (PVA) foi desenvolvido relativamente recentemente. A permeabilidade ao gás desse material foi excelente, mas a produção foi extremamente difícil. Em outras palavras, o jogo não vale a pena.

Há também um desenvolvimento em nanofios de prata (AgNW). Esta opção forneceu alta estabilidade elétrica, no entanto, nanofios nus limitaram o prazo de estabilidade a longo prazo.

Outro material exclusivo foi a esponja de PDMS (polidimetilsiloxano) com base em matrizes de açúcar. Os problemas eram os tamanhos limitados de partículas de açúcar, o que dificultava a obtenção de estruturas microporosas. Além disso, este método não pode ser usado para a fabricação de filmes ultrafinos.

Lembrando os protótipos descritos acima, os cientistas querem dizer que criar um material realmente bom que combina todas as propriedades necessárias, embora seja fácil de fabricar, é bastante difícil. No entanto, segundo eles, eles fizeram isso.

Eles decidiram não reinventar a roda, mas combinar os desenvolvimentos existentes, removendo simultaneamente suas deficiências. Como resultado, um filme condutor de tração (isto é, flexível) foi obtido pela incorporação de AgNW diretamente abaixo da superfície de um filme de poliuretano termoplástico poroso (TPU ou TPU) feito por evaporação.

O método de evaporação é um processo de auto-montagem simples, eficiente e escalonável para a fabricação de filmes de polímeros porosos sem a necessidade de etapas complexas, como fotolitografia, evaporação a vácuo e gravação.

Resultados da pesquisa




Imagem No. 1

Na imagem 1a mostra um diagrama do processo de fabricação do protótipo. Uma película porosa de poliuretano termoplástico (TPU) foi produzida pelo método de evaporação, após o que o AgNW (nanofios de prata) foi introduzido na superfície por prensagem térmica.

No processo de evaporação, o papel do solvente foi desempenhado pelo tetra-hidrofurano (THF). Além disso, uma pequena quantidade de polietilenoglicol (PEG) (TPU: PEG = 10: 1 em peso) foi adicionada à solução para facilitar a montagem ordenada de gotículas de água.

A evaporação do solvente orgânico arrefeceu o substrato. A umidade, por sua vez, condensa no substrato e se acumula sozinha nos eliminadores de gotículas.

Os cientistas observam que, em circunstâncias normais, a ligação de gotículas deve ser evitada, o que pode levar à formação de estruturas desordenadas. Porém, neste trabalho, a aproximação de gotículas promoveu a formação de estruturas porosas.

Como mostrado em 1b, o tamanho dos poros pode ser controlado alterando a concentração da solução. Uma concentração mais alta (2% em peso de TPU + 0,2% em peso de PEG) levou a um tamanho de poro menor e a uma estrutura mais regular, mas a uma porcentagem mais alta de poros obstruídos (ou seja, poros que não cumprem seu papel devido à sua localização). Por outro lado, quando a concentração era muito baixa (1% em peso de TPU + 0,1% em peso de PEG), a estrutura resultante tendia a ser mais irregular com um diâmetro de poro superior a 100 μm. Tais poros grandes podem ser vistos a olho nu e limitam a resolução dos eletrodos.

Após várias tentativas, verificou-se que a concentração ideal da solução é de 1,5% em peso de TPU e 0,15% em peso de PEG. Como resultado, foi obtida uma estrutura porosa uniforme ( 1b e 1e) A forma dos poros era quase arredondada, com um diâmetro de ~ 40 μm, e o coeficiente de cobertura da superfície era de cerca de 39% ( 1e e 1f ).

Os AgNWs foram incorporados em um filme poroso de TPU por imersão em uma solução de AgNW e água. É importante ressaltar que o tamanho do poro era muito maior que o comprimento do AgNW (~ 20 μm). A microscopia ( 1c ) do filme poroso de AgNW / TPU mostrou que o AgNW era uniformemente depositado na superfície do TPU sem bloquear os poros.

Os AgNWs na superfície dos filmes em TPU são facilmente separados, portanto, era necessário realizar um tratamento térmico para resolver esse problema. O ponto de fusão do TPU é de cerca de 130 ° C; portanto, foi decidido usar uma temperatura de 150 ° C para prensagem térmica.

Na figura 1d2pode-se observar que, após a prensa térmica, a maioria dos AgNWs foram incorporados diretamente no interior da TPU e apenas uma pequena parte foi exposta na superfície. Este tratamento também reduziu a espessura do filme de 6,8 μm para 4,6 μm.


Imagem nº 2 A

imagem 2a mostra uma imagem óptica de um filme poroso HP-AgNW / TPU (HP - após tratamento térmico). Gráfico 2bmostra a resistência do filme em função do número de ciclos de imersão (isto é, o número de ciclos de incorporação AgNW). A resistência diminuiu apenas após os quatro primeiros ciclos, após o que permaneceu estável, atingindo aproximadamente 14,5 Ohm / m² (Ohm por quadrado). Portanto, no processo de fabricação do filme, exatamente 4 ciclos de aplicação foram usados. O tratamento da prensa térmica reduziu ainda mais a resistência, o que pode ser explicado pelo contato aprimorado nos compostos AgNW causado pela pressão e pelo recozimento térmico. Por exemplo, após o tratamento térmico, a resistência do filme diminuiu para 7,3 Ohm / m².

A estrutura porosa do filme leva a um aumento na transparência óptica em comparação com um filme sólido. A transmitância óptica foi de 72% a 550 nm para um filme poroso de TPU ( 2c) e diminuiu para 63% após o revestimento com AgNW. A transmitância foi reduzida ainda mais para 61% após a prensagem térmica, devido ao aumento da largura do filme em TPU.

Em seguida, a transmissão de vapor de água foi estimada com base no ASTM E96. Como esperado, um filme poroso de TPU exibe permeabilidade ao vapor significativamente melhorada em comparação com um filme sem estrutura porosa ( 2d ). A taxa de transmissão de vapor de água foi: 2 mg / cm 2 h -1 para filme sólido de TPU; 38 mg / cm 2 h -1 para um filme poroso de TPU; 36 mg / cm 2 h -1 para AgNW poroso / TPU e 23 mg / cm 2 h -1para HP-AgNW / TPU poroso.

Os pesquisadores sugeriram que o aumento da permeabilidade ao vapor também melhora a resistência ao desgaste do material. Para testar esta hipótese, um teste de desgaste a longo prazo foi realizado quando um filme foi usado na pele. Após 7 dias de uso na pele de uma pessoa, não houve reações alérgicas e acúmulo de suor. Não foi observada diferença entre a área da pele coberta com o filme e a área ao redor da área de contato.

É óbvio que a estrutura porosa permite que o suor e a umidade penetrem no filme, reduz a probabilidade de irritação da pele e melhora o conforto e a resistência ao desgaste.

Além disso, os filmes foram imersos em solução salina para demonstrar estabilidade a longo prazo em contato com o suor ( 2e) Após 100 horas, a resistência dos filmes porosos AgNW / TPU e HP-AgNW / TPU aumentou em 60% e 15%, respectivamente.

Foram realizados testes de descamação entre o filme e a fita adesiva ( 2f ) e entre o filme e a pele. A Figura 2f também mostra que o filme AgNW / TPU pode ser facilmente retirado usando fita (a imagem à direita mostra AgNW transferido para fita adesiva), enquanto o filme HP-AgNW / TPU é muito mais estável.

Além disso, o filme AgNW / TPU perdeu a condutividade após o teste de descamação, enquanto o filme HP-AgNW / TPU reteve a condutividade.

Depois de remover o filme AgNW / TPU da pele, alguns AgNWs ainda permaneciam na pele. Mas um teste semelhante com um filme HP-Ag NW / TPU mostrou que não havia partículas AgNW na pele.

Daqui resulta que o tratamento térmico pode efetivamente melhorar a condutividade e a estabilidade do filme durante o uso prolongado.

Ao incorporar o AgNW abaixo da superfície do filme de TPU, o filme poroso HP-AgNW / TPU resultante mostrou uma adesão significativamente melhorada entre o AgNW e o TPU e, portanto, estabilidade, com uma redução aceitável na transmissão óptica e na permeabilidade ao vapor.

Vale ressaltar que o filme HP-AgNW / TPU não é apenas condutor na superfície, mas também na direção da espessura. Os lados superior e inferior do filme são eletricamente condutivos, enquanto também são conectados por nanofios de prata na borda dos poros através da espessura. Assim, o filme atua como um material condutor a granel, mas não requer um grande número de cargas condutoras, o que pode causar deterioração nas propriedades mecânicas.


Teste com LED.

Para demonstrar essa propriedade, o filme foi conectado a um circuito de LED e usado como um condutor de dois lados. Duas gotas de metal líquido foram aplicadas nos dois lados do filme para conectar-se ao LED. Um LED aceso indica que os dois lados do filme são eletricamente condutivos e conectados.


Imagem nº 3

Devido às suas propriedades físicas, o filme HP-AgNW / TPU pode assumir várias formas por corte a laser. As figuras 3a mostram um eletrodo de filme estruturado em uma estrutura serpentina filamentar com uma largura de linha de 0,5 mm. Nesse caso, o filme permanece ultrafino, o que garante um contato próximo com a pele.


O procedimento para aplicar o filme HP-AgNW / TPU na pele.

O filme é completamente restaurado após compressão, torção e outras deformações que podem ocorrer enquanto estiver na pele. Se necessário, o filme HP-AgNW / TPU pode ser removido da pele usando fita adesiva e reutilizado.


Procedimento de remoção do HP-AgNW / TPU usando fita adesiva simples.

O gráfico 3b mostra a dinâmica da resistência, dependendo do alongamento do filme. Com uma tensão de 5% no filme, a resistência dobrou. Ao remover qualquer tensão (deformação), a resistência caiu 10%. Nos ciclos subsequentes, nos quais o alongamento do filme e seu estado normal se alternavam, a resistência quase sempre se mantinha constante e reversível.

Se a deformação foi de 10% e 15%, a resistência aumentou cerca de 4 e 7 vezes, respectivamente, em comparação com o valor inicial. Apesar de tais flutuações significativas, observou-se uma tendência interessante - em cada nível de deformação, o filme pode ser “programado” durante o primeiro alongamento, após o qual a resistência mudará reversivelmente dentro da faixa determinada pelo primeiro alongamento. Em outras palavras, é o primeiro ciclo de deformação que desempenha o papel mais importante, que define o "ritmo" da mudança de resistência nos ciclos subsequentes.

Como resultado, após 1000 ciclos de deformação (10%), a resistência aumentou em menos de 7%. Este teste também mostrou que o filme é realmente muito flexível. Assim, quando o filme foi dobrado para uma curvatura de 0,55 mm-1, a resistência aumentou apenas 0,8% ( 3s) E após 10.000 ciclos de flexão, a resistência aumentou 0,7% ( 3d ). O filme HP-AgNW / TPU mantém sua condutividade em até 45% de tensão. E a destruição do filme ocorre apenas com uma deformação de 350%.

Os cientistas observam que seu desenvolvimento é excelente para o monitoramento contínuo de sinais eletrofisiológicos. Um ECG é comumente usado para diagnosticar distúrbios do ritmo cardíaco, enquanto um EMG pode ser usado para analisar níveis de estimulação, neuropatia muscular e comportamento motor.

Nas medições de ECG e EMG (eletrocardiografia e eletromiografia), o contato conforme e a baixa impedância de eletrodo da pele são cruciais para obter uma alta relação sinal / ruído, ou seja, para obter as informações mais precisas.

Para avaliar o contato entre os eletrodos porosos HP-AgNW / TPU e a pele, usamos couro artificial feito de Exoflex, que é quase idêntico à pele humana e possui o mesmo módulo de Young.


Imagem # 4

Imagem 4a mostra a eléctrodos após a transferência para a pele artificial. A microscopia mostra claramente que o eletrodo ultrafino formou contato (próximo) conforme com a pele.

A resistência complexa dos eletrodos porosos iniciais e expandidos de HP-AgNW / TPU foi apenas ligeiramente superior à dos eletrodos de gel Ag / AgCl comerciais ( 4d) e inferior ao de um filme sólido AgNW / PDMS (espessura de 0,2 mm). Isto é devido à qualidade do contato do filme com a pele. A espessura menor e a flexibilidade aumentada do filme HP-AgNW / TPU reduzem a rigidez à flexão, resultando em um contato mais conforme que o filme sólido AgNW / PDMS.

Além disso, os sinais de ECG e EMG obtidos usando eletrodos porosos HP-AgNW / TPU foram comparados com os sinais obtidos usando eletrodos de gel comerciais Ag / AgCl em gel ( 4e e 4f ). A localização dos eletrodos para os testes de ECG e EMG é mostrada em 4b e 4c, respectivamente.

No caso de ECGs, os eletrodos porosos HP-AgNW / TPU forneceram sinais de qualidade comparável aos eletrodos de gel. A SNR medida (razão sinal / ruído) para o eletrocardiograma pelos eletrodos porosos HP-AgNW / TPU foi de 7,0 dB, o que é comparável aos eletrodos de gel (7,1 dB).

No caso de movimento constante, a qualidade do sinal se deteriorou e o valor SNR caiu para 6,3 dB para eletrodos porosos e 6,2 dB para eletrodos de gel.

Devido ao EMG, é possível distinguir claramente os sinais correspondentes à contração muscular para diferentes forças de preensão. Vale ressaltar que o sinal dos eletrodos porosos HP-AgNW / TPU era mais fraco que o dos eletrodos de gel, mas isso ocorreu devido ao arranjo diferente dos dois tipos de eletrodos (eletrodos de ambos os tipos foram usados ​​simultaneamente). O valor de SNR para EMG com eletrodos porosos foi de 24,9 dB, o que é comparável ao SNR para eletrodos de gel (25,9 dB).

Vale ressaltar que os eletrodos porosos, diferentemente dos eletrodos de gel comerciais, não precisam de um gel condutor. A falta de gel durante a coleta de dados melhora sua qualidade, pois não há fator como a degradação do gel. Levando em conta a permeabilidade ao gás do filme desenvolvido, essas experiências ilustram adicionalmente a possibilidade de usar eletrodos porosos HP-AgNW / TPU para monitoramento contínuo a longo prazo da condição humana.

A pele humana não é o único local onde os eletrodos desenvolvidos podem ser colocados. A segunda opção é têxtil.


Imagem # 5

Imagem 5a mostra um diagrama de um sensor de toque capacitivo. Em 5b mostra o valor da capacitância quando o sensor é tocado e pressionado.

Além disso, a sensibilidade do sistema de sensor de toque é definida como a taxa de alteração do valor de leitura quando um toque ocorre. Nesse sistema, a sensibilidade foi de 86%. A estabilidade, por sua vez, é definida como a variação das leituras do sensor de toque, que é de cerca de 1,65. A relação sinal / ruído foi de 35: 1 e o tempo de resposta foi menor que 0,1 s.

Para montar o sistema de sensores de toque sem fio ( 5c ), um pedaço de filme HP-AgNW / TPU 50x100 mm foi integrado a uma luva de tecido e exibido como quatro botões de toque usando corte a laser. Cada um dos botões tinha sua própria função: esquerda, baixo, rotação e direita.


Tetris na manga.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo


A tecnologia moderna tem sido associada não apenas à funcionalidade, mas também ao conforto no uso. A eletrônica vestível não é exceção. A maioria dos materiais modernos usados ​​para a produção de gadgets portáteis desempenha perfeitamente suas funções básicas, mas não possui detalhes pequenos, mas muito importantes. Um desses detalhes é a permeabilidade ao gás, que fornece transpiração livre em caso de uso prolongado de qualquer dispositivo na pele.

O filme HP-AgNW / TPU desenvolvido possui muitos poros solicitados. Esse design não afetou muito as propriedades físicas do filme, mantendo a capacidade de executar totalmente as principais tarefas.

Durante o estudo, vários protótipos foram criados, demonstrando a variedade de aplicações do HP-AgNW / TPU. O primeiro protótipo teve como objetivo coletar informações importantes sobre o estado de saúde do usuário. O segundo é o uso quase humorístico do filme HP-AgNW / TPU para criar um gamepad sem fio Tetris. Nos dois casos, os protótipos apresentaram excelentes resultados, e o filme poroso em suas características e desempenho foi comparável às opções comerciais atualmente utilizadas.

No futuro, os pesquisadores pretendem continuar seu trabalho em materiais permeáveis ​​a gás, pois acreditam que o uso de qualquer dispositivo vestível deve ser confortável. Bem, você não pode discutir com isso.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)

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