研究者の目の刺繍が低い

発電糸を布地に刺繍することで、研究者らは自己発電式の数値タッチパッドと運動センサーを衣服に埋め込むことができた。テクニックが提供するものウェアラブル デバイスを作成するための、低コストでスケーラブルな潜在的な方法です。

「私たちの技術は刺繍を使用していますが、これは非常に簡単です。布地に糸を直接縫い付けることができます」と、この研究の筆頭著者であるノースカロライナ州立大学の繊維工学、化学、科学の助教授であるロン・イン氏は述べた。 「生地の生産中に、ウェアラブルデバイスについて何も考慮する必要はありません。衣料品が作られた後に発電糸を組み込むことができます。」

Nano Energy に掲載された研究では、研究者たちは発電糸の複数の設計をテストしました。 刺繍ステッチの張力や曲げに耐えられる耐久性を持たせるため、最終的には薄いポリウレタンコーティングを施した市販の銅線を5本組み合わせて使用​​しました。 次に、PTFEと呼ばれる別の素材を使用して綿生地に縫い付けました。

「これは、市販の製品を使用してウェアラブル電子機器を製造するための低コストの方法です」とイン氏は述べた。 「私たちのプロトタイプの電気的特性は、同じ発電メカニズムに依存する他の設計と同等でした。」

研究者らは、静電気のように、2つの異なる物質によって交換される電子を利用する「摩擦電気効果」と呼ばれる発電方法を利用した。 彼らは、テストした綿や絹などの他のタイプの生地と比較して、PTFE 生地がポリウレタンでコーティングされた銅線と接触したときに電圧と電流の点で最高のパフォーマンスを発揮することを発見しました。 彼らはまた、効果を高めるために刺繍サンプルをプラズマでコーティングすることもテストしました。

「私たちの設計では 2 つの層があります。1 つは導電性のポリウレタンでコーティングされた銅線で、もう 1 つは PTFE で、それらの間には隙間があります」とイン氏は言います。 「2つの非導電性材料が互いに接触すると、一方の材料はいくらかの電子を失い、もう一方の材料はいくらかの電子を受け取ります。それらを結び付けると、電流が発生します。」

研究者らは、デニムに PTFE 生地を刺繍して、糸をモーションセンサーとしてテストしました。 彼らは、人の動きに応じて生成される電気信号を追跡するために、手のひら、脇の下、肘、膝に刺繍パッチを配置しました。 また、彼らの刺繍が入った布地を靴の中敷きに取り付けて歩数計としての使用をテストしたところ、人が歩いている、走っている、ジャンプしているかどうかに応じて電気信号が変化することが判明した。

最後に、彼らは腕にある繊維ベースのテンキーパッドで糸をテストしました。このテンキーパッドは、綿生地に数字を刺繍し、PTFE 生地に貼り付けて作成しました。 人がキーパッドで押した数字に応じて、数字ごとに異なる電気信号が生成されることがわかりました。

「私たちの糸を衣服に刺繍すると、体が動くと電気信号が発生し、その信号をセンサーとして使用できます」とイン氏は語った。 「靴に刺繍を入れると、走っているときよりも、ただ歩いているときよりも高い電圧が発生します。布地に数字を縫い付けて押すと、数字ごとに異なる電圧が発生します。もしかしたら、それは可能性があります」インターフェイスとして使用されます。」

繊維製品は洗濯が避けられないため、一連の洗濯と摩擦のテストで刺繍デザインの耐久性をテストしました。 刺繍を手洗いし、洗剤ですすぎ、オーブンで乾燥させた後、電圧に違いは見られず、電圧がわずかに上昇したことがわかりました。 プラズマでコーティングされたプロトタイプでは、元のサンプルと比較して、性能は低下しましたが、依然として優れていることがわかりました。 摩耗テストの結果、10,000 回の摩擦サイクル後も設計の電気出力性能に大きな変化がないことがわかりました。

将来的には、センサーを他のデバイスと統合して、さらに多くの機能を追加する予定です。

「次のステップは、これらのセンサーをウェアラブル システムに統合することです」とイン氏は語った。

この研究「自己給電センシングと人間と機械の相互作用のための、柔軟で耐久性があり、洗濯可能な摩擦電気糸と刺繍」は、Nano Energy 誌にオンラインで掲載されました。 共著者には、Yu Chen、Erdong Chen、Zihao Wang、Yali Ling、Rosie Fisher、Mengjiao Li、Jacob Hart、Weilei Mu、Wei Gao、Xiaoming Tao、Bao Yang が含まれます。 資金は、ノースカロライナ州立大学から、ノースカロライナ州立大学研究・専門能力開発基金およびノー​​スカロライナ州サマー REU プログラムを通じて提供されました。

- このプレスリリースはノースカロライナ州立大学から提供されました。