El bordado de hilos generadores de energía en la tela permitió a los investigadores incorporar sensores de movimiento y un panel táctil numérico autoalimentado en la ropa. La técnica ofrece un método potencial escalable y de bajo costo para fabricar dispositivos portátiles.

«Nuestra técnica usa bordado, que es bastante simple : puedes coser nuestros hilos directamente sobre la tela», dijo el autor principal del estudio, Rong Yin, profesor asistente de ingeniería textil, química y ciencia en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. «Durante la producción de telas, no es necesario tener en cuenta nada acerca de los dispositivos portátiles. Puede integrar los hilos generadores de energía después de confeccionar la prenda».

En el estudio publicado en Nano Energy, los investigadores probaron múltiples diseños para hilos generadores de energa. Para hacerlos lo suficientemente duraderos como para soportar la tensión y la flexión del proceso de costura del bordado, finalmente utilizaron cinco alambres de cobre disponibles comercialmente, que tenían una fina capa de poliuretano, juntos. Luego, los cosieron sobre tela de algodón con otro material llamado PTFE.

«Este es un método de bajo costo para fabricar dispositivos electrónicos portátiles utilizando productos disponibles en el mercado», dijo Yin. «Las propiedades eléctricas de nuestros prototipos eran comparables a otros diseños que se basaban en el mismo mecanismo de generación de energía».

Los investigadores se basaron en un método para generar electricidad llamado «efecto triboeléctrico», que consiste en aprovechar los electrones intercambiados por dos materiales diferentes, como la electricidad estática. Descubrieron que la tela de PTFE tenía el mejor rendimiento en términos de voltaje y corriente cuando estaba en contacto con los cables de cobre recubiertos de poliuretano, en comparación con otros tipos de tela que probaron, incluidos el algodón y la seda. También probaron recubrir las muestras de bordado con plasma para aumentar el efecto.

«En nuestro diseño, tiene dos capas: una son sus cables de cobre recubiertos de poliuretano conductores y la otra es PTFE, y tienen un espacio entre ellos», dijo Yin. «Cuando los dos materiales no conductores entran en contacto, un material perderá algunos electrones y otro obtendrá algunos electrones. Cuando los unes, habrá una corriente».

Los investigadores probaron sus hilos como sensores de movimiento al bordarlos con la tela de PTFE en mezclilla. Colocaron los parches bordados en la palma de la mano, debajo del brazo, en el codo y en la rodilla para rastrear las señales eléctricas generadas cuando una persona se mueve. También colocaron tela con su bordado en la plantilla de un zapato para probar su uso como podómetro, encontrando que sus señales eléctricas variaban dependiendo de si la persona caminaba, corría o saltaba.

Por último, probaron sus hilos en un teclado numérico de base textil en el brazo, que fabricaron bordando números en un trozo de tela de algodón y uniéndolos a un trozo de tela de PTFE. Dependiendo del número que la persona presionó en el teclado, vio diferentes señales eléctricas generadas para cada número.

«Puedes bordar nuestros hilos en la ropa, y cuando te mueves, genera una señal eléctrica, y esas señales pueden usarse como un sensor», dijo Yin. «Cuando ponemos el bordado en un zapato, si estás corriendo, genera un voltaje más alto que si solo estuvieras caminando. Cuando cosimos números en la tela y los presionamos, genera un voltaje diferente para cada número. Podría ser utilizado como interfaz».

Dado que los productos textiles inevitablemente se lavarán, probaron la durabilidad de su diseño de bordado en una serie de pruebas de lavado y frotamiento. Después de lavar a mano y enjuagar el bordado con detergente y secarlo en un horno, no encontraron ninguna diferencia o un ligero aumento en el voltaje. Para el prototipo recubierto de plasma, encontraron un rendimiento debilitado pero aún superior en comparación con la muestra original. Después de una prueba de abrasión, descubrieron que no hubo cambios significativos en el rendimiento de salida eléctrica de sus diseños después de 10 000 ciclos de frotamiento.

En un trabajo futuro, planean integrar sus sensores con otros dispositivos para agregar más funciones.

«El siguiente paso es integrar estos sensores en un sistema portátil», dijo Yin.

El estudio, «Hilo y bordado triboeléctricos flexibles, duraderos y lavables para la detección autoalimentada y la interacción hombre-máquina», se publicó en línea en Nano Energy. Los coautores incluyeron a Yu Chen, Erdong Chen, Zihao Wang, Yali Ling, Rosie Fisher, Mengjiao Li, Jacob Hart, Weilei Mu, Wei Gao, Xiaoming Tao y Bao Yang. El financiamiento fue proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte a través del Fondo de Investigación y Desarrollo Profesional de la Facultad del Estado de Carolina del Norte y el programa REU de Verano del Estado de Carolina del Norte.