Presentamos lo último en textiles: hardware blando

Los investigadores incorporan diodos optoelectrónicos en fibras y los tejen en telas lavables

Por primera vez, los investigadores del MIT y AFFOA han producido fibras con componentes electrónicos integrados que son tan flexibles que pueden tejerse en telas suaves y convertirse en prendas de vestir. Crédito: Instituto de Tecnología de Massachusetts

El último desarrollo en textiles y fibras es un tipo de hardware blando que puede usar: tela que tiene dispositivos electrónicos integrados.

Los investigadores del MIT ahora han incorporado dispositivos semiconductores optoelectrónicos de alta velocidad, incluidos diodos emisores de luz (LED) y fotodetectores de diodos, dentro de fibras que luego se tejieron en Inman Mills, en Carolina del Sur, en telas suaves y lavables y se convirtieron en sistemas de comunicación. Esto marca el logro de un objetivo largamente buscado de crear tejidos “inteligentes” mediante la incorporación de dispositivos semiconductores, el ingrediente clave de la electrónica moderna, que hasta ahora era la pieza que faltaba para fabricar tejidos con una funcionalidad sofisticada.

Este descubrimiento, dicen los investigadores, podría desencadenar una nueva “Ley de Moore” para las fibras, en otras palabras, una progresión rápida en la que las capacidades de las fibras crecerían rápida y exponencialmente con el tiempo, al igual que las capacidades de los microchips han crecido durante décadas.

Los hallazgos se describen esta semana en la revista. Naturaleza en un artículo del ex estudiante graduado del MIT Michael Rein; su asesor de investigación Yoel Fink, profesor de ciencia de materiales e ingeniería eléctrica del MIT y director ejecutivo de AFFOA (Advanced Functional Fabrics of America); junto con un equipo del MIT, AFFOA, Inman Mills, EPFL en Lausana, Suiza y Lincoln Laboratory.

Las fibras ópticas se han producido tradicionalmente haciendo un objeto cilíndrico llamado “preforma”, que es esencialmente un modelo a escala de la fibra, y luego calentándolo. A continuación, el material ablandado se estira o tira hacia abajo bajo tensión y la fibra resultante se recoge en un carrete.

El avance clave para producir estas nuevas fibras fue agregar a la preforma diodos semiconductores emisores de luz el tamaño de un grano de arena y un par de alambres de cobre de una fracción del ancho de un cabello. Cuando se calienta en un horno durante el proceso de estirado de fibras, la preforma de polímero se licúa parcialmente, formando una fibra larga con los diodos alineados a lo largo de su centro y conectados por los alambres de cobre.

En este caso, los componentes sólidos eran dos tipos de diodos eléctricos fabricados con tecnología de microchip estándar: diodos emisores de luz (LED) y diodos fotosensores. “Tanto los dispositivos como los cables mantienen sus dimensiones mientras todo se encoge a su alrededor” en el proceso de dibujo, dice Rein. Las fibras resultantes se tejieron luego en telas, que se lavaron 10 veces para demostrar su practicidad como posible material para la ropa.

Los investigadores incorporan diodos optoelectrónicos en fibras y los tejen en telas lavables
Fibras emisoras de luz tejidas en tejidos. Crédito: Greg Hren. Propietario: Michael Rein y Yoel Fink.

“Este enfoque agrega una nueva perspectiva al proceso de fabricación de fibras”, dice Rein, quien fue el autor principal del artículo y desarrolló el concepto que condujo al nuevo proceso. “En lugar de extraer todo el material en estado líquido, mezclamos dispositivos en forma de partículas, junto con alambres de metal delgados”.

Una de las ventajas de incorporar la función en el propio material de fibra es que la fibra resultante es inherentemente impermeable. Para demostrar esto, el equipo colocó algunas de las fibras fotodetectoras dentro de una pecera. Una lámpara fuera del acuario transmitía música (apropiadamente, la “Música del agua” de Handel) a través del agua a las fibras en forma de señales ópticas rápidas. Las fibras en el tanque convirtieron los pulsos de luz (o rápidamente que la luz parece estable a simple vista) o señales eléctricas, que luego se convirtieron en música. Las fibras sobrevivieron en el agua durante semanas.

Aunque el principio suena simple, hacer que funcione de manera consistente y asegurarse de que las fibras se puedan fabricar de manera confiable y en cantidad, ha sido un proceso largo y difícil. El personal del Advanced Functional Fabric of America Institute, dirigido por Jason Cox y Chia-Chun Chung, desarrolló las vías para aumentar el rendimiento, el rendimiento y la confiabilidad general, preparando estas fibras para la transición a la industria. Al mismo tiempo, Marty Ellis de Inman Mills desarrolló técnicas para tejer estas fibras en telas utilizando un telar a escala industrial convencional.

“Este documento describe un camino escalable para incorporar dispositivos semiconductores en fibras. Estamos anticipando la aparición de un análogo de la ‘ley de Moore’ en las fibras en los próximos años”, dice Fink. “Ya nos está permitiendo expandir las capacidades fundamentales de las telas para abarcar comunicaciones, iluminación, monitoreo fisiológico y más. En los años venideros, las telas brindarán servicios de valor agregado y ya no se seleccionarán solo por su estética y comodidad”.

Dice que los primeros productos comerciales que incorporen esta tecnología llegarán al mercado el próximo año, con una progresión extraordinariamente corta desde la investigación de laboratorio hasta la comercialización. Este rápido desarrollo del laboratorio al mercado fue una parte clave de la razón para crear una colaboración entre el sector académico, la industria y el gobierno como AFFOA en primer lugar, dice. Estas aplicaciones iniciales serán productos especializados que involucran comunicaciones y seguridad. “Va a ser el primer sistema de comunicación de tejido. Ahora mismo estamos en el proceso de transición de la tecnología a los fabricantes y la industria nacionales a una velocidad y escala sin precedentes”, dice.

Además de las aplicaciones comerciales, Fink dice que el Departamento de Defensa de EE. UU., Uno de los principales partidarios de AFFOA, está explorando aplicaciones de estas ideas para nuestras mujeres y hombres en uniforme “.

Más allá de las comunicaciones, las fibras podrían tener aplicaciones importantes en el campo biomédico, dicen los investigadores. Por ejemplo, los dispositivos que usan tales fibras podrían usarse para hacer una muñequera que podría medir el pulso o los niveles de oxígeno en sangre, o tejerse en un vendaje para monitorear continuamente el proceso de curación.


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