Intelligente Textilien: Innovative bequeme Wearable-Technologie

Forscher haben neue Wearable-Technologien demonstriert, die sowohl Strom aus menschlicher Bewegung erzeugen als auch den Komfort der Technologie für die Träger verbessern. Die Arbeit basiert auf einem fortgeschrittenen Verständnis von Materialien, die den Komfort in Textilien erhöhen und Strom erzeugen, wenn sie gegen eine andere Oberfläche reiben.

Amphiphile: Der Schlüssel zur reduzierten Hautreibung

Im Fokus stehen Moleküle, die Amphiphile genannt werden und häufig in Verbraucherprodukten verwendet werden, um die Reibung gegen die menschliche Haut zu reduzieren. Zum Beispiel werden Amphiphile oft in Windeln eingearbeitet, um Scheuerstellen zu verhindern.

„Wir haben uns das Ziel gesetzt, ein Modell zu entwickeln, das uns ein detailliertes grundlegendes Verständnis darüber gibt, wie verschiedene Amphiphile die Oberflächenreibung verschiedener Materialien beeinflussen“, sagt Lilian Hsiao, korrespondierende Autorin eines Papiers zu dieser Arbeit und außerordentliche Professorin für Chemische und Biomolekulare Technik an der North Carolina State University. „Das Modell hilft uns, die molekulare Grundlage für die Reibungsminderung zu verstehen und kann von Ingenieuren genutzt werden, um die Eigenschaften eines Materials für verschiedene Anwendungen anzupassen.“

Integration von Amphiphilen in haptische Energieerzeuger

„Dann haben wir eine Reihe von Experimenten begonnen, um zu erforschen, ob wir Amphiphile verwenden können, um Materialien zu modifizieren und in haptische Energieerzeuger zu integrieren“, sagt Saad Khan, ko-korrespondierender Autor und INVISTA-Professor für Chemische und Biomolekulare Technik an der NC State. „Konkret wollten wir wissen, ob wir Energie aus Reibung in amphiphilmodifizierten Materialien erzeugen können. Es stellt sich heraus, dass wir nicht nur Strom erzeugen können, sondern dies auch tun konnten, während wir die Reibung, die Menschen beim Tragen dieser Materialien erfahren, reduzieren.“

Mit anderen Worten, die Forscher fanden heraus, dass sie Amphiphile verwenden konnten, um tragbare Stoffe mit glatten Oberflächen zu schaffen, die sich angenehm auf der menschlichen Haut anfühlen.

Die Forscher entdeckten auch, dass einige Amphiphile elektronische Eigenschaften besitzen, die es ihnen ermöglichen, Elektronen zu „spenden“. Und als die Forscher diese elektronenspendenden Amphiphile in die tragbaren Materialien einarbeiteten, war das Endergebnis ein Material, das sowohl komfortabel als auch in der Lage war, durch Reibung, die durch Reiben an menschlicher Haut oder anderen Materialien erzeugt wurde, Strom zu erzeugen.

„Die Technologie zur Ernte statischer Energie ist gut etabliert, aber Geräte, die über lange Zeiträume getragen werden können, fehlen noch“, sagt Hsiao. „In unseren Machbarkeitsstudien haben wir festgestellt, dass sich diese amphiphilen Materialien nicht nur gut auf der Haut anfühlen, sondern auch bis zu 300 Volt erzeugen können, was für ein kleines Stück Material bemerkenswert ist.“

Zukünftige Richtungen: Balance zwischen Leistung und Komfort

„Eine optimale Balance zwischen der zur Leistungserzeugung notwendigen Reibung und der Aufrechterhaltung des Komforts des Trägers ist bei der Entwicklung haptischer Technologien von größter Bedeutung, und die Amphiphilchemie bietet einen einfachen Weg, dies zu erreichen“, sagt Khan. „Wir sind daran interessiert, diese Materialien weiter zu nutzen, zum Beispiel zu erforschen, wie sie in bestehende haptische Geräte integriert werden können. Und wir sind offen für die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um neue Anwendungen zu identifizieren.“

Diese Arbeit wurde unterstützt vom Nonwovens Institute unter Projekt 18-224SB; der National Science Foundation unter CAREER-Förderungsnummer 2042635; der AFRL im Rahmen des Summer Faculty Fellowship Program; dem Sloan Research Fellowship unter Fördernummer FG-2022-18336; der Dreyfus Foundation unter Fördernummer TC-22-038; den National Institutes of Health unter Fördernummer R01EY032584-02; und dem National Eye Institute unter Fördernummer 5R01EY032584-03.

Expertenkontakte
Lilian Hsiao
NC State University
E-Mail: lilian_hsiao@ncsu.edu

Saad Khan
NC State University
E-Mail: khan@ncsu.edu

Originalveröffentlichung
Pallav K. Jani, Kushal Yadav, Maryanne Derkaloustian, Hilmar Koerner, Charles Dhong, Saad A. Khan, Lilian C. Hsiao
Zeitschrift: Science Advances
Artikel Titel: Compressing slippery surface-assembled amphiphiles for tunable haptic energy harvesters
Artikel Veröffentlichungsdatum: 15. Jan 2025
DOI: 10.1126/sciadv.adr4088

Medienkontakt
Matt Shipman
North Carolina State University
E-Mail: matt_shipman@ncsu.edu

Quelle: EurekAlert!