Algunos de los bordados de la OSU. Imagen: Jo McCulty. Fuente: OSU.
Los investigadores que trabajan para desarrollar productos electrónicos portátiles han alcanzado un hito: Son capaces de bordar circuitos en un tejido con 0,1 milímetros de precisión: el tamaño perfecto para integrar componentes electrónicos tales como sensores y dispositivos de memoria de ordenador en la ropa.
Con este avance, los investigadores de la Universidad Estatal de Ohio (OSU, EE.UU.) han dado el siguiente paso hacia el diseño de textiles funcionales: ropa que recoge, almacena o transmite información digital. Con un mayor desarrollo, la tecnología podría dar lugar a camisas que actúan como antenas para su teléfono inteligente o tableta, ropa de entrenamiento que controla su nivel de forma, equipación deportiva que controla el rendimiento de los atletas, una venda que le dice al médico cómo de bien se está curando el tejido que hay debajo, o incluso una gorra de tejido flexible que detecta actividad en el cerebro.
El último punto es el que John Volakis, director del Laboratorio de ElectroCiencia de OSU, y Asimina Kiourti están investigando. La idea es hacer que los implantes en el cerebro de personas que están en tratamiento de epilepsia o adicciones, sean más cómodos al eliminar la necesidad de cableado externo en el cuerpo del paciente.
"Está produciendo una revolución en la industria textil", dice Volakis, que es también catedrático de Ingeniería Eléctrica en OSU, en la información de ésta. "Creemos que los textiles funcionales son una tecnología de apoyo a las comunicaciones y la detección -y un día incluso a aplicaciones médicas como la toma de imágenes y la monitorización de la salud."
Recientemente, él y Kiourti refinaron su método de fabricación patentado para crear prototipos de vestibles a una fracción del coste y en la mitad del tiempo que hace sólo dos años. Con las nuevas patentes pendientes, publicaron los nuevos resultados en la revista IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.
Hilo de metal
En el laboratorio de Volakis, los textiles funcionales, también llamados "e-textiles," son creados en parte en una típica mesa de máquina de coser, del tipo que los artesanos de tejidos y los aficionados podrían tener en casa. Al igual que otras máquinas de coser modernas, borda hilo en la tela automáticamente en función de un patrón cargado a través de un archivo de ordenador. Los investigadores sustituyen el hilo con alambres de metal de plata fina que, una vez bordados, se sienten al tacto igual que el hilo tradicional.
"Comenzamos con una tecnología que es muy conocida, la máquina de bordar, y nos preguntamos: ¿Cómo podemos funcionalizar los bordados? ¿Cómo podemos hacer que transmitan señales a frecuencias útiles, como para los teléfonos celulares o los sensores de salud? ", dice Volakis.
"Ahora, por primera vez, hemos logrado la precisión de las placas de circuitos impresos de metal, por lo que nuestro nuevo objetivo es aprovecharnos de la precisión para incorporar receptores y otros componentes electrónicos." La forma del bordado determina la frecuencia de funcionamiento de la antena o del circuito, explica Kiourti.
La forma de una antena de banda ancha, por ejemplo, consiste en más de media docena de formas geométricas entrelazadas, cada una un poco más grande que una uña, que forman un círculo intrincado de unos pocos centímetros de ancho. Cada pieza del círculo transmite energía a una frecuencia diferente, de manera que cubran un amplio espectro de energías cuando funcionan juntos, y den capacidad de "banda ancha" a la antena para el teléfono móvil y el acceso a Internet.
"La forma determina la función", dice. "Y nunca se sabe qué forma vas a necesitar en unas aplicaciones u otras. Así que quería tener una tecnología que pudiera bordar cualquier forma para cualquier aplicación".
El objetivo inicial de los investigadores, añade Kiourti, era sólo aumentar la precisión de los bordados tanto como fuera posible, lo cual requería trabajar con alambre de plata fina. Pero eso creaba un problema, ya que los alambres finos no podían proporcionar tanta conductividad superficial como los cables gruesos. Así que tuvieron que encontrar una manera de trabajar el hilo fino en las densidades y formas de bordado que impulsaran la conductividad superficial y, por lo tanto, el rendimiento de la antena / sensor.
Con este avance, los investigadores de la Universidad Estatal de Ohio (OSU, EE.UU.) han dado el siguiente paso hacia el diseño de textiles funcionales: ropa que recoge, almacena o transmite información digital. Con un mayor desarrollo, la tecnología podría dar lugar a camisas que actúan como antenas para su teléfono inteligente o tableta, ropa de entrenamiento que controla su nivel de forma, equipación deportiva que controla el rendimiento de los atletas, una venda que le dice al médico cómo de bien se está curando el tejido que hay debajo, o incluso una gorra de tejido flexible que detecta actividad en el cerebro.
El último punto es el que John Volakis, director del Laboratorio de ElectroCiencia de OSU, y Asimina Kiourti están investigando. La idea es hacer que los implantes en el cerebro de personas que están en tratamiento de epilepsia o adicciones, sean más cómodos al eliminar la necesidad de cableado externo en el cuerpo del paciente.
"Está produciendo una revolución en la industria textil", dice Volakis, que es también catedrático de Ingeniería Eléctrica en OSU, en la información de ésta. "Creemos que los textiles funcionales son una tecnología de apoyo a las comunicaciones y la detección -y un día incluso a aplicaciones médicas como la toma de imágenes y la monitorización de la salud."
Recientemente, él y Kiourti refinaron su método de fabricación patentado para crear prototipos de vestibles a una fracción del coste y en la mitad del tiempo que hace sólo dos años. Con las nuevas patentes pendientes, publicaron los nuevos resultados en la revista IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.
Hilo de metal
En el laboratorio de Volakis, los textiles funcionales, también llamados "e-textiles," son creados en parte en una típica mesa de máquina de coser, del tipo que los artesanos de tejidos y los aficionados podrían tener en casa. Al igual que otras máquinas de coser modernas, borda hilo en la tela automáticamente en función de un patrón cargado a través de un archivo de ordenador. Los investigadores sustituyen el hilo con alambres de metal de plata fina que, una vez bordados, se sienten al tacto igual que el hilo tradicional.
"Comenzamos con una tecnología que es muy conocida, la máquina de bordar, y nos preguntamos: ¿Cómo podemos funcionalizar los bordados? ¿Cómo podemos hacer que transmitan señales a frecuencias útiles, como para los teléfonos celulares o los sensores de salud? ", dice Volakis.
"Ahora, por primera vez, hemos logrado la precisión de las placas de circuitos impresos de metal, por lo que nuestro nuevo objetivo es aprovecharnos de la precisión para incorporar receptores y otros componentes electrónicos." La forma del bordado determina la frecuencia de funcionamiento de la antena o del circuito, explica Kiourti.
La forma de una antena de banda ancha, por ejemplo, consiste en más de media docena de formas geométricas entrelazadas, cada una un poco más grande que una uña, que forman un círculo intrincado de unos pocos centímetros de ancho. Cada pieza del círculo transmite energía a una frecuencia diferente, de manera que cubran un amplio espectro de energías cuando funcionan juntos, y den capacidad de "banda ancha" a la antena para el teléfono móvil y el acceso a Internet.
"La forma determina la función", dice. "Y nunca se sabe qué forma vas a necesitar en unas aplicaciones u otras. Así que quería tener una tecnología que pudiera bordar cualquier forma para cualquier aplicación".
El objetivo inicial de los investigadores, añade Kiourti, era sólo aumentar la precisión de los bordados tanto como fuera posible, lo cual requería trabajar con alambre de plata fina. Pero eso creaba un problema, ya que los alambres finos no podían proporcionar tanta conductividad superficial como los cables gruesos. Así que tuvieron que encontrar una manera de trabajar el hilo fino en las densidades y formas de bordado que impulsaran la conductividad superficial y, por lo tanto, el rendimiento de la antena / sensor.
Bordado-antena de la 'O' de la OSU. Imagen: J. McCulty. Fuente: OSU.
Coste
Anteriormente, los investigadores habían utilizado un polímero recubierto de plata con un diámetro de 0,5 mm, y cada hilo estaba compuesto por 600 filamentos incluso más finos, trenzados entre sí. Los nuevos hilos tienen un diámetro de 0,1 mm, fabricados con sólo siete filamentos. Cada filamento está hecho de cobre en el centro, esmaltado con plata pura.
Los investigadores compran el cable de la bobina a un coste de 10 centavos el metro; Kiourti estima que bordar una sola antena de banda ancha como la mencionada anteriormente consume alrededor de 3 metros de hilo, es decir, que el coste de material es de alrededor de 30 centavos de dólar por antena, 24 veces menos caro que cuando Volakis y Kiourti crearon antenas similares en 2014.
En parte, el ahorro de costes proviene del uso de menos hilo por bordado. Antes, los investigadores tenían que apilar el hilo más grueso en dos capas, una encima de la otra, para hacer que la antena llevara una señal eléctrica lo suficientemente fuerte. Pero al perfeccionar la técnica, fueron capaces de crear las nuevas antenas de alta precisión con una sola capa bordada del hilo más fino. Así que ahora el proceso lleva la mitad del tiempo: sólo unos 15 minutos.
Una antena prototipo se parece a una espiral y se puede bordar sobre la ropa para mejorar la recepción de la señal de telefonía móvil. Otro prototipo, una antena extensible con un chip integrado de RFID (identificación por radiofrecuencia) incorporado en goma, lleva las aplicaciones más allá de la ropa (era parte de un estudio hecho por un fabricante de neumáticos).
Otro circuito, similar a la "O" del logotipo de los deportes de OSU, demuestra que los e-textiles pueden ser a la vez decorativos y funcionales.
Anteriormente, los investigadores habían utilizado un polímero recubierto de plata con un diámetro de 0,5 mm, y cada hilo estaba compuesto por 600 filamentos incluso más finos, trenzados entre sí. Los nuevos hilos tienen un diámetro de 0,1 mm, fabricados con sólo siete filamentos. Cada filamento está hecho de cobre en el centro, esmaltado con plata pura.
Los investigadores compran el cable de la bobina a un coste de 10 centavos el metro; Kiourti estima que bordar una sola antena de banda ancha como la mencionada anteriormente consume alrededor de 3 metros de hilo, es decir, que el coste de material es de alrededor de 30 centavos de dólar por antena, 24 veces menos caro que cuando Volakis y Kiourti crearon antenas similares en 2014.
En parte, el ahorro de costes proviene del uso de menos hilo por bordado. Antes, los investigadores tenían que apilar el hilo más grueso en dos capas, una encima de la otra, para hacer que la antena llevara una señal eléctrica lo suficientemente fuerte. Pero al perfeccionar la técnica, fueron capaces de crear las nuevas antenas de alta precisión con una sola capa bordada del hilo más fino. Así que ahora el proceso lleva la mitad del tiempo: sólo unos 15 minutos.
Una antena prototipo se parece a una espiral y se puede bordar sobre la ropa para mejorar la recepción de la señal de telefonía móvil. Otro prototipo, una antena extensible con un chip integrado de RFID (identificación por radiofrecuencia) incorporado en goma, lleva las aplicaciones más allá de la ropa (era parte de un estudio hecho por un fabricante de neumáticos).
Otro circuito, similar a la "O" del logotipo de los deportes de OSU, demuestra que los e-textiles pueden ser a la vez decorativos y funcionales.
Referencia bibliográfica:
Asimina Kiourti, Cedric Lee, John L. Volakis: Fabrication of Textile Antennas and Circuits With 0.1 mm Precision. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters (2016). DOI: 10.1109/LAWP.2015.2435257.
Asimina Kiourti, Cedric Lee, John L. Volakis: Fabrication of Textile Antennas and Circuits With 0.1 mm Precision. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters (2016). DOI: 10.1109/LAWP.2015.2435257.