"В нашей технике используется вышивка, которая довольно проста - вы можете пришивать наши нити непосредственно к ткани", - сказал ведущий автор исследования Ронг Инь, доцент кафедры текстильной инженерии, химии и естественных наук в Университете штата Северная Каролина. "Во время производства ткани вам не нужно ничего думать о носимых устройствах. Вы можете интегрировать энергогенерирующие нити после того, как изделие будет изготовлено."

В исследовании, опубликованном в Наноэнергия, исследователи протестировали несколько конструкций нитей, генерирующих энергию. Чтобы сделать их достаточно прочными, чтобы выдерживать натяжение и изгиб в процессе вышивки, они в конечном итоге использовали пять имеющихся в продаже медных проволок, которые имели тонкое полиуретановое покрытие, вместе. Затем они пришили их к хлопчатобумажной ткани с помощью другого материала, называемого ПТФЭ.

"Это недорогой метод изготовления носимой электроники с использованием коммерчески доступных продуктов", - сказал Инь. "Электрические свойства наших прототипов были сопоставимы с другими конструкциями, которые опирались на тот же механизм выработки энергии".

Исследователи полагались на метод выработки электричества, называемый "трибоэлектрическим эффектом", который включает в себя использование электронов, которыми обмениваются два разных материала, например, статическое электричество. Они обнаружили, что ткань из ПТФЭ обладает наилучшими характеристиками с точки зрения напряжения и тока при контакте с медными проводами с полиуретановым покрытием по сравнению с другими типами ткани, которые они тестировали, включая хлопок и шелк. Они также протестировали нанесение покрытия на образцы вышивки в плазме, чтобы усилить эффект.

"В нашей конструкции у вас есть два слоя - один из ваших проводящих медных проводов с полиуретановым покрытием, а другой из ПТФЭ, и между ними есть зазор", - сказал Инь. "Когда два непроводящих материала вступают в контакт друг с другом, один материал теряет часть электронов, а другой получает часть электронов. Когда вы соедините их вместе, возникнет ток."

Исследователи протестировали свои нити в качестве датчиков движения, вышив их тканью из ПТФЭ на джинсовой ткани. Они разместили нашивки на ладони, под мышкой, в локте и на колене, чтобы отслеживать электрические сигналы, генерируемые при движении человека. Они также прикрепили ткань со своей вышивкой к стельке обуви, чтобы протестировать ее использование в качестве шагомера, обнаружив, что их электрические сигналы варьируются в зависимости от того, ходит ли человек, бегает или прыгает.

Наконец, они протестировали свои нити на цифровой клавиатуре на текстильной основе на руке, которую они сделали, вышив цифры на куске хлопчатобумажной ткани и прикрепив их к куску ткани из ПТФЭ. В зависимости от номера, который человек нажимал на клавиатуре, они видели различные электрические сигналы, генерируемые для каждого номера.

"Вы можете вышивать нашу пряжу на одежде, и когда вы двигаетесь, она генерирует электрический сигнал, и эти сигналы можно использовать в качестве датчика", - сказал Инь. "Когда мы помещаем вышивку в обувь, если вы бежите, она генерирует более высокое напряжение, чем если бы вы просто шли. Когда мы вышиваем цифры на ткани и нажимаем на них, это генерирует разное напряжение для каждого номера. Его можно было бы использовать в качестве интерфейса."

Поскольку текстильные изделия неизбежно подвергаются стирке, они проверили долговечность своего дизайна вышивки в серии тестов на стирку и протирку. После ручной стирки и полоскания вышивки моющим средством и сушки в духовке они не обнаружили никакой разницы или незначительного увеличения напряжения. Для прототипа, покрытого плазмой, они обнаружили ослабленную, но все же превосходную производительность по сравнению с исходным образцом. После испытания на истирание они обнаружили, что после 10 000 циклов трения не произошло существенных изменений в электрических характеристиках их конструкций.

В будущей работе они планируют интегрировать свои датчики с другими устройствами, чтобы добавить больше функций.

"Следующий шаг - интегрировать эти датчики в носимую систему", - сказал Инь.

Исследование "Гибкая, прочная и моющаяся трибоэлектрическая пряжа и вышивка для автономного зондирования и взаимодействия человека и машины" было опубликовано онлайн в Наноэнергия. Соавторами были Ю Чен, Эрдонг Чен, Цзыхао Ван, Яли Линг, Рози Фишер, Менцзяо Ли, Джейкоб Харт, Вэйлей Му, Вэй Гао, Сяомин Тао и Бао Ян. Финансирование было предоставлено Университетом штата Северная Каролина через Фонд исследований и профессионального развития факультета штата Северная Каролина и летнюю программу REU штата Северная Каролина.