信号を感知する帽子の裏にある洗練された糸

信号を感知する帽子の裏にある洗練された糸

パヤル・ダール著 ベン・グアリーノ編集

電気技術者と繊維科学者のチームが、道路を安全に横断できる時期を着用者に知らせる帽子を発明しました。研究者らの概念実証用の帽子はゲルマニウム繊維で織られており、信号の変化を感知し、視覚障害のある歩行者にいつ歩けるかを知らせることができる。このプロトタイプは、半導体コアを備えた繊維をどのようにして情報を収集、処理、保存する機能的な衣服に織り込むことができるかを示しており、それはいつか衣服として着用できるコンピューターにつながる可能性があります。

衣料品に使用できるほど柔軟な導電性繊維を作るのは簡単なことではありません。光学的および電気的特性によりウェアラブルエレクトロニクス業界で珍重されるシリコンとゲルマニウム元素の結晶形は、保護コーティングで包み、耐久性のある糸に紡ぐ必要があります。熱延伸と呼ばれるプロセスを使用したこれまでの試みでは、通常短すぎるワイヤ (通常は数十センチメートル以下) しか製造できず、コアに破断やその他の使用不能な欠陥が残りました。しかし今回、研究者らは初めて、編み込みキャップで実証されているように、電子特性と光感知特性を損なわずに長く柔軟な繊維を作成する方法を開発した。研究チームはこれらの結果を最近の研究で説明しました。 自然。

一般的な熱延伸プロセスでは、シリコンをガラス管の中に入れ、両方の材料が細い繊維に引き伸ばせるほど十分に柔らかくなるまで加熱します。しかし、シンガポールの南洋理工大学で機能性繊維を研究している今回の研究の筆頭著者、レイ・ウェイ氏は、「シリコンとガラスの外側ジャケットはまったく異なるため、加熱すると、伸縮性においてまったく異なる挙動を示すことになる」と述べている。これらの材料の膨張または収縮の違いにより、繊維にストレスがかかり、半導体コアが破損する可能性があります。 「ストレスが原因です」とウェイ氏は言う。

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この問題を解決するために、ウェイ氏と彼のチームは機械エンジニアを招いて、加熱と延伸プロセスの各段階で作用する力を特定できるようにしました。 「私たちは彼の理論を材料の選択の指針として利用しました」とウェイ氏は言います。研究著者らは、適切な組み合わせを見つけると、欠陥や破損なく製造プロセスに耐えられる繊維を製造することができたと報告しています。 自然。

研究者らは、シリカガラスの中にシリコンを、アルミノシリケートガラスの中にゲルマニウムを配置することで、長さ約100メートルの連続繊維を製造した。次に、ガラスコーティングをエッチングし、繊維を再度加熱して引き延ばし、今度はポリカーボネートプラスチックの中に半導体コアを埋め込みました。 「この繊維は非常に柔軟なので、綿、ウール、シルクなどの布地と組み合わせたり、織ったりして「機能性繊維」を作ることができる、とウェイ氏は言う。研究者らは幅約1メートル、長さ約10メートルの生地の試作品を作成した。繊維は水中でも使用でき、他の耐久性や圧縮テストにも耐えました。

バージニア工科大学でスマートファイバーとウェアラブルデバイスに関する研究グループを率いるXiaoting Jia氏は、この研究がシリコンまたはゲルマニウムをベースにした半導体ファイバーの大規模生産への道を開くだろうと述べている。ポリマー層を含めることで、柔軟性と断熱性が向上し、布地に織ったり織り込んだりするときに繊維を保護できると彼女は言います。 「これは非常に堅牢でスケーラブルなプロセスになります」と、この研究には関与していないが、この研究についての付随解説の共著者である Jia 氏は付け加えた。 自然。

潜在的な用途には、光感知帽子などの光学技術が含まれます。キャップ内のファイバーは、キャップ内の小さなインターフェイス ボードにデータを送信します。このボードは、信号が赤または青に変わったときにユーザーのスマートフォンを異なる振動で知らせるアプリと通信します。

チームが作成したもう 1 つのプロトタイプは、シリコン光電子繊維を組み込んだセーターです。この部分は、Light Fidelity (Li-Fi) 通信を使用してデータを送受信します。研究では、情報、この場合は建物の写真がバイナリコードに変換され、光のパルスとしてセーターを通して送信されました。研究者らはまた、心拍数を監視する柔軟な時計ストラップも実証した。

ソフトロボット工学と機能材料の専門家で、オーストラリアのニューサウスウェールズ大学の医療ロボット研究室を所長するタイン・ニョ・ドー氏は、この研究には関与していないが、この新技術により、手や機械で編むのに十分な強度を持ち、大規模製造に適した半導体繊維が生成されると述べた。 「圧力や温度を検出するセンサーやソフトロボットの制御など、より多くの機能を統合する新たな可能性が開かれる可能性がある」と同氏は言う。

新しい発見は、研究者が他の元素で作られたより複雑な半導体コアファイバーの材料を選択し、構造を設計する際に役立つ可能性があるとウェイ氏は言う。彼のチームは今のところ構造をシンプルに保っているが、将来のテキスタイルはより複雑なデバイスとして機能する可能性がある。現在進行中のプロジェクトでは、ファイバーをトランジスタに変える試みが行われています。これは、コンピューティング デバイスを編むために必要なステップです。初期のプロトタイプはセンサーに限定されていますが、将来的にはポータブルコンピューターが登場する可能性があるとウェイ氏は楽観的です。

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