DNA-geïnspireerde flexibele vezelontwerp verbetert sensoren voor wearables

Een vezelsensor geïnspireerd op de vorm van DNA, ontwikkeld door onderzoekers van de Shinshu University, introduceert een nieuw ontwerp voor duurzamere, flexibele vezelsensoren in wearables. Traditionele vezelsensoren hebben elektroden aan beide uiteinden, die vaak falen onder herhaalde beweging wanneer ze op lichaamsgewrichten worden geplaatst.

Het voorgestelde dubbele helixontwerp plaatst echter beide elektroden aan één uiteinde, waardoor de sensor herhaald rekken en beweging kan doorstaan, waardoor een belangrijke beperking van conventionele draagbare sensoren effectief wordt aangepakt.

Flexibele vezelsensoren worden veel gebruikt in slimme wearables, omdat hun compacte grootte en lichtgewicht gevoel ze geschikt maken voor dagelijks gebruik. Huidige ontwerpen, gewoonlijk geplaatst bij gewrichten, worden echter geconfronteerd met beperkte toepassing vanwege mechanische uitdagingen. Traditionele vezelsensoren met elektroden aan beide uiteinden zijn kwetsbaar wanneer ze worden aangebracht op gewrichten zoals vingers of knieën, waarbij herhaalde beweging trekt aan verbindingsdraden, waardoor ze losbarst of meetmetingen produceert.

Om dit probleem op te lossen, heeft een team van onderzoekers van de Shinshu University, Japan, een nieuw type flexibele sensor ontwikkeld met een dubbel-helische structuur die de vorm van DNA nabootst. Dit nieuwe ontwerp plaatst beide elektroden aan het ene uiteinde van de vezel, waardoor de spanning tijdens de beweging wordt verminderd en de duurzaamheid aanzienlijk wordt verbeterd. Hun bevindingen werden online gepubliceerd op 4 februari 2025 in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap.

“Effectief elektrode-ontwerp is van cruciaal belang voor de prestaties en levensduur van draagbare sensoren. Maar in eendimensionale vezelsensoren is dit al lang een uitdaging. Ons ontwerp gaat rechtstreeks aan deze kwestie”, zegt universitair hoofddocent Chunhong Zhu, de hoofdauteur van de studie van het Institute for Fiber Engineering and Science.

De onderzoekers haalden inspiratie uit de stabiliteit van de dubbele helix van DNA, die wordt gehandhaafd door waterstofbindingen tussen complementaire basenparen. Op dezelfde manier hebben ze twee speciaal ontworpen coaxvezels samen gedraaid om een ​​strak gebonden, stabiele structuur te creëren.

Elke vezel wordt geproduceerd met behulp van een methode genaamd coaxiale natte spanning, met een isolerende buitenste laag en een donzige, geleidende binnenste kern. De kern bevat multi-murende koolstofnanobuisjes (MWCNT’s), terwijl de buitenste laag thermoplastisch polyurethaan (TPU) en titaniumdioxide omvat (TIO₂) Nanodeeltjes, die de vezels luchtiger en sterker maken.

Na warmtebehandeling vormen de twee vezels van nature een dubbele helix met ingebouwde positieve en negatieve terminals aan hetzelfde uiteinde, waardoor de behoefte aan complexe bedrading aan beide uiteinden wordt geëlimineerd-een veel voorkomend probleem in traditionele ontwerpen. “De TT/MT dual-helic vezel heeft twee elektroden aan één uiteinde en een vrij einde zonder elektroden, waardoor de bedrading van flexibele sensoren sterk wordt vereenvoudigd”, zegt de heer Ziwei Chen, co-auteur van de studie.

De resulterende TT/MT dual-helic-vezelsensor is opmerkelijk slank en meet minder dan 1 mm in diameter, waardoor het gemakkelijk is om naadloos te integreren in draagbaar textiel. Bovendien bleek het zeer duurzaam te zijn en herhaaldelijk uitrekken en buigen. In laboratoriumtests doorstond het meer dan 1.000 stretchcycli en verlengde het meer dan 300% voorbij de oorspronkelijke lengte zonder te breken.

Met beide elektroden aan dezelfde zijde, kan de sensor worden gebruikt over gewrichten met de zijde die de elektroden bevat die zijn bevestigd aan gebieden met beperkte beweging, zoals de achterkant van de hand, wangen of knieën, zonder draadschade te riskeren. Dit opent applicaties voor het volgen van vingergebaren, gezichtsuitdrukkingen en loopbewegingen, en zelfs het detecteren van ademhalingspatronen tijdens de slaap.

In één test plaatsten de onderzoekers de sensor in een handschoen en gebruikten ze een machine-learningmodel om het te helpen leren hoe ze vingebewegingen te herkennen. De handschoen kon zes gemeenschappelijke handgebaren identificeren met een nauwkeurigheid van 98,8%. In een andere test detecteerde de sensor hoe lang elke vinger -pull duurde en gebruikte dat om Morse -code draadloos te verzenden, waardoor het potentieel als hulpmiddel werd gepresenteerd om mensen met een handicap te helpen.

Het ontwerp toont ook belofte voor gebruik in Bluetooth-verbonden wearables, waardoor real-time externe monitoring voor revalidatie en sporttraining mogelijk is, volgens de onderzoekers. Het team stelt voor dat deze sensoren zijn ingebed in kleding voor risicovolle activiteiten zoals bergbeklimmen, waar ze noodwaarschuwingen kunnen verzenden in geval van ongevallen, vallen of gezondheidsproblemen zoals hypoxie.

Met dit innovatieve ontwerp hopen de onderzoekers de ontwikkeling van de volgende generatie intelligente vezels te inspireren die niet alleen duurzaam en gevoelig zijn, maar ook gemakkelijk te integreren in dagelijkse kleding.

“Onze ontwerpstrategie, geïllustreerd door de TT/MT dual-helic-vezel die in onze studie is benadrukt, biedt ook een veelzijdige aanpak die de ontwikkeling van verschillende intelligente vezels kan inspireren die zijn op maat gemaakt voor verschillende toepassingen,” zegt Dr. Zhu.