¿Qué es un textil inteligente?
Por el Dr. Vicki A. Barbur y el Dr. Amy Heintz
Sensores innovadores, recubrimientos y materiales novedosos diseñados para registrar información, responder al medio ambiente o brindar una funcionalidad de rendimiento con valor agregado, están generando nuevas posibilidades para los textiles. Estas posibilidades pueden representar oportunidades de ofertas disruptivas de productos para telas usables y textiles industriales.
Revestimientos Conductivos
Según el informe Transparency Market Research, Albany, Nueva York, titulado “El mercado mundial de textiles inteligentes se expandirá en un 30.8% CAGR, debido al aumento de la demanda en el sector militar y sanitario”, se espera que el mercado de telas inteligentes crezca en más de $7 mil millones para el 2023.
Las aplicaciones que impulsan este crecimiento van desde artículos deportivos de consumo hasta sofisticados productos para uso médico y militar.
Las telas inteligentes ya están consideradas como un medio para ayudar a los atletas a monitorear, mejorar u maximizar su rendimiento, regular la temperatura corporal de pacientes en cirugía y terapia intensiva; reconocer signos de estrés o coerción en bomberos y otras personas expuestos a ambientes extremos; o transmitir datos desde sensores integrados en textiles dentro de nuestro entorno a una aplicación de teléfono inteligente o punto de control central para monitorear e implementar una acción preventiva oportuna.
Las aplicaciones industriales potenciales incluyen alfombras textiles para regular la temperatura para uso en aviación y diseño interior, sistemas que evitan la formación de hielo en los alerones de los aviones y telas sensibles a la humedad para la industria de la construcción. Muchos de estos usos potenciales se basan en un atributo físico esencial integrado en novedosos textiles inteligentes: la conductividad.
Las nuevas telas conductoras son capaces de transmitir electricidad, una propiedad que se puede aprovechar para producir calor o transmitir información de forma dinámica sin la necesidad de cables integrados tradicionales. Las propiedades conductivas se pueden utilizar para brindar valiosos atributos de rendimiento adicionales; por ejemplo, pueden proporcionar las fuentes de energía necesarias para operar sensores distribuidos e integrados y transmitir información capturada a una computadora remota o dispositivo portátil.
La conductividad se puede integrar a las telas mediante dos enfoques principales: el uso de hilos conductores que se incorporan en la tela o los recubrimientos conductores que se aplican a la tela.
Los hilos conductores incluyen fibras naturales metalizadas o artificiales. Dichos hilos son altamente conductores y se han implementado para dispositivos integrados como las etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID por sus siglas en inglés). Sin embargo, su rigidez y rugosidad pueden reducir la flexibilidad, suavidad y drapeado del material. También puede ser difícil controlar con precisión las propiedades eléctricas de la tela a medida que se estira o crear arreglos complejos y/o patrones de conductividad.
Battelle, con sede en Columbus, Ohio, ha desarrollado un revestimiento conductor que utiliza formulaciones de nanotubos de carbono (CNT por sus siglas en inglés) que eliminan muchos de los problemas asociados con los hilos o con los revestimientos metálicos o los sistemas de cables incrustados. Los recubrimientos CNT son altamente conductores, flexibles y livianos, y se pueden aplicar en una capa delgada que se mueve con el tejido y no interfiere con su drapeado u otras características de rendimiento. El recubrimiento CNT se puede integrar fácilmente en telas inteligentes para ofrecer propiedades térmicas o simplemente conductividad.
Smart Versus Textiles Inteligentes
Las telas inteligentes son textiles que tienen características de rendimiento adicionales a través de fibras incrustadas o recubrimientos funcionales. Estas características pueden ser puramente estéticas, como los vestidos iluminados o que cambian de color de las pasarelas de moda, o que pueden ofrecer beneficios de rendimiento como calor, barreras antimicrobianas o ingredientes activos localizados. Estas funciones se bridan de forma pasiva, sin influencia directa del entorno.
Las telas inteligentes van un paso adelante. Son capaces de captar y responder a un estímulo en su entorno. No solo requieren la función de rendimiento principal, sino también algún tipo de sensor que recopila información del entorno y un mecanismo para responder a la entrada de ese sensor para cerrar el ciclo. El control de circuito cerrado puede incorporarse combinando sensores con calentadores u otras tecnologías activas.
Un recubrimiento conductor habilita esta funcionalidad. Por ejemplo, en lugar de simplemente suministrar calor cuando se activa, un tejido inteligente responderá a la temperatura ambiente o la temperatura corporal de una persona para encender o apagar el calentamiento según sea necesario para mantener un punto de ajuste de temperatura.
Otras aplicaciones incluyen telas de diagnóstico que monitorean los signos vitales y envían información directamente a una aplicación de teléfono inteligente que recomienda la acción adecuada, o telas protectoras con recubrimientos funcionales activos que cambian de color para advertir a sus usuarios de la presencia de un contaminante ambiental. Algunas de estas posibles aplicaciones son por el momento completamente visionarias y algunas ya están en la fase de desarrollo.
Las tecnologías básicas impulsan el crecimiento de éstos y otras telas inteligentes similares que pronto podrían ofrecer una amplia gama de funciones y características de rendimiento.
Creando Textiles Revestidos e Inteligentes
Los textiles revestidos consisten en dos o más capas que se combinan en un material compuesto. Al seleccionar cuidadosamente la combinación de textiles básicos y recubrimientos funcionales, los fabricantes pueden producir textiles con diferentes combinaciones, con las características de rendimiento deseadas. El textil revestido que resulta, tendrá propiedades combinadas que ninguno de los dos componentes puede ofrecer de manera individual.
- La tela base proporciona resistencia al desgarre y la tensión, al estiramiento y la estabilidad dimensional del material compuesto y soporta la capa de recubrimiento que se le aplica.
- El recubrimiento controla las propiedades químicas, y características tales como la resistencia a la abrasión y la resistencia a la penetración de líquidos y gases. También puede brindar propiedades funcionales, incluidas las funciones pasivas, como las de fácil limpieza o antimicrobianas, y las funciones activas, como el calor o la detección.
Los recubrimientos inteligentes, que pueden incluir CNT, resinas o polímeros, pueden diseñarse para ofrecer una funcionalidad única y características de rendimiento como la conductividad, la resistencia bacteriana o las capacidades de detección. Muchos recubrimientos inteligentes, como el recubrimiento ajustable CNT de Battelle, se pueden agregar a un textil a través de los mismos métodos utilizados para los recubrimientos más tradicionales, incluyendo el recubrimiento con cuchilla, la transferencia, el recubrimiento Zimmer, el carrete a carrete y el recubrimiento con spray.
Un Revestimiento Conductor Conformable
Battelle ha desarrollado un revestimiento conductor inteligente con una combinación única de características de rendimiento. El recubrimiento conformable CNT ha sido diseñado para su uso en sustratos flexibles o irregulares, como los textiles. Conduce electricidad para proporcionar calor uniforme, para encender sensores y dispositivos, o para transmitir información. A diferencia de la mayoría de los recubrimientos conductores, no afecta negativamente las propiedades del tejido.
La mayoría de los recubrimientos conductores están diseñados para su uso en sustratos rígidos, pero no son ideales para su uso en sustratos blandos, irregulares o flexibles, como los textiles. Cuando se aplican a un sustrato suave o flexible, estos recubrimientos típicamente pierden conductividad a medida que el material se dobla. También pueden cambiar las propiedades de la superficie, haciendo que el sustrato sea más rígido. Para aprovechar al máximo el potencial de los tejidos conductores, el recubrimiento debe permitir doblarse y flexionarse con el sustrato flexible y mantener otras características críticas de rendimiento de rendimiento.
El revestimiento conductor conformable de Battelle utiliza una formulación de nanotubos de carbono de pared simple dispersos (SWCNT por sus siglas en inglés) que se aplican directamente al textil, formando una capa conductora delgada que puede generar calor o electricidad cuando se aplica energía.
Debido a que el recubrimiento CNT se puede aplicar de manera muy delgada, mientras que aún mantiene una alta conductividad, no agrega peso o volumen no deseado ni cambia la flexibilidad o la cobertura del tejido.
Proporciona calor uniforme y predecible sobre sustratos blandos, flexibles e irregulares, manteniendo la conductividad incluso cuando se dobla. Y ofrece varias ventajas sobre los métodos tradicionales para agregar conductividad a los textiles, por ejemplo:
- Mantiene una conductividad uniforme a medida que la tela se drapea, se estira y se mueve;
- Sin impacto en las propiedades de la tela, tales como drapeado, suavidad y flexibilidad;
- Agrega peso mínimo y prácticamente nada de volumen cuando se aplica, porque el recubrimiento no suele tener más de 3 micrómetros de espesor;
- Es aplicado en una capa transparente que permite que el color y el diseño de la tela se vean a través;
- Acepta matrices y patrones complejos para aplicaciones textiles inteligentes avanzadas que requieren control zonal, retroalimentación de circuito cerrado o antenas integradas; y
- Requiere potencia mínima para calor o conductividad eléctrica.
El recubrimiento es el resultado de más de una década de investigación y desarrollo, con financiamiento interno de Battelle. A través de este trabajo, los investigadores han optimizado las propiedades, la estabilidad, la fabricación, la integración y el mantenimiento de los recubrimientos CNT y sus productos.
El sistema de revestimiento se ha sometido a rigurosas pruebas de durabilidad a lo largo de su desarrollo, incluyendo la exposición a la humedad, los disolventes y el agua; resistencia a la corrosión; doblado cíclico; carga térmica cíclica; y pruebas de alta tensión, que proporcionan un alto nivel de confianza en su uso para una variedad de aplicaciones.
El recubrimiento CNT ya ha sido probado en la industria de la aviación para el antihelio y el deshielo de aeronaves y vehículos aéreos no tripulados (UAV, por sus siglas en inglés o drones). La aplicación de la tecnología a las telas abre posibilidades a muchas aplicaciones nuevas para uso médico, de consumo, industrial y militar.
La tecnología se ha demostrado en varias aplicaciones basadas en telas, incluyendo un calentador de tapetes para perfiles aerodinámicos compuestos y un sistema de calentamiento de tela para terapia de termorregulación.
Telas que se Calientan
La calefacción es la primera oportunidad de mercado para los recubrimientos conductores CNT. En lugar de confiar en cables incrustados o hilos metálicos integrados, el recubrimiento CNT actúa como conductor para aplicaciones de telas con calor.
La alta conductividad/baja resistencia de los recubrimientos CNT significa que el calor puede generarse a partir de películas extremadamente delgadas, lo que resulta en propuestas más ligeras, delgadas y más flexibles que las tecnologías de calentadores textiles existentes en el mercado. Como resultado, hay ventajas significativas para las aplicaciones actuales. Además, abre nuevas posibilidades en áreas donde los requisitos de peso, grosor o conformabilidad han dificultado el calentamiento.
Las posibles aplicaciones incluyen:
- En medicina, las telas con calefacción se pueden usar para producir prendas de vestir que brindan mayor comodidad a los pacientes y el personal médico en salas de operaciones con temperatura controlada. Tales productos también podrían ser utilizados para la terapia de termorregulación.
- En la industria automotriz se podrían producir fundas para asientos con propiedades de calefacción integradas directamente en el tejido, ahorrando energía y materiales necesarios para circuitos complicados. Además, al utilizar los recubrimientos CNT en otras superficies interiores del automóvil, sería posible proporcionar calefacción por zonas, personalizada e individualizada para los ocupantes.
- Para muebles y artículos para el hogar, las telas que producen calor podrían usarse en fundas de colchones, tapices para sofás y sillas, mantas y otros productos textiles. El calentamiento suave de los muebles podría ayudar a las personas a mantenerse cómodas con temperaturas ambientales más bajas, reduciendo los costos generales de energía. En la edificación y construcción se pueden usar materiales aislantes sensibles para envolver las tuberías y suministrar calor durante condiciones climáticas de congelación. En la vestimenta, las prendas calentadas térmicamente podrían brindar mayor comodidad a personal militar, socorristas, trabajadores de la construcción, atletas y otras profesiones que trabajan al aire libre en temperaturas inclementes o en interiores en ambientes con baja temperatura, como salas de operaciones o plantas de refrigeración.
Textiles Inteligentes Receptivos
Si bien el recubrimiento CNT de Battelle se ha optimizado para suministrar calor a los sustratos a los que se aplica, existen muchas otras aplicaciones potenciales para estos recubrimientos conductores. Esta tecnología se puede habilitar para toda una serie de tecnologías portátiles o textiles receptivos que requieren sensores integrados. Por ejemplo, los sensores podrían usarse para detectar y cuantificar los niveles de humedad u otras medidas como movimiento, peso, orientación, nivel de luz o estadísticas vitales. Esta información que es capturada podría transmitirse a un punto de uso utilizando el recubrimiento conductor.
Por lo tanto, esta tecnología abre todo un portafolio de oportunidades para los textiles inteligentes tales como.
- Ropa que monitorea la salud del paciente y reporta cambios en una aplicación móvil para el paciente o sus proveedores de atención médica;
- Ropa deportiva que monitorea el rendimiento y el movimiento, eliminando la necesidad de usar un medidor de ejercicio por separado;
- Ropa de rendimiento que extrae energía de los movimientos del usuario para recargar dispositivos electrónicos móviles; y
- Revestimientos de pisos y paredes, como las alfombras que se iluminan en la oscuridad para indicar el camino hacia las salidas de emergencia o los baños o los revestimientos de paredes para baños y lavanderías que detectan la acumulación excesiva de humedad.
Monitoreo Médico y Medicina Bioelectrónica
Para muchos de los sistemas de respuesta mencionados anteriormente, se requiere multifuncionalidad — como por ejemplo conductividad eléctrica, iónica y/o térmica; carga de almacenamiento o disipación; retención de humedad — que puede incorporarse en formulaciones de recubrimiento y aplicarse a los textiles.
Una aplicación potencial para estos tejidos multifuncionales es el monitoreo médico o la medicina bioelectrónica. Dispositivos portátiles cómodos y eficientes son clave para habilitar esta nueva ola de tecnologías médicas inteligentes. Para que estos dispositivos alcancen su máximo potencial, necesitan un contacto eléctrico estable y continuo con la persona. La última tecnología es usar un hidrogel para acoplar el electrodo a la piel. Sin embargo, el rendimiento del sistema puede cambiar con el tiempo, la temperatura y la humedad, al igual que con los movimientos y la posición del paciente.
El recubrimiento CNT de Battelle se puede combinar con conductores iónicos para crear conductores electrónicos iónicos mixtos (MIECs por sus siglas en ingles) que brindan un contacto eléctrico constante con la piel.
Los MIEC son una red interconectada de conductores eléctricos e iónicos en una matriz elastomérica. Estos tres componentes proporcionan la multifuncionalidad necesaria para mantener el contacto y el transporte eléctrico desde la piel hasta el dispositivo.
El revestimiento se incorpora en una manga de tela. El sistema proporciona varios beneficios sobre los sistemas de hidrogel existentes, que incluyen:
- Excelente conductividad con acoplamiento más eficiente con la piel;
- Conductividad que es mantenida con extensión sobre ciclos repetidos;
- Baja resistencia con conductores de corriente de acero inoxidable:
- Menor consumo de energía; y
- Excelente flexibilidad, resistencia y buenas propiedades mecánicas.
Aún se necesita investigación adicional para optimizar el recubrimiento para telas que se pueden vestir y lavar, pero las posibilidades del recubrimiento CNT con conductor integrado para textiles son casi ilimitadas.
A medida que la demanda de tejidos y telas inteligentes continúa creciendo, la tecnología de recubrimiento CNT de Battelle ofrece una nueva opción que brinda capacidades de calentamiento resistivo y conductividad para transmitir señales que permitirán muchas aplicaciones, que no son posibles con las tecnologías actuales.
La Dra. Vicki A. Barbur es directora senior de IP y Comercialización Tecnológica; y la Dra. Amy Heintz es Socia Técnica de Battelle, Columbus, Ohio. La Dra. Barbur puede ser contactada en barbur@batelle.org. Battelle ha sido premiada porvarias patentes para su uso en las tecnologías CNT y el sistema de revestimiento conductivo conformable. Ahora, la tecnología está lista para la siguiente fase de desarrollo. Las empresas interesadas en explorar licencias o desarrollo de código pueden contactar a la compañía.
Julio-Agosto de 2019
