Las tecnologías textil y de la electrónica se están juntando para desarrollar nuevos productos electrónicos incorporados a las prendas.
By Amanda Myers, Allison Bowles, Hasan Shahariar, Raj Bhakta and Jesse S. Jur
En la actualidad se pueden hacer estas preguntas interesantes: ¿Es posible que una camisa pueda “sensar” o detectar las señales vitales del usuario? ¿Es posible que las cortinas de una casa puedan detectar concentraciones peligrosas de un gas? Estos casos pueden parecer futurísticos, pero en realidad son algunas de las tecnologías que están en desarrollo en estos momentos en el campo de los textiles electrónicos en la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU), en Raleigh, N.C.
El agregado de ese tipo de funcionabilidad electrónica a los textiles le da más valor a los mismos. El campo de textiles electrónicos tiene numerosas aplicaciones, incluyendo en sensores, textiles para el hogar, el Internet de las cosas, y espacios de textiles que se pueden usar en electrónica.
Sin embargo, dado que la industria textil opera a bajo costo y con una alta escabilidad, tecnologías que permiten la integración de funciones electrónicas en los textiles deben satisfacer estos dos requerimientos. Investigadores que laboran en el Centro de Investigación de Ingeniería de Avanzados Sistemas Autopropulsores de Sensores Integrados y Tecnologías de la Fundación Nacional de Ciencias (ASSIST por sus siglas en inglés), y el laboratorio de Textiles Nano-Extendidos (NEXT por sus siglas en inglés) en el Colegio de Textiles de la NCSU, están buscando la solución a estos problemas.
Combinando la electrónica y los textiles
La integración de la electrónica y los textiles requiere la mezcla de dos procedimientos de manufactura. En la actualidad, los productos electrónicos y los textiles son manufacturados por medio de dos medios de producción muy diferentes y bien establecidos, ninguno de los cuales es apropiado para modificaciones para otra industria.
Una estrategia de manufactura separada de los métodos de producción tradicional de electrónicos y de textiles se requiere para fabricar prendas electrónicas o inteligentes, de manera eficiente y efectiva en costos.
El corte y costura es el método más barato y el que se usa más comúnmente en la manufactura de prendas. Este método requiere mucha mano de obra, pero es la manera más fácil de incrementar la producción para fabricar grandes cantidades de prendas. Los costos para este tipo de producción se pueden reducir por el contrato de mano de obra barata y por el uso de materias primas más baratas, así como también por la reducción de la cantidad de costura por prenda.
Cada operación adicional agregada a la producción de la prenda ejerce un gran impacto en el costo de producción. Así por ejemplo, una camisa con un diseño bordado cuesta más que una camisa sencilla, debido a que el bordado es un paso extra en el proceso de producción.
Hay tecnologías emergentes que tienen el potencial de hacer más sencillo el proceso de producción, de manera que sería más fácil fabricar e-textiles de esta manera. Así por ejemplo, las tecnologías de tejido de punto “full fashion” — tales como WholeGarment™, de Shima Seiki Mfg. Ltd., de Japón; y knit and wear®, de H. Stoll AG & Co. KG, de Alemania — permiten el tricotado de una prenda completa en un solo proceso en una máquina, de modo que no se requiere acabado adicional.
Esto reduce de manera significante el tiempo de procesamiento, así como los desperdicios, y el tiempo de trabajo requerido por el personal. Los hilos conductivos también se pueden tricotar en la prenda en los puntos precisos usando el mismo proceso en lugar de ser aplicados como una etapa adicional, lo que aumenta el costo de producción.
Este proceso reduce también la cantidad de hilo caro desperdiciado, ya que se usa solo hilo conductivo en las áreas en donde sea requerido, tales como en las localizaciones para sensores en interconectores. Las posibilidades para crear diseños o circuitos complejos durante la etapa de diseño y programación de la producción, usando estructuras de tricotado específicas, son ilimitadas.
Hilos conductivos
Los hilos conductivos son un paso lógico para crear circuitos textiles usando estos procesos de tricotado “full fashion”. Los hilos biocompatibles, compuestos de acero inoxidable o de plata, se pueden usar como componentes conductivos. La plata es el más conductivo de estos dos materiales, pero el acero inoxidable produce un hilo más barato.
En la actualidad, la industria textil está tratando de usar la misma maquinaria de hilatura y de tricotado que se ha usado durante décadas para fabricar hilos y tejidos conductivos, ya que la escalabilidad de los e-textiles está limitada. Los hilos que contienen acero inoxidable o plata son más difíciles de fabricar en maquinaria tradicional debido a la fricción y la abrasión del hilo metálico en los componentes metálicos de las máquinas.
A diferencia de los materiales textiles típicos, como el algodón o el poliéster, los materiales conductivos son más rígidos y son menos extensibles, lo que hace que sea más difícil el doblado y la torsión de los mismos durante el proceso de producción textil. Las máquinas tienen que trabajar mucho más lento que en los procesos de producción textil tradicionales, con el fin de prevenir defectos en el hilo o el tejido así como daños a las máquinas.
Se están haciendo esfuerzos para mejorar el procesamiento de los hilos conductivos por medio del mezclado del material conductivo con fibras no conductivas. Sin embargo, esto lleva generalmente a una resistencia eléctrica más elevada en el hilo acabado. Para crear un circuito funcional, la interconección entre los componentes electrónicos necesita ser de una resistencia extremadamente baja — o sea tener una alta conductividad.
Por lo tanto, la mayoría de los hilos conductivos disponibles en la actualidad no son apropiados para el circuito textil debido a su alta resistencia eléctrica o a su dificultad de elaboración durante el tricotado y/o la tejeduría plana.
Se puede realizar algo de manipulación de la conductividad final de un textil al nivel de tricotado, cambiando la longitud de la puntada o la estructura de tricotado. Una estructura de tricotado más densa muestra una mayor conductividad eléctrica debido a una mayor interacción entre los hilos conductivos.
Sin embargo, los beneficios ganados por una mayor densidad no son suficientes para permitir circuitos textiles. En lugar de esto, la actual tecnología de hilos conductivos es más apropiada para sensores o actuadores electrónicos, que no requieren los estrictos requerimientos de conductividad exigidos por los interconectores.
Estampado
El estampado es otro método de integración para juntar las industrias de textiles y de electrónica. La industria electrónica utiliza tintas conductivas para crear componentes para tableros de circuitos estampados (PCBs por sus siglas en inglés). Los PCBs, junto con los sensores y los actuadores, son manufacturados en láminas o films delgados usando varios procesos de estampado.
Aunque se usan tradicionalmente tintas conductivas para el estampado en láminas y papeles, variando la viscosidad de una tinta conductiva hace que sea posible estampar en diferentes sustratos, incluyendo textiles. El estampado, independientemente de la industria, puede ser un proceso barato y de alta productividad.
La habilidad para estampar directamente en los textiles crea un paso para la integración de dispositivos electrónicos, incluyendo sensores y la interconección en sustratos textiles o en prendas pre-fabricadas. Este proceso es crítico para la unión de las industrias de textiles y de electrónica para el desarrollo futuro de la tecnología de prendas electrónicas.
Larga duración
Uno de los mayores desafíos de la integración de textiles y de electrónicos es la duración de los dispositivos electrónicos que se pueden incorporar en la prenda. La mayoría de los componentes electrónicos son rígidos e inflexibles, mientras que los textiles tienen una amplia gama de flexibilidad y elasticidad, basada en el uso final. Los componentes electrónicos deben ser modificados para soportar los repetidos esfuerzos mecánicos inducidos por el textil.
En la actualidad, los circuitos estampados en textiles pierden conductividad y robustez mecánica después de múltiples usos o lavados. La adición de una capa protectiva sobre la tinta conductiva puede ayudar a preservar la integridad y el rendimiento del circuito textil.
Los investigadores que laboran en la NCSU están estudiando la robustez de los circuitos textiles después del laminado de un film de poliuretano sobre una tinta conductiva estampada con plantillas. (Ver Fig. 1).
El film termoplástico no solo encapsula la tinta, sino que la protege de daño mecánico, pero el film exhibe también un efecto de auto-curación, en donde las ranuras microscópicas en la tinta conductiva se pueden reparar a medida que el textil regresa a su estado sin constricciones.
El resultado es un circuito fuerte que se puede aplanchar en un sustrato textil existente en cualquier posición, permitiendo así una fácil adaptación individual de cada dispositivo. Otras tecnologías de estampado, tales como el proceso de escritura directo — usado ampliamente en la industria electrónica — permite la elaboración de diseños conductivos de gran detalle, y los cuales no se pueden obtener a través de procesos de estampado por plantillas.
De esta manera, los prototipos de prendas electrónicas se pueden fabricar y ensayar de manera rápida, sin usar el proceso de manufactura detallado de la actualidad.
Los estudiantes e investigadores de la NCSU, en conjunción con el centro ASSIST, tienen como meta inmediata el conducir ensayos humanos para una prenda inteligente sensora para uso en electrocardiograma; y también continuarán la intercomunicación con las organizaciones de normas para desarrollar los estándares apropiados para esta creciente industria.
El trabajo en tecnología de prendas electrónicas que se pueden usar, y que se está efectuando en ASSIST, tiene buenos augurios para el futuro de la industria del cuidado de la salud. Imagínese una camisa inteligente que monitoriza diariamente las señales vitales del usuario y transmite esta información directamente al Doctor del usuario.
Las posibilidades que los textiles ofrecen como una plataforma para la tecnología de prendas electrónicas es muy prometedora, y la tecnología está ahora más cerca que nunca de llegar a esta meta final.
Nota del Editor: El Dr. Jesse S. Jur es un profesor asistente en el departamento de Ingeniería Textil, Química y Ciencias en el Colegio de Textiles de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU por sus siglas en inglés). Por otra parte, Amanda Myers, Allison Bowles, Hasan Shahariar, y Raj Bhakta, son miembros del grupo de investigación de Jur en el laboratorio del Nano EXtended Textiles (NEXT por sus siglas en inglés).
Marzo-Abril de 2017
