محققان دانشگاه دلاور آمریکا در حال تولید پوشش های کامپوزیتی تهیه شده از نانولوله های کربنی هستند که انعطاف پذیر بوده و برای طیف گسترده ای از الیاف کاربرد دارد.
ترجمه: آزاده موحد
این فناوری قابلیت اندازه گیری محدوده ی گسترده ای از فشار را داراست از لمس سطح نوک انگشتان گرفته تا فشار چنگک لودر.
پارچه های پوشش دهی شده توسط این فناوری حسگر در "پوشاک هوشمند" نسل آینده قابل استفاده می باشند. در این لباس ها برای تشخیص حرکت انسانی حسگرها را به درون کفی های کفش سر می دهند و یا آن ها را به داخل لباس می دوزند.
نانولوله های کربنی امکان ایجاد پوششی سبک، انعطاف پذیر و تنفس پذیر را برای پارچه فراهم می کنند. زمانی که ماده اولیه تحت فشار قرار می گیرد، تغییرات الکتریکی محسوس که در پارچه ایجاد می شود قابل اندازه گیری است.
اریک تاستنسون، دانشیار دپارتمان مهندسی مکانیک و علوم مواد اولیه می گوید: "این پوشش به عنوان یک حسگر حساسیت بالایی به طیف گسترده ای از نیروها دارد از یک لمس ساده گرفته تا وزن چند تنی."
پوشش های نانوکامپوزیتی رسانای شبه عصب با روش رسوب دهی الکتروفورتیک(EPD) نانولوله های کربنی عمل شده با پلی اتیلن ایمین بر روی الیاف قرار می گیرند.
تاستنسون می گوید: "عملکرد این فیلم ها مانند رنگزاهاست و باعث ایجاد قابلیت حساسیت الکتریکی می شود. با استفاده از فرایند EPD پوشش های نانوکامپوزیتی بسیار یکنواخت تولید می شود که به شدت به سطح الیاف متصل می شود. این فرایند در آینده نیز در مقیاس هاس صنعتی قابل استفاده می باشد."
محققان اکنون می توانند این حسگرها را با روشی بهتر و اصلاح شده نسبت به روش های فعلی به پارچه اضافه و منسوجات هوشمند تولید کنند.
به گفته ی تاستنسون روش های موجود نظیر روکش دهی الیاف با فلز یا کشبافی الیاف و رشته های فلزی به یکدیگر باعث کاهش راحتی و دوام پارچه می شود.
پوشش های نانوکامپوزیتی جدید انعطاف پذیر بوده و دارای زیردست خوبی نیز هستند و بر روی تعدادی از الیاف طبیعی و مصنوعی از جمله کولار، پشم، نایلون، اسپاندکس و پلی استر مورد آزمایش قرار گرفته اند.
علاوه بر آن ماده اولیه ی مورد استفاده در حسگرها گران نبوده و تا حدی نیز زیست سازگار است چون فرایند تولید آن ها در دمای اتاق قابل انجام است و همچنین از آب نیز می توان به عنوان حلال استفاده کرد.
کاربردهای آتی
یکی از کاربردهای بالقوه ی پارچه های پوشش دهی شده با حسگرها اندازه گیری نیروی وارد بر پای انسان در هنگام راه رفتن است. این اطلاعات به متخصصان بالینی کمک می کند تا بهتر بتوانند پس از آسیب های وارد شده به فرد میزان عدم تعادل را تشخیص دهند و یا به پیشگیری از آسیب رسیدن به ورزشکاران کمک کنند. در این رابطه گروه تحقیقاتی تاستنسون با پرفسور جیل هیگینسون، مهندس مکانیک و مدیر آزمایشگاه بیومکانیک عصبی عضلانی در دانشگاه دلاور و گروهش در یک پروژه ی آزمایشی همکاری می کنند. هدف آن ها این است که حسگرها را زمانی که داخل کفش قرار می گیرند بررسی کنند و آن را با روش های آزمایشگاهی بیومکانیک نظیر تردمیل های ابزاری و ثبت حرکتی مقایسه نمایند.
افراد در حین تست های آزمایشگاهی می دانند که زیر نظر هستند اما در بیرون از آزمایشگاه ممکن است رفتارشان دچار تغییر شود.
تاستنسون می گوید: "یکی از ایده های ما بهره گیری از منسوجات جدید در فضاهایی غیر از آزمایشگاه است برای مثال هنگام راه رفتن در خیابان، در خانه و یا هرجای دیگر."
ساگار دوشی، دانشجوی دکترا در رشته ی مهندسی مکانیک که بر روی ساخت این حسگرها کار می کند میزان حساسیت آن ها را بهینه کرده، خواص مکانیکی آن ها را آزمایش می کند و آن ها را درون کفش یا صندل قرار می دهد. او خود برای آزمایش اولیه صندل ها را به پا کرده است، حسگرها داده ها را جمع آوری می کنند و دوشی آن ها را با داده های به دست آمده از صفحه ی نیروسنج که از ابزار آزمایشگاهی است و معمولا هزاران دلار قیمت دارد، مقایسه می کند.
دوشی می گوید: "از آن جایی که این حسگرهای کم هزینه باریک و انعطاف پذیر هستند امکان تولید کفش و یا سایر پوشاک سفارشی با اجزای الکترونیکی درون آن ها برای ذخیره سازی اطلاعات در حین فعالیت های روزمره وجود دارد. درمانگران یا محققان بعدا این داده ها را تجزیه و تحلیل کرده تا کارایی فرد را ارزیابی کنند و در نهایت به حفظ سلامت او کمک نمایند."
فناوری فوق همچنین می تواند در زمینه ی پزشکی ورزشی، بهبود پس از جراحی و ارزیابی اختلالات حرکتی در کودکان کاربرد داشته باشد.
به گفته ی رابرت آکینز، مدیر مرکز تحقیق و توسعه ی بالینی کودکان، گردآوری داده های حرکتی از کودکان در طول یک مدت زمان مشخص و به صورت واقعی بسیار چالش برانگیز است. چنین حسگرهای باریک، انعطاف پذیر و با حساسیت بالا به پزشکان و متخصصین فیزیوتراپی در بررسی حرکتی یک کودک از راه دور کمک می کند. این بدان معناست که متخصصان بالینی داده های بیشتر و احتمالا مفیدتری را جمع آوری می کنند که هم هزینه ی کمتری دارد و هم نیازی به ویزیت های مداوم و دوره ای مشابه روش های فعلی ندارد.
برای توسعه ی زمینه های کاربردی در آینده همکاری های بین رشته ای ضروری به نظر می رسد. مهندسان دانشگاه دلاور فرصت بی نظیری برای همکاری با دانشکده و دانشجویان کالج علوم سلامت در کمپ فناوری، علوم و تحقیقات پیشرفته دانشگاه دلاور دارند.
دوشی می گوید: "ما به عنوان مهندس مواد اولیه و حسگر را تولید می کنیم اما هیچ گاه به درستی مشکلات اصلی و مهمی را که پزشکان، متخصصین فیزیوتراپی و بیماران با آن سر و کار دارند درک نمی کنیم. همکاری ما با آن ها برای کار بر روی این مشکلات و راهنمایی آن ها با راه حل های موجود یا خلق راهکاری جدید و نوآورانه برای حل مشکلاتشان است."
گروه تحقیقاتی تاستنسون همچنین از حسگرهای بر پایه ی نانولوله های کربنی در کاربردهای دیگری نظیر کنترل و نظارت ساختاری سلامت فرد استفاده می کند. آن ها مدت زیادی است که مشغول کار بر روی نانولوله ها و حسگرهای کامپوزیتی بر پایه ی نانولوله ها هستند.
تاستنسون و گروهش از طریق همکاری با محققان رشته ی مهندسی عمران در تولید حسگرهای نانولوله ای انعطاف پذیر برای کمک به کشف ترک های موجود در پل ها و سایر سازه های بزرگ پیشگام بوده اند.
به عقیده ی تاستنسون یکی از نکات جالب توجه در مورد کامپوزیت ها امکان طراحی آن ها در مقیاس های طولی مختلف است از اجزای ماکروسکوپیک نظیر هواپیما یا بال هواپیما گرفته تا ساختارهای کوچک تر مثل پارچه و الیاف. تقویت کننده هایی در مقیاس نانو مانند نانولوله های کربنی و گرافن نیز ما را به سطح دیگری از ساختار مواد اولیه و خواص عملکردی می رساند.