Hilos de innovación: método más económico para fabricar pantallas tejidas y telas inteligentes

Por la Universidad de Cambridge 21 de abril de 2023

Los investigadores han desarrollado un método rentable para producir textiles inteligentes, incorporando LED, sensores, recolección y almacenamiento de energía, utilizando telares industriales convencionales. La técnica supera las limitaciones de funcionalidad, dimensiones y formas al tejer componentes electrónicos, optoelectrónicos, de detección y de fibra energética con fibras tradicionales. Esto permite la creación de textiles inteligentes sin restricciones de tamaño o forma, proporcionando una alternativa a la electrónica más grande en varios sectores. Al colaborar con los fabricantes de textiles, el equipo produjo parches de prueba de textiles inteligentes, con potencial para aumentar el tamaño y el volumen. Se requiere una mayor optimización, pero los investigadores creen que este enfoque podría hacer que las pantallas y monitores grandes y flexibles sean más asequibles y respetuosos con el medio ambiente.

Un equipo de investigación internacional dirigido por la Universidad de Cambridge ha desarrollado un método rentable y ecológico para producir textiles inteligentes utilizando telares industriales. Esta técnica permite la creación de tejidos inteligentes flexibles y duraderos sin limitaciones de tamaño o forma, lo que ofrece aplicaciones potenciales en diversas industrias.

Los investigadores han desarrollado textiles inteligentes de próxima generación, que incorporan LED, sensores, recolección y almacenamiento de energía, que se pueden producir de forma económica, en cualquier forma o tamaño, utilizando las mismas máquinas que se usan para hacer la ropa que usamos todos los días.

El equipo internacional, dirigido por la Universidad de Cambridge, demostró anteriormente que las pantallas tejidas se pueden hacer en tamaños grandes, pero estos ejemplos anteriores se hicieron utilizando equipos de laboratorio manuales especializados. Se pueden fabricar otros textiles inteligentes en instalaciones especializadas de fabricación microelectrónica, pero son muy costosos y producen grandes volúmenes de desechos.

However, the team found that flexible displays and smart fabrics can be made much more cheaply, and more sustainably, by weaving electronic, optoelectronic, sensing and energy fiber components on the same industrial looms used to make conventional textiles. Their results, reported in the journal Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances, demuestra cómo los textiles inteligentes podrían ser una alternativa a la electrónica más grande en sectores que incluyen la automoción, la electrónica, la moda y la construcción.

A pesar de los avances recientes en el desarrollo de textiles inteligentes, su funcionalidad, dimensiones y formas se han visto limitadas por los procesos de fabricación actuales.

Los investigadores han desarrollado textiles inteligentes de próxima generación, que incorporan LED, sensores, recolección y almacenamiento de energía, que se pueden producir de forma económica, en cualquier forma o tamaño, utilizando las mismas máquinas que se usan para hacer la ropa que usamos todos los días. Crédito: Sanghyo Lee

"Podríamos hacer estos textiles en instalaciones especializadas en microelectrónica, pero requieren miles de millones de libras de inversión", dijo el Dr. Sanghyo Lee del Departamento de Ingeniería de Cambridge, el primer autor del artículo. “Además, la fabricación de textiles inteligentes de esta forma es muy limitada, ya que todo tiene que hacerse sobre las mismas obleas rígidas que se usan para hacer los circuitos integrados, por lo que el tamaño máximo que podemos conseguir es de unos 30 centímetros de diámetro”.

"Los textiles inteligentes también se han visto limitados por su falta de practicidad", dijo el Dr. Luigi Occhipinti, también del Departamento de Ingeniería, quien codirigió la investigación. "Piensas en el tipo de flexión, estiramiento y plegado que deben soportar las telas normales, y ha sido un desafío incorporar esa misma durabilidad en los textiles inteligentes".

El año pasado, algunos de los mismos investigadores demostraron que si las fibras utilizadas en los textiles inteligentes estuvieran recubiertas con materiales que pudieran resistir el estiramiento, podrían ser compatibles con los procesos de tejido convencionales. Usando esta técnica, produjeron una pantalla de demostración tejida de 46 pulgadas.

Los investigadores han desarrollado textiles inteligentes de próxima generación, que incorporan LED, sensores, recolección y almacenamiento de energía, que se pueden producir de forma económica, en cualquier forma o tamaño, utilizando las mismas máquinas que se usan para hacer la ropa que usamos todos los días. Crédito: Sanghyo Lee

Ahora, los investigadores han demostrado que los textiles inteligentes se pueden fabricar mediante procesos automatizados, sin límites en su tamaño o forma. Se fabricaron, encapsularon y mezclaron múltiples tipos de dispositivos de fibra, incluidos dispositivos de almacenamiento de energía, diodos emisores de luz y transistores con fibras convencionales, ya sean sintéticas o naturales, para construir textiles inteligentes mediante tejido automatizado. Los dispositivos de fibra se interconectaron mediante un método de soldadura láser automatizado con adhesivo conductor de electricidad.

Todos los procesos se optimizaron para minimizar el daño a los componentes electrónicos, lo que a su vez hizo que los textiles inteligentes fueran lo suficientemente duraderos como para soportar el estiramiento de una máquina de tejer industrial. El método de encapsulación se desarrolló para considerar la funcionalidad de los dispositivos de fibra, y la fuerza mecánica y la energía térmica se investigaron sistemáticamente para lograr el tejido automatizado y la interconexión basada en láser, respectivamente.

El equipo de investigación, en colaboración con fabricantes de textiles, pudo producir parches de prueba de textiles inteligentes de aproximadamente 50 × 50 centímetros, aunque esto se puede ampliar a dimensiones más grandes y producir en grandes volúmenes.

"Estas empresas tienen líneas de fabricación bien establecidas con extrusoras de fibra de alto rendimiento y grandes máquinas de tejer que pueden tejer automáticamente un metro cuadrado de textiles", dijo Lee. "Entonces, cuando introducimos las fibras inteligentes en el proceso, el resultado es básicamente un sistema electrónico que se fabrica exactamente de la misma manera que se fabrican otros textiles".

Los investigadores dicen que podría ser posible fabricar pantallas y monitores grandes y flexibles en telares industriales, en lugar de en instalaciones especializadas de fabricación de productos electrónicos, lo que haría que su producción fuera mucho más económica. Sin embargo, se necesita una mayor optimización del proceso.

"La flexibilidad de estos textiles es absolutamente sorprendente", dijo Occhipinti. "No solo en términos de su flexibilidad mecánica, sino también en la flexibilidad del enfoque, y para implementar plataformas de fabricación de productos electrónicos sostenibles y ecológicas que contribuyan a la reducción de las emisiones de carbono y permitan aplicaciones reales de textiles inteligentes en edificios, interiores de automóviles y ropa". Nuestro enfoque es bastante único en ese sentido".

Reference: "Truly form-factor—free industrially scalable system integration for electronic textile architectures with multifunctional fiber devices" by Sanghyo Lee, Hyung Woo Choi, Cátia Lopes Figueiredo, Dong-Wook Shin, Francesc Mañosa Moncunill, Kay Ullrich, Stefano Sinopoli, Petar Jovancic, Jiajie Yang, Hanleem Lee, Martin Eisenreich, Umberto Emanuele, Salvatore Nicotera, Angelo Santos, Rui Igreja, Alessio Marrani, Roberto Momentè, João Gomes, Sung-Min Jung, Soo Deok Han, Sang Yun Bang, Shijie Zhan, William Harden-Chaters, Yo-Han Suh, Xiang-Bing Fan, Tae Hoon Lee, Jeong-Wan Jo, Yoonwoo Kim, Antonino Costantino, Virginia Garcia Candel, Nelson Durães, Sebastian Meyer, Chul-Hong Kim, Marcel Lucassen, Ahmed Nejim, David Jiménez, Martijn Springer, Young-Woo Lee, Geon-Hyoung An, Youngjin Choi, Jung Inn Sohn, SeungNam Cha, Manish Chhowalla, Gehan A. J. Amaratunga, Luigi G. Occhipinti, Pedro Barquinha, Elvira Fortunato, Rodrigo Martins and Jong Min Kim, 21 April 2023, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.adf4049

La investigación fue apoyada en parte por la Unión Europea y la Investigación e Innovación del Reino Unido.