ДНК-вдохновленная конструкция гибкого волокна улучшает датчики для носимых устройств
Исследователи из Университета Синсю разработали волоконный датчик, вдохновленный формой ДНК. Новая конструкция с двойной спиралью делает датчики для носимых устройств более долговечными и гибкими. В отличие от традиционных датчиков с электродами на обоих концах, которые часто выходят из строя при повторяющихся движениях на суставах, в новой модели оба электрода расположены на одном конце.
Гибкие волоконные датчики широко используются в умной одежде благодаря компактности и легкости. Однако их применение на суставах, таких как пальцы или колени, ограничено: при движении провода натягиваются, что приводит к обрыву или неточным измерениям.
Новый датчик с двойной спиральной структурой, имитирующей форму ДНК, решает эту проблему. Оба электрода размещены на одном конце волокна, что снижает нагрузку и значительно повышает долговечность. Исследование было опубликовано 4 февраля 2025 года в журнале Advanced Science.
«Эффективная конструкция электродов критически важна для производительности и срока службы носимых датчиков. Наш дизайн напрямую решает эту проблему», — говорит ведущий автор исследования, доцент Чуньхун Чжу.
Каждое волокно создано методом коаксиального мокрого прядения. Оно имеет изолирующий внешний слой и пушистую токопроводящую сердцевину с многостенными углеродными нанотрубками (MWCNTs). Внешний слой содержит термопластичный полиуретан (TPU) и наночастицы диоксида титана (TiO2), которые делают волокно более пушистым и прочным.
После термообработки два волокна естественным образом образуют двойную спираль со встроенными положительным и отрицательным контактами на одном конце. Это устраняет необходимость в сложной разводке проводов на обоих концах.
Получившийся TT/MT датчик с двойной спиралью очень тонкий — менее 1 мм в диаметре, что позволяет легко встраивать его в текстиль. Он показал высокую долговечность, выдержав в лабораторных испытаниях более 1000 циклов растяжения и удлинение более чем на 300% от исходной длины.
С электродами на одной стороне датчик можно размещать на суставах, прикрепляя сторону с контактами к менее подвижным областям (тыльная сторона ладони, щека, колено). Это открывает возможности для отслеживания жестов пальцев, мимики, походки и даже дыхания во сне.
В одном из тестов датчик поместили в перчатку и с помощью модели машинного обучения научили распознавать движения пальцев. Точность распознавания шести распространенных жестов составила 98,8%. В другом тесте датчик определял длительность нажатия пальцем и использовал это для беспроводной передачи азбуки Морзе, демонстрируя потенциал для помощи людям с ограниченными возможностями.
Конструкция также перспективна для носимых устройств с Bluetooth, обеспечивая удаленный мониторинг в реальном времени для реабилитации и спортивных тренировок. Исследователи видят применение таких датчиков в одежде для рискованных видов деятельности (например, альпинизм), где они могут отправлять экстренные сигналы при падениях или проблемах со здоровьем (гипоксия).
«Наша стратегия проектирования, примером которой является TT/MT волокно с двойной спиралью, также предоставляет универсальный подход, который может вдохновить на создание различных интеллектуальных волокон для различных применений», — говорит доктор Чжу.