La ricerca italiana per il tessile-abbigliamento europeo
Bologna, 26 Aprile 2005
Sistemi indossabili basati sull'uso
di tessuti elettronici
Università di Pisa
Centro Interdipartimentale di Ricerca “E.Piaggio”
Alessandro Tognetti, Danilo De Rossi
[email protected]
Bologna 26 Aprile 2005
Tessuti elettronici
(e-textiles)
• Sistemi tessili che integrano diverse
funzionalità:
–
–
–
–
Sensori
Attuatori
Elettronica/processing
Energy harvesting/storage
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Tessuti elettronici
• Monitoraggio segnali vitali
– Ecg, emg, suoni cardiaci, respiro, temperatura interna
• Monitoraggio tramite biosensori
– Sudore, O2, CO
• Sensori esochimici
– Rilevamento gas tossici
• Monitoraggio postura e movimento
• Energy harvesting/storage
– Calore, movimento, supercondensatori
• Attuazione
–
Deformazione, riscaldamento raffreddamento, generzione di
luce
• Telecomunicazioni
– Antenne tessili
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Health monitoring:
wearable bionsensors
Movement and activity and and electrodes
monitoring:
for vital signs detection
wearable strain sensors
for posture
and gesture analysis
Sport medicine:
training
or accident
prevention
Telemedicine:
-wearable electronics
for signal elaboration
and data teletransmission
-wearable master-slave
interfaces
for telesurgery
e-textiles
Virtualaugmented
reality:
sensorised
and actuated
man-machine
wearable
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interfaces
Teleassistance:
wearable electronics
for wireless
communication
Rehabilitation:
wearable actuators
for physiotherapy
or compensation
of disabilities
E-Textiles
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Filati conduttivi per sensori ed
elettrodi
Filati con proprietà elettriche:
- conduttori
- semiconduttori
- piezoresistivi
• Fili metallici
• Fili contenenti fibre conduttive (es: acciaio
inossidabile) mescolate con fibre naturali o sintetiche
• Fili realizzati con polimeri caricati (carbon black)
• Fili realizzati con fibre di polimero conduttore
(polyanilina, polypirrolo)
• Fili realizzati con nanofibre (nanotubi di carbonio,
nanofibre di polimero conduttore)
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Filati conduttivi per sensori ed
elettrodi
• Tessuti intelligenti
– sensori, elettrodi, interconnessioni elettriche,
alimentazione elettrica
•
•
•
•
Tessuti anti-statici
Isolamento elettromagnetico
Tessuti termolegolati
Antenne su tessuto
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Fibre e fili metallici
Bekinox® VN: filo continuo
(multi- filamento), 100 %
acciaio inossidabile
BEKITEX® BK 50: filo
conduttivo elastico
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Bekinox® VS: feltro
composto al 100% da fibre di
acciaio inossidabile
Fili contenenti fibre piezoelettriche
• Fibre di PVDF
Fibra
piezoelettrica
Core metallico
• Co-estrusione
del materiale
con fili metallici
• Polarizzazione
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Tessuti piezoelettrici
• Sensing meccanico
– Segnali vitali (battito cardiaco, respiro,
suoni cardiaci)
– Sensori di impatto
• Energy Harvesting
- Recupero energia dal movimento
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Nanofibre
• Caratteristiche meccaniche fibre crescono al
diminuire del diametro
• Diametro < 1µm
• Metodi di spinning meccanici (Diametri > 10 µm)
• Electrospinning
• Aspettative: alta forza assiale, alta flessibilità
• Rapporto superficie/peso molto alto
• Applicazioni
– Protetcive clothing, tessuti conduttivi, tessuti
semiconduttori, tessuti piezoresistivi
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Electro-spinning
Wet-spinning
Dry-spinning
Extrusion
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Electro-spinning nanofibre
• l<1m
• Diametro 50-1000 nm
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Nanotubi di carbonio (CNT)
• Molecole di carbonio cilindriche (larghezza ~
nm)
• Altissima resistenza meccanica (~ GPa),
eccellenti proprietà elettriche (conduttori o
semiconduttori), efficenti conduttori di calore,
trasduzione elettromeccanica (sensori/attuatori)
Obiettivo: riportare le
proprietà di un singolo
nanotubo su scala
macroscopica
Nanotubi di
carbonio realizzati
tramite CVD
(Chemical Vapor
Deposition)
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Fibre di Nanotubi di carbonio
SEM di un filo di
CNT (scala 25
m)
15 m diametro
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Nanotubi di carbonio: applicazioni
• Fibre polimeriche conduttive
–
–
–
–
Sensori, attuatori
Super condensatori, batterie
Interconnessioni
Antenne
• Fibre con altissima resistenza meccanica
Nano Tech Institute
University of Dallas
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Tessuto con
fibre di CNT
Nanofibre
• Nanofibre di polyanilina / polyanilinaPolyethylene
– Electrospinning (d < 100nm, conducibilità 0.76
S/cm)
• Nanofibre piezoelettriche
– Polimeri caricati con con nano-particelle
ceramiche (PMN-PT)
– Polarizzazione
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Tessuti piezoresistivi
Elastomeri conduttivi/lycra®
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Tessuti piezoresistivi
Elastomeri conduttivi/lycra®
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Indumenti sensorizzati
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Indumenti sensorizzati
Polso
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Spalla
Shoulder articulation
ECG
(Einthoven’s triangle)
RA
Elettrodi e sensori su
tessuto
Thoracic respiration
LA
EMG
triceps
EMG
biceps
Elbow
articulation
Precordial leads
Abdominal respiration
LF
 Electromyogram
 Electrocardiogram
 Respiratory signal
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Elettrodi e sensori su tessuto
impedance
pneumography
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Rilevazione segnali vitali ECG
(elettrodi su tessuto/standard Red Dot)
Red dot
0.6
mV
0.4
0.2
0
-0.2
150
151
152
153
154
155
Time sec.
156
157
158
159
160
156
157
158
159
160
Fabric Electrode
0.6
0.4
mV
0.2
0
-0.2
-0.4
150
151
152
153
154
155
Time sec.
Einthoven
derivazione D1
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Rilevazione segnali vitali EMG
Standard EMG Electrode
Amplitude mV
1
0.5
0
-0.5
-1
16
18
20
22
24
26
28
24
26
28
Fabric Electrode
Amplitude mV
1
0.5
0
-0.5
-1
16
18
20
22
Time sec.
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