Textiles electrónicos

Los textiles electrónicos o e-textiles son tejidos que permiten la integración de componentes electrónicos como baterías, luces, sensores y microcontroladores . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Muchos artículos de ropa inteligente, productos de tecnología portátil y proyectos de computación portátil implican el uso de e-textiles. ^{[ 3 ]}

Los textiles electrónicos se distinguen de la informática vestible porque se centran en la integración perfecta de los textiles con elementos electrónicos como microcontroladores, sensores y actuadores . Además, los textiles electrónicos no tienen por qué ser vestibles, ya que también se utilizan en el diseño de interiores .

Un nuevo informe de Cientifica Research examina los mercados de tecnologías vestibles basadas en textiles, las empresas que las producen y las tecnologías facilitadoras. El informe identifica tres generaciones distintas de tecnologías vestibles textiles:

1. Los dispositivos portátiles de "primera generación" incorporan un sensor a la ropa. Este enfoque lo utilizan actualmente marcas de ropa deportiva como Adidas , Nike y Under Armour .
2. Los productos de "segunda generación" integran el sensor en la prenda, como demuestran los productos actuales de Samsung , Alphabet , Ralph Lauren y Flex .
3. En los dispositivos portátiles de "tercera generación", la prenda actúa como sensor. Un número creciente de empresas está creando sensores de presión, tensión y temperatura para este fin.

Las futuras aplicaciones de los textiles electrónicos podrían incluir productos deportivos y de bienestar, así como dispositivos médicos para la monitorización de pacientes. Los textiles técnicos, la moda y el entretenimiento también serán áreas de aplicación importantes. ^{[ 4 ]}

Los materiales básicos necesarios para construir textiles electrónicos, hilos conductores y telas existen desde hace más de 1000 años. En particular, los artesanos han estado envolviendo finas láminas de metal, generalmente oro y plata, alrededor de hilos de tela durante siglos. ^{[ 5 ]} Muchos de los vestidos de la reina Isabel I , por ejemplo, estaban bordados con hilos envueltos en oro .

A finales del siglo XIX, a medida que la gente se desarrollaba y se acostumbraba a los electrodomésticos, diseñadores e ingenieros comenzaron a combinar la electricidad con la ropa y la joyería, desarrollando una serie de collares, sombreros, broches y trajes iluminados y motorizados. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Por ejemplo, a finales del siglo XIX, se podía contratar a jóvenes ataviadas con vestidos de noche con luces de la Electric Girl Lighting Company para amenizar fiestas. ^{[ 8 ]}

En 1968, el Museo de Artesanía Contemporánea de Nueva York presentó una innovadora exposición titulada Body Covering, centrada en la relación entre la tecnología y la indumentaria. La muestra exhibió trajes espaciales de astronautas junto con prendas que podían inflarse y desinflarse, iluminarse y regular su temperatura. ^{[ 9 ]} Particularmente destacable en esta colección fue el trabajo de Diana Dew , ^{[ 10 ]} una diseñadora que creó una línea de moda electrónica, incluyendo vestidos de fiesta electroluminiscentes y cinturones que podían activar sirenas de alarma. ^{[ 11 ]}

En 1985, el inventor Harry Wainwright creó la primera sudadera totalmente animada. La prenda consistía en fibra óptica , cables y un microprocesador para controlar cada fotograma de la animación. El resultado era un dibujo animado a todo color proyectado sobre la superficie de la sudadera. En 1995, Wainwright inventó la primera máquina que permitía integrar la fibra óptica en los tejidos, un proceso necesario para la producción en masa. En 1997, contrató al diseñador de maquinaria alemán Herbert Selbach, de Selbach Machinery, para producir la primera máquina de control numérico computarizado (CNC) del mundo capaz de implantar automáticamente fibra óptica en cualquier material flexible. Tras recibir la primera de una docena de patentes basadas en pantallas LED/ópticas y maquinaria en 1989, las primeras máquinas CNC entraron en producción en 1998, comenzando con la producción de abrigos animados para los parques de Disney en 1998. Las primeras chaquetas con pantallas biofísicas de ECG que empleaban pantallas LED/ópticas fueron creadas por Wainwright y David Bychkov, el director ejecutivo de Exmovere en ese momento, en 2005, utilizando sensores GSR en un reloj conectado vía Bluetooth a la pantalla lavable a máquina integrada en una chaqueta vaquera y se demostraron en la Conferencia de Tejidos Inteligentes celebrada en Washington, DC, el 7 de mayo de 2007. Wainwright presentó tecnologías adicionales de tejidos inteligentes en dos conferencias Flextech Flexible Display celebradas en Phoenix , Arizona , mostrando pantallas digitales infrarrojas integradas a máquina en tejidos para IFF (Identificación de Amigo o Enemigo), que se presentaron a BAE Systems para su evaluación en 2006 y ganaron un premio de "Mención Honorífica" de la NASA en 2010 en sus Tech Briefs, "Design the Concurso "Futuro". Personal del MIT adquirió varios abrigos totalmente animados para que sus investigadores los usaran en sus demostraciones en 1999 para llamar la atención sobre su investigación de "Computadora Vestible". Wainwright fue comisionado para hablar en la Conferencia de Textiles y Coloristas en Melbourne , Australia , el 5 de junio de 2012. Se le pidió que demostrara sus creaciones de tela que cambian de color usando cualquier teléfono inteligente, indican las llamadas en teléfonos móviles sin pantalla digital y contienen funciones de seguridad Wi-Fi que protegen bolsos y artículos personales contra robos.

A mediados de la década de 1990, un equipo de investigadores del MIT, liderado por Steve Mann , Thad Starner y Sandy Pentland, comenzó a desarrollar lo que denominaron computadoras vestibles . Estos dispositivos consistían en hardware informático tradicional que se acoplaba al cuerpo y se llevaba puesto. En respuesta a los desafíos técnicos, sociales y de diseño a los que se enfrentaban estos investigadores, otro grupo del MIT, que incluía a Maggie Orth y Rehmi Post, comenzó a explorar cómo integrar estos dispositivos de forma más armoniosa en la ropa y otros sustratos flexibles. En 1999, Rehmi Post ideó el "E-broidery", un método para integrar circuitos electrónicos en textiles mediante hilos conductores y bordado digital. Esto condujo al desarrollo de los portachips de plástico con hilos, lo que a su vez permitió la integración de microchips estándar en tejidos. Una primera aplicación fue la creación de una chaqueta MIDI vestible que incorporaba sensores táctiles y componentes de audio bordados. El trabajo de Post sentó las bases para textiles electrónicos más avanzados y defendió la importancia de la lavabilidad y la durabilidad en estos materiales. Entre otros desarrollos, este equipo exploró la integración de la electrónica digital con tejidos conductores y desarrolló un método para bordar circuitos electrónicos. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Uno de los primeros microcontroladores portátiles basados ​​en Arduino disponibles comercialmente , llamado Lilypad Arduino, también fue creado en el MIT Media Lab por Leah Buechley .

El campo de los textiles electrónicos se puede dividir en dos categorías principales:

• Textiles electrónicos con dispositivos electrónicos clásicos como conductores , circuitos integrados , LED , OLED y baterías convencionales incorporados en las prendas. ^{[ 14 ]}
• Textiles electrónicos con electrónica integrada directamente en los sustratos textiles. ^{[ 15 ]} Esto puede incluir electrónica pasiva como conductores y resistencias o componentes activos como transistores , diodos y células solares .

Los textiles electrónicos suelen construirse utilizando diversos tipos de hilos conductores , incluidos filamentos de alambre metálico, hilos de polímero recubiertos de metal , hilos hilados mezclados con materiales conductores, polímeros conductores hilados en húmedo e hilos recubiertos de grafeno . ^{[ 16 ]}

La mayoría de los proyectos de investigación y comerciales de textiles electrónicos son híbridos, donde los componentes electrónicos integrados en el tejido se conectan a dispositivos o componentes electrónicos clásicos. Algunos ejemplos son los botones táctiles construidos completamente con formas textiles mediante el uso de tejidos conductores, que luego se conectan a dispositivos como reproductores de música o LED montados sobre redes de fibras conductoras tejidas para formar pantallas. ^{[ 17 ]}

Se han integrado sensores impresos para el monitoreo fisiológico y ambiental en textiles ^{[ 18 ]} incluyendo algodón , ^{[ 19 ]} Gore-Tex , ^{[ 20 ]} y neopreno . ^{[ 21 ]} Estos sensores son capaces de detectar parámetros como niveles de glucosa y otros biomarcadores relevantes para la salud física. ^{[ 22 ]}

Los tejidos inteligentes pueden fabricarse con materiales que van desde el algodón , el poliéster y el nailon tradicionales, hasta el Kevlar avanzado con funcionalidades integradas. Sin embargo, en la actualidad, los tejidos con conductividad eléctrica son de gran interés. ^{[ 23 ]} Se han producido tejidos conductores de electricidad mediante la deposición de nanopartículas metálicas alrededor de las fibras y los tejidos. Los tejidos metálicos resultantes son conductores, hidrofílicos y poseen grandes áreas superficiales electroactivas . Estas propiedades los convierten en sustratos ideales para la biodetección electroquímica , que se ha demostrado con la detección de ADN y proteínas. ^{[ 24 ]}

Existen dos tipos de productos textiles inteligentes (tejidos) que se han desarrollado y estudiado para la monitorización de la salud: tejidos con electrónica de sensores integrada y tejidos que envuelven la electrónica de sensores tradicional. Se ha demostrado que el tejido puede utilizarse para incorporar hilo conductor eléctrico a un tejido y obtener así un tejido que puede funcionar como una "placa base portátil". Este puede conectar múltiples sensores corporales, como electrodos de ECG de gel húmedo , a la electrónica de adquisición de señales. Investigaciones posteriores han demostrado que los hilos conductores pueden ser fundamentales en la fabricación de sensores textiles hechos de tejidos o mallas metálicas recubiertas de plata o núcleos metálicos conductores tejidos en el tejido. ^{[ 25 ]}

En la investigación, existen dos enfoques generales para la fabricación de prendas con electrodos de sensores de ECG:

• Integración en prendas terminadas: Este método consiste en fijar elementos sensores a prendas ya fabricadas. Los electrodos pueden coserse en los lugares adecuados o aplicarse mediante técnicas de deposición que transfieren materiales funcionales a la superficie del tejido.
• Fabricación con materiales inteligentes: Este método introduce materiales funcionales durante el proceso de fabricación en lugar de posteriormente. Las técnicas de fabricación textil, como el tejido o la formación de no tejidos, incorporan componentes directamente en el tejido. ^{[ 25 ]}

Al igual que en la electrónica clásica, la construcción de capacidades electrónicas en fibras textiles requiere el uso de materiales conductores y semiconductores, como un tejido conductor . ^{[ 26 ]} Actualmente existen varias fibras comerciales que incluyen fibras metálicas mezcladas con fibras textiles para formar fibras conductoras que pueden tejerse o coserse. ^{[ 27 ]} Sin embargo, debido a que tanto los metales como los semiconductores clásicos son materiales rígidos, no son muy adecuados para aplicaciones en fibras textiles, ya que las fibras están sometidas a mucha tensión y flexión durante su uso.

Los dispositivos portátiles inteligentes son dispositivos electrónicos conectados de uso doméstico que pueden estar integrados en la ropa. ^{[ 28 ]}

Uno de los aspectos más importantes de los textiles electrónicos es que las fibras deben ser lavables. Por lo tanto, los componentes eléctricos deberían aislarse durante el lavado para evitar daños. ^{[ 29 ]}

El uso de textiles electrónicos impresos, creados mediante métodos como la serigrafía , ofrece una flexibilidad y comodidad mucho mayores en comparación con las fibras textiles. ^{[ 30 ]} Una nueva clase de materiales electrónicos que se pueden imprimir son los materiales electrónicos orgánicos , que pueden ser conductores o semiconductores, y diseñarse como tintas y plásticos. ^{[ 31 ]} El grafeno , en particular, ha atraído una considerable atención debido a su excelente conductividad, entre otros atributos. Sin embargo, dado que muchos de estos materiales son a base de agua, el uso de recubrimientos protectores es esencial para mantener la conductividad y la estabilidad a largo plazo. Además, el estrés mecánico del lavado puede degradar la tinta y causar una pérdida de rendimiento eléctrico si no está protegido. ^{[ 32 ]}

Investigadores desarrollaron textiles electrónicos lavables y duraderos con sensores de campo magnético. Estos textiles integran sensores magnetoresistivos flexibles dentro de hilos trenzados, lo que permite la interacción sin contacto mediante gestos. Entre las posibles aplicaciones se incluyen prendas interactivas, navegación en realidad virtual y monitorización de seguridad en prendas especializadas. ^{[ 33 ]}

Algunas de las funciones más avanzadas que se han demostrado en el laboratorio incluyen:

• Transistores de fibra orgánica: Se trata de transistores basados ​​en textiles totalmente compatibles con los procesos de fabricación textil estándar. Están basados ​​en carbono y no contienen componentes metálicos, lo que da como resultado un diseño ligero y respetuoso con el medio ambiente. ^{[ 34 ] [ 35 ]}
• Celdas solares orgánicas en fibras: Se trata de dispositivos fotovoltaicos fabricados con materiales semiconductores a base de carbono, diseñados para ser flexibles y ligeros. Al aplicarse a fibras textiles, permiten que los tejidos capten energía solar, lo que podría alimentar dispositivos electrónicos portátiles. ^{[ 36 ]}

En el deporte, los textiles electrónicos se pueden usar para monitorear el rendimiento y las métricas físicas de los jugadores. Al incorporar sensores en los uniformes y el equipo, estos textiles pueden medir datos fisiológicos como la frecuencia cardíaca, la actividad muscular, el gasto energético y la distancia recorrida. La información recopilada se puede usar para analizar el rendimiento, controlar la carga de trabajo y detectar fatiga o posibles lesiones. ^{[ 42 ]} A diferencia de los dispositivos portátiles tradicionales, los textiles electrónicos integran sensores directamente en las prendas y el equipo. Esta integración permite un monitoreo continuo y en tiempo real durante la actividad sin restringir el movimiento.

Los textiles electrónicos se utilizan en aplicaciones militares para monitorizar la salud, las constantes vitales y la ubicación de los soldados, proporcionando información en tiempo real que puede utilizarse para la seguridad operativa y la toma de decisiones en el campo. Los datos recopilados por estos textiles pueden utilizarse para supervisar el estado físico y mental de los soldados. Algunos textiles electrónicos también integran sensores ambientales, lo que permite a los soldados recibir alertas sobre la exposición a condiciones peligrosas como calor extremo o sustancias químicas tóxicas. ^{[ 43 ]}

El reciente aumento en el uso de textiles electrónicos plantea desafíos de sostenibilidad al combinar residuos textiles y electrónicos en un solo producto. A pesar de que aproximadamente el 95 % de los textiles desechados son reciclables, alrededor del 85 % termina en vertederos ^{[ 44 ],} lo que crea una necesidad creciente de enfoques sostenibles para la fabricación textil. Los textiles electrónicos hechos de materiales complejos presentan desafíos adicionales para la reparación y el reciclaje, por lo que algunos investigadores han propuesto opciones de diseño de textiles electrónicos específicamente en lo que respecta a la reparación, la reducción de costos de materiales y la sustitución de materiales no sostenibles o dañinos por otros más seguros o de base biológica ^{[ 45 ]} . Otros esfuerzos se han centrado en explorar alternativas a las fibras no sostenibles y los métodos de fabricación, como el cáñamo, los materiales a base de celulosa o los biopolímeros, para reducir el impacto ambiental de las industrias que consumen grandes cantidades de agua, como el cultivo de algodón, manteniendo al mismo tiempo beneficios críticos en el costo de producción, la durabilidad y la comodidad ^{[ 46 ] .}

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