信号機のフェルトキャップの後ろにある洗練された糸

パヤル・ダール著 ベン・グアリーノ編集

電気技術者と繊維科学者のチームが、道路を安全に横断できる時期を着用者に知らせる帽子を発明しました。研究者の概念実証用ビーニー帽は、信号の変化を感知して、視覚障害のある歩行者に移動の準備ができたことを知らせるゲルマニウム繊維で編まれています。このプロトタイプは、半導体コアを備えた繊維を、情報を収集、処理、保存する機能的な生地にどのように織り込むことができるかを示しており、いつの日か衣服のように着用できるコンピューターを作成できる可能性があります。

衣料品に使用できるほど柔軟な導電性繊維を作るのは簡単ではありません。光学的および電気的特性によりウェアラブルエレクトロニクス業界で高く評価されているシリコンおよびゲルマニウム元素の結晶形態は、保護コーティングで包み、耐久性のある糸に紡ぐ必要があります。熱延伸と呼ばれるプロセスを使用したこれまでの試みでは、通常非常に小さい（通常は数十センチメートル以下）ストランドしか製造できず、コアに破損やその他の使用不能な欠陥が残りました。しかし今回、研究者らは初めて、光認識と電子特性を損なわずに長く柔軟な繊維を作成する方法を開発した。これはニットビーニー帽で証明されている。研究チームは最近の研究でこれらの結果を説明しました 自然。

一般的な熱延伸プロセスでは、シリコンをガラス管の中に入れ、両方の材料が十分に柔らかくなって細い繊維に伸びるまで加熱します。しかし、新しい研究の上級著者で、シンガポールの南洋理工大学で機能性生地を研究しているレイ・ウェイ氏は、「シリコンとガラスの外側ジャケットはまったく異なるため、加熱すると、伸縮能力においてまったく異なる挙動を示すことになる」と述べている。これらの材料の膨張または収縮の方法の違いにより、繊維に圧力がかかり、半導体コアが破損する可能性があります。 「ストレスは命を奪うものです」とウェイ氏は言う。

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この問題に対処するために、ウェイ氏と彼のチームは機械エンジニアに、加熱と延伸プロセスの各段階で作用する力を特定するよう呼びかけました。 「私たちは彼の理論を材料の選択の指針として使用しました」とウェイ氏は言います。研究著者らは、適切な組み合わせを見つけると、製造プロセスを経ても欠陥や破損が起こらない繊維を作成することができたと報告しました。 自然。

研究者らは、シリカガラスの中にシリコンを、アルミノシリケートガラスの中にゲルマニウムを配置することで、長さ約100メートルの連続繊維を製造した。次に、ガラスカバーをエッチングし、フィラメントを加熱して再度引き伸ばし、今度は半導体コアをポリカーボネートプラスチックの中に包みました。 「繊維は非常に柔軟なので、綿、ウール、シルクなどの生地で織ったり編んだりすることができます」とウェイ氏は言います。研究者らは幅約1メートル、長さ約10メートルの布の試作品を作成した。繊維は水中でも機能し、他の耐久性や圧縮テストにも耐えました。

バージニア工科大学でスマートファイバーとウェアラブルデバイスに関する研究グループを率いるXiaoting Jia氏は、この研究がシリコンまたはゲルマニウムベースの半導体ファイバーの大量生産への道を開くだろうと述べている。彼女は、ポリマー層を含めることで柔軟性と断熱性が向上し、生地に織ったり編んだりする際に繊維を保護すると述べています。 「これは、非常に堅牢でスケーラブルなプロセスであることがわかりました」と、この研究には関与していませんが、研究に関する解説の共著者である Jia 氏は述べています。 自然。

潜在的な用途には、光感知帽子などの光学技術が含まれます。ビーニー帽の繊維は、帽子の内側にある小さなインターフェイス ボードにデータを送ります。このボードは、信号が赤または青に変わったことを示すために、さまざまな方法で着用者のスマートフォンを振動させるアプリと通信します。

チームが作成したもう 1 つのプロトタイプは、シリコン光電子繊維で構成されたセーターです。衣服は、光忠実度 (Li-Fi) 通信を使用してデータを送受信します。この研究では、情報、この場合は建物の写真がバイナリコードに変換され、セーターによって光のパルスとして送信されました。研究者らはまた、心拍数を監視する柔軟な時計バンドも実証した。

オーストラリアのニューサウスウェールズ大学医療ロボティクス研究室を所長するソフトロボティクスと機能材料の専門家であるタン・ニョ・ドー氏は、この研究には関与していないが、この新しい技術により、手や機械で編むのに十分な強度があり、大規模製造に適した半導体繊維が生成されると述べた。 「これにより、圧力や温度を検出するセンサーやソフトロボットの制御など、より多くの機能を統合する新たな可能性が開かれる可能性があります」と彼は言う。

魏氏は、この新たな発見は、研究者が他の元素で作られたより複雑な半導体コアファイバーの材料を選択し、構造を設計する際の指針となる可能性があると述べている。彼のチームは今のところその構造をシンプルに保っているが、将来の衣服はより複雑なデバイスとしても機能する可能性がある。進行中のプロジェクトの 1 つは、ファイバーをトランジスタに変換する試みを含んでいます。これは、コンピューティング デバイスを織ることができるようになるために必要なステップです。最初のプロトタイプはセンサーに限定されていますが、ウェイ氏は将来ウェアラブル コンピューターが登場する可能性があると楽観的です。

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