Sistemi indossabili basati sull'uso di tessuti elettronici 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 a.tognetti@ing.unipi.it Bologna 26 Aprile 2005

Tessuti elettronici (e-textiles) Sistemi tessili che integrano diverse funzionalità: Sensori Attuatori Elettronica/processing Energy harvesting/storage Bologna 26 Aprile 2005

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 Bologna 26 Aprile 2005

e-textiles Telemedicine: wearable electronics for signal elaboration and data teletransmission -wearable master-slave interfaces for telesurgery Health monitoring: wearable bionsensors and and electrodes for vital signs detection Movement and activity monitoring: wearable strain sensors for posture and gesture analysis e-textiles Sport medicine: training or accident prevention Teleassistance: wearable electronics for wireless communication Virtual-augmented reality: sensorised and actuated man-machine wearable interfaces Rehabilitation: wearable actuators for physiotherapy or compensation of disabilities Bologna 26 Aprile 2005

E-Textiles Bologna 26 Aprile 2005

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) Bologna 26 Aprile 2005

Filati conduttivi per sensori ed elettrodi Tessuti intelligenti sensori, elettrodi, interconnessioni elettriche, alimentazione elettrica Tessuti anti-statici Isolamento elettromagnetico Tessuti termolegolati Antenne su tessuto Bologna 26 Aprile 2005

Fibre e fili metallici Bekinox® VN: filo continuo (multi- filamento), 100 % acciaio inossidabile Bekinox® VS: feltro composto al 100% da fibre di acciaio inossidabile BEKITEX® BK 50: filo conduttivo elastico Bologna 26 Aprile 2005

Fili contenenti fibre piezoelettriche Fibre di PVDF Co-estrusione del materiale con fili metallici Polarizzazione Fibra piezoelettrica Core metallico Bologna 26 Aprile 2005

Tessuti piezoelettrici Sensing meccanico Segnali vitali (battito cardiaco, respiro, suoni cardiaci) Sensori di impatto Energy Harvesting Recupero energia dal movimento Bologna 26 Aprile 2005

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 Bologna 26 Aprile 2005

micro-nano-scale material processing macro-scale device integration micro-nano-scale material processing Electro-spinning Wet-spinning Dry-spinning Extrusion Bologna 26 Aprile 2005

Electro-spinning nanofibre l < 1 m Diametro 50-1000 nm Bologna 26 Aprile 2005

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) Bologna 26 Aprile 2005

Fibre di Nanotubi di carbonio SEM di un filo di CNT (scala 25 m) 15 m diametro Bologna 26 Aprile 2005

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 Bologna 26 Aprile 2005 Tessuto con fibre di CNT

Nanofibre Nanofibre di polyanilina / polyanilina-Polyethylene Electrospinning (d < 100nm, conducibilità 0.76 S/cm) Nanofibre piezoelettriche Polimeri caricati con con nano-particelle ceramiche (PMN-PT) Polarizzazione Bologna 26 Aprile 2005

Tessuti piezoresistivi Elastomeri conduttivi/lycra® Bologna 26 Aprile 2005

Tessuti piezoresistivi Elastomeri conduttivi/lycra® Bologna 26 Aprile 2005

Indumenti sensorizzati Bologna 26 Aprile 2005

Indumenti sensorizzati Polso Spalla Bologna 26 Aprile 2005

Elettrodi e sensori su tessuto Shoulder articulation Elettrodi e sensori su tessuto ECG (Einthoven’s triangle) RA LA LF Thoracic respiration Abdominal respiration EMG triceps EMG biceps Elbow articulation Precordial leads Electromyogram Electrocardiogram Respiratory signal Bologna 26 Aprile 2005

Elettrodi e sensori su tessuto impedance pneumography Bologna 26 Aprile 2005

Rilevazione segnali vitali ECG (elettrodi su tessuto/standard Red Dot) Einthoven derivazione D1 Bologna 26 Aprile 2005

Rilevazione segnali vitali EMG Bologna 26 Aprile 2005