ادوات و تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی مبتنی بر اثر تریبوالکتریک، کاربردهای گسترده‌ای دارند. این ادوات به دلیل حساسیت بالا در اندازه‌گیری یا شناسایی تغییرات حرکتی می‌توانند به عنوان حسـگرهای خودران یـا ادواتی که نیاز به منبع خارجی برای تعیین نیروی الکتریکی ندارند، برای نظارت بر سلامت انسان مورد استفاده قرار گیرند.

برای مثال، برخی از بیماران به دلیل پزشکی، قدرت حرکتی خود را از دست می‌دهند و مانیتور کردن حرکت آرنج یا دست یا خم شدن انگشتان، یا تغییرات حرکتی در سیستم تنفسی و ضربان قلب می‌تواند به پزشک در شناسایی بهتر بیماری یا ارزیابی میزان اثرگذاری رژیم درمانی برای درمان بیمار کمک کند.

یکی از کاربردهای اصلی این سیستم‌ها، پایش لحظه‌ای و طولانی‌مدت یک بیمار پارکینسون است که قادر به کنترل ارتعاشات اندام خود نیست و پزشک پس از آغاز دوره درمانی فرد نمی‌تواند از طریق معاینه دوره‌ای یـا علائم ظاهری، میزان اثرگذاری دارو بر بدن فرد را تشخیص دهد.

در چنین حالتی، می‌توان با بستن یک حسگر پوشیدنی تریبوالکتریکی، شدت و دامنه ارتعاشات اندام فرد را در طول یک‌ماه از زندگی روزمره ثبت کرده و در اختیار پزشک معالج قرار داد. علاوه بر این، دستگاه‌های پوشیدنی تریبوالکتریکی می‌توانند برای کاربردهایی که در آنها نیاز به تعامل بین انسان و ماشین است، مورد استفاده قرار گیرند.

برای نمونه می‌توان به کنترل آن دسته از ادوات رایانه‌ای و خانگی اشاره کرد که با تعبیه یک قطعه تریبوالکتریکی در نقاطی که انسان با اعمال نیروی کوچک مکانیکی به دنبال کنترل ماشین است، دیگر نیازی به منبع انرژی الکتریکی خارجی برای عملکرد ماشین نیست. به عنوان یک مثال کاربردی در این زمینه، اخیرا یک سیستم چندلایه‌ای از مواد تریبوالکتریک توسعه یافته است که فرد می‌تواند با لمس آن پارچه چندلایه، جریان الکتریکی در داخل آن ایجاد کند و اگر این پارچه در نقاطی که فرد در تماس با یک ماشین است قرار گیرد، می‌تواند برق مصرفی ماشین را تامین کند.

این پارچه قابل شست‌وشو از سه لایه تشکیل می‌شود: لایه بالایی، پارچه ابریشمی است که به‌عنوان یک ماده اصطکاکی عمل می‌کند. لایه زیرین، پارچه نایلونی است که به عنوان بستر در نظر گرفته می‌شود و لایه میانی، آرایه الکترودی از جنس نانولوله‌های کربنی است.

آرایه الکترودی با پرینت جوهری از جنس نانولوله کربنی روی پارچه نایلونی ساخته می‌شود. به منظور ایجاد قابلیت شست‌وشو در پارچه و جلوگیری از تخریب آرایه الکترودی، ماده پلی‌یورتان به جوهر مورد استفاده افزوده می‌شود. این کار منجر به تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین گروه‌های آمینه موجود در ساختار پلی یورتان و گروه‌های کربونیل موجود در اکثر منسوجات مرسوم می‌شود و چسبندگی نانولوله‌های کربنی به سطح الیاف پارچه را در حین شست‌وشوی آن تضمین می‌کنند.

از سوی دیگر، زاویه تماس آب با الکترود کربنی حدود ۸۲ درجه است که می‌تواند در عدم‌جذب رطوبت به پارچه کمک کند. حضور نانولوله‌های کربنی هم می‌توانند رسانایی الکتریکی بالا و هم استحکام مکانیکی قابل قبول برای پارچه را به ارمغان بیاورند.

مکانیسم عملکرد پارچه تریبوالکتریکی قابل شست‌وشـو از حالت تک‌الکترودی تبعیت می‌کند؛ بدین معنی که در این طراحی، پوست فرد تماس‌گیرنده و ابریشم به‌عنوان دولایه اصطکاکی عمل می‌کنند.

بر این اساس، پوست کاربر و پارچه ابریشمی پس از چندین سیکل اصطکاکی با یکدیگـر، به دلیل تریبوپلراسیون‌های متفاوت، مقادیر یکسان از بار مثبت و منفی در آنها القا می‌شود. به محض اینکه پوست فرد به پارچه ابریشمی نزدیک می‌شود، الکترون‌ها از زمین به سمت الکترود کربنی شارش می‌یابند تا اختلاف پتانسیل بین دو لایه را به حالت تعادل برسانند. تا زمانی که پوست در تماس کامل با پارچه ابریشمی قرار دارد، در مدار هیچ جریان الکتریکی برقرار نمی‌شود زیرا بارهای الکتریکی موجود در سطوح این دو لایه در حال خنثی کردن یکدیگر هستند. نهایتا الکترون‌ها به تدریج هنگام دور شدن پوسـت دسـت کاربر از پارچه ابریشمی به زمین بازمی‌گردند.

بر این اساس، یک چرخه کامل در فرآیند تولید سیگنال الکتریکی در حالت تک‌الکترود عمودی به وجود می‌آید و همین سیکل ادامه می‌یابد.

از نقطه‌‍نظر سهولت کاربری، استفاده از مواد قابل تنفس که جریان هوا را از خود عبور می‌دهند و ساختارهای متخلخل با تخلخل‌های به هم در رو دارند، گزینه خوش‌آتیه‌ای برای بهینه‌سازی ادوات الکترونیکی پوشیدنی هستند.

*پژوهشگر مهندسی مواد دانشگاه صنعتی شریف

منبع: isti.ir

#