09/12/2024
Door Ad Spijkers
De multifunctionele Shine-vezels verbeteren mens-robot-interacties in toepassingen, variërend van slim textiel tot robotica.
Eén manier om duurzame lichtgevende apparaten te ontwerpen, is door ze zelfherstellend te maken, net als biologische weefsels zoals huid. Een team van interdisciplinaire wetenschappers van de National University of Singapore (NUS) heeft flexibele vezels ontwikkeld met zelfherstellende, lichtgevende en magnetische eigenschappen.
Bijzondere vezel
De Scalable Hydrogel-clad Ionotronic Nickel-core Electroluminescent (Shine)-vezel is buigzaam en zendt zichtbaar licht uit. De vezel kan ook zichzelf automatisch herstellen na te zijn gesneden, waarbij hij bijna 100% van zijn oorspronkelijke helderheid terugkrijgt. De vezel kan draadloos worden gevoed en fysiek worden gemanipuleerd met behulp van magnetische krachten. Met meerdere functies in één apparaat vindt ze potentiële toepassingen als lichtgevende zachte robotvezels en interactieve displays. De vezel kan ook worden geweven in slim textiel.
Veel digitale informatie wordt verzonden via lichtgevende apparaten. De onderzoekers zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van duurzame materialen die licht kunnen uitzenden. Ook verkennen ze nieuwe vormfactoren zoals vezels, die toepassingsscenario's kunnen uitbreiden, bijvoorbeeld naar slimme textielsoorten.
Multifunctioneel
Lichtgevende vezels zijn een gebied van groeiende interesse geworden. Ze bieden potentie door hun potentieel om bestaande technologieën in meerdere domeinen aan te vullen, waaronder zachte robotica, draagbare elektronica en slimme textielsoorten. Ze bieden bijvoorbeeld functionaliteiten als dynamische verlichting, interactieve displays en optische signalering en tegelijkertijd flexibiliteit en aanpasbaarheid, Hierdoor kunnen interacties tussen mens en robot worden verbeterd door ze responsiever en intuïtiever te maken.
Het gebruik van dergelijke vezels wordt echter vaak beperkt door fysieke kwetsbaarheid en de moeilijkheid om meerdere functies in één enkel apparaat te integreren zonder complexiteit toe te voegen of de energiebehoefte te verhogen.
De Shine-vezel pakt deze uitdagingen aan door lichtemissie, zelfherstel en magnetische actuatie te combineren in één enkel, schaalbaar apparaat. In tegenstelling tot bestaande lichtgevende vezels op de markt, die zichzelf niet kunnen repareren na schade of fysiek kunnen worden gemanipuleerd, biedt de Shine-vezel een efficiënter, duurzamer en veelzijdiger alternatief.
Ontwerp
De vezel is gebaseerd op een coaxiaal ontwerp dat een nikkelkern voor magnetische responsiviteit combineert met een op zinksulfide gebaseerde elektroluminescentielaag voor lichtemissie en een hydrogel-elektrode voor transparantie. Met behulp van een schaalbaar, door ionen geïnduceerd geleringsproces vervaardigde het team vezels tot 5,5 m lang die zelfs na bijna een jaar opslag in de open lucht hun functionaliteit behielden. Om een duidelijk zicht te garanderen bij heldere binnenverlichting, wordt doorgaans een luminantie van ten minste 300 cd/m2 tot 500 cd/m2 aanbevolen. De Shine-vezel heeft een luminantie van 1068 cd/m2, waardoor deze zelfs in goed verlichte binnenruimtes goed zichtbaar is.
De hydrogel-laag van de vezel herstelt zichzelf door chemische bindingsreformatie onder omgevingsomstandigheden. De nikkelkern en de elektro-luminescentielaag herstellen de structurele en functionele integriteit door warmte-geïnduceerde dipoolinteracties bij 50°C. Nog belangrijker is dat het herstelproces meer dan 98% van de oorspronkelijke helderheid van de vezel herstelt, waardoor deze mechanische spanningen na reparatie kan weerstaan. Deze mogelijkheid ondersteunt het hergebruik van beschadigde en vervolgens zelfherstellende vezels, waardoor de uitvinding op de lange termijn veel duurzamer is."
Door de nikkelkern beschikt de Shine-vezel over magnetische actuatie, wat het mogelijk maakt om de vezel te manipuleren met externe magneten. Dit maakt toepassingen mogelijk zoals lichtgevende zachte robotvezels die door krappe ruimtes kunnen manoeuvreren, ingewikkelde bewegingen uitvoeren en optisch in real-time signaleren.
Mens-robot-interactie
De Shine-vezel kan worden gebreid of geweven tot slimme textielsoorten die licht uitstralen en zichzelf gemakkelijk herstellen na het knippen, wat een element van duurzaamheid en functionaliteit toevoegt aan draagbare technologie. Met zijn intrinsieke magnetische actuatie kan de vezel zelf ook functioneren als een zachte robot. Deze kan licht uitstralen, zichzelf herstellen, door besloten ruimtes navigeren en optisch signaleren, zelfs nadat hij volledig is doorgesneden.
Ook kan de vezel worden gebruikt in interactieve displays, waar zijn magnetisme dynamische patroonveranderingen mogelijk maakt die optische interactie en signalering in het donker vergemakkelijken.
Het team wil de precisie van de magnetische actuatie van de vezel verfijnen om behendiger robottoepassingen te ondersteunen. De wetenschappers onderzoeken ook de mogelijkheid om sensorische mogelijkheden – zoals het vermogen om temperatuur en vochtigheid te detecteren – te weven in lichtgevende textielsoorten die volledig zijn gemaakt van Shine-vezels.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: College of Design and Engineering, National University of Singapore