Het is niet nodig om ongemakkelijke smartwatches of borstbanden aan te trekken om je hart in de gaten te houden als je comfortabele shirt het beter doet.

Dat is het idee achter 'slimme kleding', ontwikkeld door een laboratorium van de Rice University, die zijn geleidende nanobuisdraad gebruikte om functionaliteit in reguliere kleding te weven.

Het Brown School of Engineering lab van chemisch en biomoleculair ingenieur Matteo Pasquali meldde in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters dat het nanobuisvezels in atletische kleding naaide om de hartslag te controleren en een continu elektrocardiogram (EKG) van de drager te maken.

De vezels zijn net zo geleidend als metaaldraden, maar wasbaar, comfortabel en veel minder kans om te breken wanneer een lichaam in beweging is, volgens de onderzoekers.

In het geheel, het shirt dat ze verbeterden was beter in het verzamelen van gegevens dan een standaard borstbandmonitor die live metingen deed tijdens experimenten. In combinatie met commerciële medische elektrodemonitors, het carbon nanobuis-shirt gaf iets betere ECG's.

"Het shirt moet strak tegen de borst zitten, " zei Rice afgestudeerde student Lauren Taylor, hoofdauteur van de studie. "In toekomstige onderzoeken we zullen ons concentreren op het gebruik van dichtere stukjes koolstofnanobuisdraden, zodat er meer oppervlakte is om in contact te komen met de huid."

De onderzoekers merkten op dat nanobuisvezels zacht en flexibel zijn, en kleding waarin ze zijn verwerkt, is wasbaar in de machine. De vezels kunnen net als standaardgaren machinaal in stof worden genaaid. Door het zigzagsteekpatroon kan de stof uitrekken zonder ze te breken.

De vezels zorgden niet alleen voor een stabiel elektrisch contact met de huid van de drager, maar dienden ook als elektroden om elektronica zoals Bluetooth-zenders aan te sluiten om gegevens door te sturen naar een smartphone of om verbinding te maken met een Holter-monitor die in de zak van een gebruiker kan worden opgeborgen, zei Taylor.

Pasquali's lab introduceerde in 2013 koolstofnanobuisjesvezels. Sindsdien zijn de vezels, elk met tientallen miljarden nanobuisjes, zijn onderzocht voor gebruik als bruggen om beschadigde harten te herstellen, als elektrische interfaces met de hersenen, voor gebruik in cochleaire implantaten, als flexibele antennes en voor auto- en ruimtevaarttoepassingen. Hun ontwikkeling maakt ook deel uit van de op Rice gebaseerde Carbon Hub, een multi-universitair onderzoeksinitiatief onder leiding van Rice en gelanceerd in 2019.

De originele nanobuisfilamenten, op ongeveer 22 micron breed, waren te dun voor een naaimachine om te hanteren. Taylor zei dat een touwslager werd gebruikt om een ​​naaibare draad te maken, in wezen drie bundels van elk zeven filamenten, geweven tot een grootte die ongeveer gelijk is aan gewone draad.

"We werkten samen met iemand die kleine machines verkoopt die ontworpen zijn om touwen te maken voor modelschepen, " zei Taylor, die eerst de draad met de hand probeerde te weven, met beperkt succes. "Hij was in staat om van ons een middelgroot apparaat te maken dat hetzelfde doet."

Ze zei dat het zigzagpatroon kan worden aangepast om rekening te houden met hoeveel een shirt of andere stof waarschijnlijk zal uitrekken. Taylor zei dat het team samenwerkt met Dr. Mehdi Razavi en zijn collega's van het Texas Heart Institute om erachter te komen hoe het contact met de huid kan worden gemaximaliseerd.

Vezels die in stof zijn geweven, kunnen ook worden gebruikt om antennes of LED's in te bedden, volgens de onderzoekers. Door kleine aanpassingen aan de geometrie van de vezels en de bijbehorende elektronica kan kleding uiteindelijk de vitale functies controleren, krachtinspanning of ademhalingsfrequentie.

Taylor merkte op dat andere mogelijke toepassingen mens-machine-interfaces voor auto's of zachte robotica kunnen zijn, of als antennes, gezondheidsmonitors en ballistische bescherming in militaire uniformen. "Een paar jaar geleden hebben we met een medewerker aangetoond dat koolstofnanobuisjes beter zijn in het afvoeren van energie per gewicht dan Kevlar, en dat was zonder een deel van de winst die we sindsdien hebben gehad in treksterkte, " ze zei.

"We zien dat, na twee decennia van ontwikkeling in laboratoria over de hele wereld, dit materiaal werkt in steeds meer toepassingen, " zei Pasquali. "Vanwege de combinatie van geleidbaarheid, goed contact met de huid, biocompatibiliteit en zachtheid, koolstofnanobuisjes zijn een natuurlijk onderdeel van wearables."

Hij zei dat de draagbare markt, hoewel relatief klein, een startpunt kunnen zijn voor een nieuwe generatie duurzame materialen die via directe splitsing uit koolwaterstoffen kunnen worden gewonnen, een proces dat ook schone waterstof oplevert. De ontwikkeling van dergelijke materialen is een focus van de Carbon Hub.

"We bevinden ons in dezelfde situatie als zonnecellen een paar decennia geleden, "Zei Pasquali. "We hebben applicatieleiders nodig die een aantrekkingskracht kunnen uitoefenen op het opschalen van de productie en het verhogen van de efficiëntie."