Análisis y desarrollo de sensores en el campo de los “Smart Textiles” mediante un enfoque práctico en el campo de la medicina

Abstract

[ES] Los "Smart Textiles” denominados como textiles inteligentes ha sido, es y será un área de investigación emergente y transformadora que se ocupa de la creación y el estudio de nuevas generaciones de conjuntos de fibras y sistemas de prendas que pueden percibir, reaccionar y adaptarse a condiciones o estímulos externos de forma manual o de forma programada. El rápido desarrollo de la ciencia y las tecnologías a escala nanométrica, así como la miniaturización de los dispositivos y el avance en la conectividad y comunicaciones de diferentes elementos, hacen posible impartir nuevas funciones electrónicas y fotónicas en la superficie o en el interior de las fibras y sus conjuntos. Los dispositivos y sistemas electrónicos basados en fibras tienen flexibilidad y comodidad de uso excepcionales, una resistencia a la fatiga superior en caso de grandes deformaciones repetidas a largo plazo y una excelente capacidad de generalización. El incesante incremento de la capacidad de transmisión de datos de forma inalámbrica, antes 3G, luego 4G y ahora 5G con vistas ya hacia el 6G, hace aumentar el interés del usuario al poder interactuar con el sistema a través del ordenador personal, y lo que quizás le hace más interesante a través el móvil. El trabajo que aquí se expone está enfocado a los sistemas inteligentes con aplicación directa en los “Smart Textiles”. El estudio de estos tejidos se lleva haciendo desde hace unos 20 años, de tal manera que ahora casi todas las grandes universidades tienen actividades de investigación y publicaciones en este campo. Todo esto ha sido posible gracias a la investigación multidisciplinar, teniendo un efecto sinérgico con el rápido desarrollo de áreas como la nanociencia, tecnología de materiales, estructuras inteligentes, microelectrónica, internet y comunicación inalámbrica, etc. Los “Smart Textiles” se han convertido en un fértil campo de investigación que ha dado lugar a muchos avances tecnológicos, aunque por desgracia todo esto sigue en los laboratorios ya que actualmente es difícil transportarlo al proceso industrial. Cuando se comenzó la realización de esta tesis, se marcó como objetivo prioritario el realizar un calcetín inteligente orientado al problema que tienen los diabéticos y más concretamente en los pies, de ahí el llamado “pie diabético”. Se han hecho varios estudios en los que se relaciona un aumento de la temperatura del pie con una posible ulceración en dicho punto. De aquí el estudio de sensores que puedan medir la temperatura del pie, ya que todos sabemos lo molesto que es llevar algo en la planta del pie, motivo más que suficiente para intentar ver que sensor puede alojarse en un calcetín sin originar problemas al andar y moverse. En el desarrollo del estudio se vio que los sensores podían estar influenciados por la resistencia eléctrica que intervienen en los textiles, debido a este problema se realizó el estudio de cómo medir la resistencia eléctrica de los textiles, cosa que a priori parece fácil pero que es bastante más compleja puesto que un textil depende mucho del entorno en el que se encuentre, por ejemplo si está en una atmósfera húmeda o si está en una atmósfera seca, si la persona que lo lleva suda mucho o si la persona que lo lleva no suda. Al tratarse de un calcetín que está en contacto directo con el pie, este tiende a sudar ya que va dentro del zapato y por lo tanto las medidas tomadas por los sensores se podrían ver influenciadas por las pequeñas corrientes que se pueden originar en un textil debido a la alta o baja resistencia eléctrica que tenga. Con todos estos parámetros iniciales tenidos en cuenta y una vez realizado diversos prototipos en el laboratorio, se tuvo que realizar un estudio con pacientes reales para obtener datos de sus pies, con todo este volumen de información se han analizado los posibles puntos del pie más predispuestos a sufrir ulceraciones y así poder determinar qué puntos son los más idóneos para situar los sensores de temperatura. Una vez resuelto este problema se consiguió finalmente realizar el calcetín físicamente con unos sensores que medían la temperatura de la planta del pie, esta temperatura era trasmitida a un móvil y almacenada en una hoja de datos. Estos datos almacenados iban siendo tratados y analizados de tal forma qué, al detectar el aumento de temperatura en algunos de los puntos de medida, podían informar al paciente que estaba en disposición de poder sufrir una ulceración en el pie. De esta manera podría ponerse en contacto con su médico y atajar el problema antes de su aparición.

[EN] Smart Textiles has been, is and will be an emerging and transformative area of research concerned with the creation and study of new generations of fibre assemblies and garment systems that can sense, react and adapt to external conditions or stimuli manually or programmatically. The rapid development of nano-scale science and technologies, as well as the miniaturisation of devices and advances in connectivity and communications of different elements, make it possible to implement new electronic and photonic functions on the surface or inside fibres and their assemblies. Fibre-based electronic devices and systems have exceptional flexibility and user-friendliness, superior fatigue resistance under repeated long-term large deformations, and excellent generalisability. The ever-increasing capacity for wireless data transmission, previously 3G, then 4G and now 5G with a view towards 6G, is increasing user interest in interacting with the system via the personal computer, and perhaps most interestingly via the mobile phone. The work presented here is focused on intelligent systems with direct application in "Smart Textiles". The study of these textiles has been going on for about 20 years, so that now almost all major universities have research activities and publications in this field. All this has been possible thanks to multidisciplinary research, having a synergistic effect with the rapid development of areas such as nanoscience, materials technology, smart structures, microelectronics, internet and wireless communication, etc. Smart Textiles" has become a fertile field of research that has led to many technological breakthroughs, although unfortunately all this is still in the laboratory as it is currently difficult to transport it to the industrial process. When this thesis began, the main objective was to create an intelligent sock oriented to the problem that diabetics have and more specifically in their feet, hence the so-called diabetic foot. Several studies have been carried out in which an increase in the temperature of the foot is related to a possible ulceration at that point. Hence the study of sensors that can measure the temperature of the foot, as we all know how annoying it is to wear something on the sole of the foot, which is more than enough reason to try to see which sensor can be housed in a sock without causing problems when walking and moving. During the study, it became apparent that the sensors could be influenced by the electrical resistance involved in the textiles. Because of this problem, a study was carried out on how to measure the electrical resistance of textiles, which at first sight seems easy but is much more complex since a textile depends a lot on the environment in which it is found, for example, if it is in a humid atmosphere or if it is in a dry atmosphere, if the person who wears it sweats a lot or if the person who wears it does not sweat. As a sock is in direct contact with the foot, the foot tends to sweat as it is inside the shoe and therefore the measurements taken by the sensors could be influenced by the small currents that can originate in a textile due to the high or low electrical resistance it has. With all these initial parameters and once various prototypes had been made in the laboratory, a study was carried out under normal operating conditions with patients using one of the prototypes to obtain data on their feet. With all this volume of information, the possible points of the foot most prone to ulceration were analysed to determine which points are the most suitable for placing the temperature sensors. Once the key parameters had been determined through all this research, the final prototype of the sock was physically created. This was done by incorporating sensors that measure the temperature of the sole of the foot in a cotton textile base. The temperature is transmitted via Bluetooth to a mobile phone and stored in a data sheet. This data is processed and analysed in real time so that, by varying the parameters defined in the programme, it interprets the increase in temperature at some of the measurement points and can help to detect possible foot ulcerations in the patient. In this way, you can contact your doctor as quickly as possible and thus tackle the problem before it arises.