Estado actual de la técnica

Es una realidad que la industria de la fibra óptica ha revolucionado el sector de las comunicaciones proporcionando un mayor rendimiento y enlaces de telecomunicaciones más fiables. Paralelamente ha permitido desarrollos de sensores asociados a la industria optoelectrónica. Durante los últimos años los precios de los componentes se han reducido en gran medida desplazando a los sensores tradicionales para medir aspectos como la rotación, la aceleración, el campo eléctrico, campo magnético, temperatura, presión, vibración, posición lineal, tensión, humedad, viscosidad, mediciones químicas, y otra gran variedad de aplicaciones.

Los sensores son elementos que reciben un estímulo y responden con una señal. El estímulo es la cantidad, propiedad o condición que el sensor recoge analizando un cierto tipo de propiedades físicas o químicas, y posteriormente es convertida a señales eléctricas para ser amplificadas y modificadas en términos de amplitud, frecuencia, fase, o un código digital, para que otro elemento las interprete.

Los sensores de fibra óptica son a menudo agrupados en dos clases básicas: extrínsecos (también denominados híbridos) e intrínsecos. En los sensores de fibra óptica extrínsecos, la fibra llega a una "caja negra" que introduce información en el haz de luz en respuesta a un efecto ambiental. Dicha información puede ser introducida en términos de intensidad, fase, polarización o contenido espectral. Por otra parte un sensor de fibra intrínseco utiliza una fibra óptica para llevar el haz de luz y el efecto del medio que atraviesa introduce información en el haz de luz mientras la luz viaja en la fibra.

En la actualidad se pueden encontrar sensores cuasi-distribuidos y distribuidos que permiten sensar alguna o varias características físicas bien en diferentes puntos de una fibra continua (sensores quasi-distribuidos) o bien a lo largo de toda la fibra (sensores distribuidos). Estas tecnologías están en pleno desarrollo y dependiendo de la tecnología óptica utilizada es posible realizar un sensado a lo largo de una fibra de hasta 50Km de largo. Con este tipo de sensores se monitorizan parámetros como la temperatura y el estiramiento de forma directa, pero a partir de esos parámetros cabe la posibilidad de sensorizar otras propiedades o características.

En los casos en los que se utilizan fibra óptica larga, se hace necesario técnicas de colocación de la fibra que dependerá de la función final del sensor. Una posible forma de facilitar su instalación y colocación es utilizando la fibra óptica integrada tejido. Además si se fuera capaz de integrar fibra óptica en un geotextil dentro de un proceso productivo, esto permitiría de forma simultánea la utilización de geotextiles actuando como separación, filtración, drenaje, refuerzo y/o protección y la sensorización de parámetros físicos/químicos. Dentro de este campo existen diferentes estudios de distintas técnicas, pero en todos los casos se trata de modelos experimentales y nunca comerciales. El estudio y las pruebas de la combinación de sensores en textiles permitirán un gran avance en la utilización de los sensores cuasi-distribuidos y distribuidos de fibra óptica así como la creación de tejidos inteligentes.

También existen otros tipos de sensores de fibra óptica no distribuidos que pueden utilizarse en textiles, en estos casos es posible la utilización de varios sensores simultáneamente gracias a la posibilidad de la multiplexación que posee la fibra óptica. También existe la posibilidad de la miniaturización de los componentes del sensor que permitirían la utilización de éstos en el caso de la necesidad de movilidad, como por ejemplo en prendas de vestir.

Durante los últimos años la evolución de diversos elementos empleados en las máquinas de impresión digital, ha posibilitado la evolución hacia la electrónica impresa de bajo coste (printed electronics). Utilizando tintas conductivas de diferentes características en lugar de componentes sólidos, el objetivo principal es fabricar los circuitos a través de métodos de impresión gráfica como chorro de tinta, huecograbado o flexografía directamente en sustratos como papel-cartón, textil o plástico. Previamente a la evolución de esta tecnología, la fabricación de circuitos electrónicos sólo podía realizarse en industrias de electrónica, donde se precisan de grandes laboratorios y las producciones de circuitos deben ser a gran escala, para obtener unos costes adecuados y competitivos. Por el contrario, la electrónica impresa de bajo coste permite fabricar circuitos a pequeña escala, a unos costes razonables muy interesante para ciertas aplicaciones.

Otra ventaja sustancial es que la electrónica convencional trabaja con deposiciones sobre silicio, que es un material rígido, en cambio la electrónica impresa de bajo coste permite realizar la deposición en otro tipo de sustratos base como puedan ser cristal, metal, cartón, papel, plásticos o tejidos, posibilitando aplicaciones sobre sustratos flexibles. Además a nivel industrial permite la fabricación "roll to roll" pudiendo realizar producciones más grandes que con los procesos de fabricación de electrónica convencional. Esta tecnología es apta para su aplicación en tejidos, por lo que se ha seleccionado para la realización del presente proyecto y teniendo en cuenta la maquinaria de laboratorio disponible en los centros de investigación.

Envase inteligente, iluminación OLED, transponedores RFID de bajo coste, pantallas enrollables, células solares flexibles, dispositivos para el diagnóstico desechables, pantallas táctiles flexibles y baterías impresas son sólo algunos ejemplos de prometedores campos de aplicación de la electrónica orgánica impresa basada en las nuevas posibilidades de procesado a gran escala de materiales conductores y semiconductores.

Para el uso de los sensores anteriores se estudiarán técnicas de recolección de energía, con el fin de evitar la recarga de batería a través de su conexión a la red eléctrica, desarrollando un sistema de alimentación eléctrico autónomo. Los orígenes de esta técnica conocida actualmente como Energy Harvesting se remonta al uso de molinos de viento y de agua como una de las primeras formas de aprovechamiento y transformación de la energía presente en el ambiente. A lo largo de la historia se han buscado fuentes alternativas limpias para la obtención de la energía. Con la evolución de la electrónica integrada y los dispositivos wearable, se terminó de definir la idea de Energy Harvesting hacia dispositivos capaces de alimentar sensores o dispositivos móviles sin el uso de baterías. Las fuentes ambientales de energía se suelen clasificar según la naturaleza de la fuente de origen pudiendo ser: vibración (energía cinética), luz (energía fotovoltaica), calor (energía térmica) y radio frecuencia (energía inductiva).

La energía por vibración durante los últimos años ha avanzado notablemente en el desarrollo de materiales piezoeléctricos que colocados en un zapato, aprovechando la pisada de un individuo se consiguen hasta 7W por zapato con una pisada de 1Hz de frecuencia. Esta energía se puede obtener por el movimiento del individuo o masivamente en industrias por el movimiento de motores, vibración de estructuras como puentes, carreteras, y movimientos de vehículos como trenes, automóviles o aeronaves.

En el ámbito de la energía térmica los dispositivos termoeléctricos permiten convertir calor en electricidad por tres efectos termoeléctricos fundamentalmente:

  • Seebeck: estableciendo un gradiente de temperatura entre las uniones de dos metales o semiconductores se genera un cierto potencial eléctrico.
  • Peltier: se establece una diferencia de temperatura entre los bordes de un material, y el transporte de calor realizado por los movimientos de los electrones genera energía.
  • Thomson: a diferencia de Peltier y Seebeck este efecto puede observarse en un solo material cuando es sometido a una diferencia de temperatura y corriente de forma simultánea.

En cuanto a la energía por radiación electromagnética se basa en la obtención de energía a partir de las radioemisiones residuales generadas por sistemas de telecomunicaciones como móviles, wifi, tv, satélite,... Los sistemas basados en esta tecnología recogen la energía por radiación electromagnética transformándola en energía. Existen básicamente tres métodos: a través de una antena de banda ancha, con una antena sintonizada a una frecuencia concreta y mediante sistemas específicos para generar potencia a una frecuencia conocida y mediante antenas direccionales y sintonizadas.

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PROYECTO AMBIENTEX:

INVESTIGACION Y DESARROLLO DE TEXTILES CON CAPACIDADES DE SENSORIZACIÓN Y RECOLECCIÓN DE LA ENERGÍA AMBIENTAL