En raison de la nature intime des interactions homme-textiles (essentiellement, nous sommes entourés par les textiles 24/7 - soit sous la forme de vêtements que nous portons ou comme rembourrage dans nos voitures, maisons, bureaux, etc.), les textiles intelligents sont devenus des plates-formes de plus en plus attrayantes pour les réseaux de capteurs innovants biomédicaux, transducteurs, et des microprocesseurs dédiés à la surveillance continue de la santé. En même temps, l'approche commune dans le domaine des textiles intelligents consiste en l'adaptation de la microélectronique planaire classique à une sorte de substrat souple. Cela se traduit souvent par de mauvaises propriétés mécaniques et donc des compromis au niveau du confort et de l'acceptation des usagers, qui à leur tour peuvent probablement expliquer pourquoi ces solutions émergent rarement du laboratoire et, à l'exception de certains cas très spécifiques, ne soit pas utilisés dans la vie de tous les jours. Par ailleurs, nous assistons présentement à un changement de paradigme au niveau de l'informatique autonome classique vers le concept de calculs distribués (ou informatique en nuage). Dans ce cas, la puissance de calcul du nœud individuel ou d'un dispositif de textile intelligent est moins importante que la capacité de transmettre des données à l'Internet. Dans ce travail, je propose une nouvelle approche basée sur l'intégration de polymère, verre et métal dans des structures de fibres miniaturisées afin de réaliser des dispositifs de textiles intelligents de prochaine génération avec des fonctionnalités de niveau supérieur (comme la communication sans fil, la reconnaissance tactile, les interconnexions électriques) tout en ayant une forme minimalement envahissante. Tout d'abord, j'étudie différents modèles d'antennes compatibles avec la géométrie des fibres et des techniques de fabrication. Ensuite, je démontre expérimentalement que ces antennes en fibres multi-matériaux peuvent être intégrées dans les textiles lors d’un processus standard de fabrication de textiles. Les tests effectués sur ces textiles ont montré que, pour les scénarios «sur-corps et hors-corps», les propriétés émissives en termes de perte de retour (S11), le patron (diagramme) de radiation, l'efficacité (gain), et le taux d'erreur binaire (TEB) sont directement comparables à des solutions classiques rigides. Ces antennes sont adéquates pour les communications à courte portée des applications de communications sans fil ayant un débit de données de Mo/s (méga-octets par seconde) (via protocoles Bluetooth et IEEE 802.15.4 à la fréquence de 2,4 GHz). Des simulations numériques de taux d'absorption spécifique démontrent également le plein respect des règles de sécurité imposées par Industrie Canada pour les réseaux sans fil à proximité du corps humain. Puisque les matériaux composites de fibres métal-verre-polymère sont fabriqués en utilisant des fibres de silice creuses de diamètre submillimétrique et la technique de dépôt d'argent à l'état liquide, les éléments conducteurs sont protégés de l'environnement et ceci préserve aussi les propriétés mécaniques et esthétiques des vêtements. Cet aspect est confirmé par des essais correspondant aux normes de l'industrie du textile, l'étirement standard et des essais de flexion. De plus, appliquer des revêtements superhydrophobes (WCA = 152º, SA = 6º) permet une communication sans fil sans interruption de ces textiles sous l'application directe de l'eau, même après plusieurs cycles de lavage. Enfin, le prototype de textile intelligent fabriqué interagit avec l'utilisateur à travers un détecteur tactile et transmet les données tactiles à travers le protocole Bluetooth à un smartphone. Cette démonstration valide l’approche des fibres multi-matériaux pour une variété d'applications. / As we are surrounded by textiles 24/7, either in the form of garments that we wear or as upholstery in our cars, homes, offices, etc., textiles are especially attractive platforms for arrays of innovative biomedical sensors, transducers, and microprocessors dedicated, among other applications, to continuous health monitoring. In the same time, the common approach in the field of smart textiles consists in adaptation of conventional planar microelectronics to some kind of flexible substrate, which often results in poor mechanical properties and thus compromises wearing comfort and complicates garment care, which results in low user acceptance. This explains why such solutions rarely emerge from the lab and, with the exception of some very specific cases, cannot be seen in the everyday life. Furthermore, we are currently witnessing a global shift from classical standalone computing to the concept of distributed computation (e.g. so-called thin clients and cloud storage). In this context, the computation power of the individual node or smart textile device in this case, becomes progressively less important than the ability to relay data to the Internet. In this work, I propose a novel approach based on the idea of integration of polymer, glass and metal into miniaturized fiber structures in order to achieve next-generation smart textile devices with higher-level functionalities, such as wireless communication, touch recognition, electrical interconnects, with minimally-invasive attributes. First, I investigate different possible fiber-shaped antenna designs and fabrication techniques. Next, I experimentally demonstrate that such multi-material fiber antennas can be integrated into textiles during standard textile manufacturing process. Tests conducted on these textiles have shown that, for on-body and off-body scenarios, the emissive properties in terms of return loss (S11), radiation pattern, efficiency (gain), and bit-error rate (BER) are directly comparable to classic ‘rigid’ solutions and adequately address short-range wireless communications applications at Mbps data-rates (via Bluetooth and IEEE 802.15.4 protocols at 2.4 GHz frequency). Numerical simulations of the specific absorption rate (SAR) also demonstrate full compliance with safety regulations imposed by Industry Canada for wireless body area network devices. Since metal-glass-polymer fiber composites were fabricated using sub-millimetre hollow-core silica fibers and liquid state silver deposition technique, the conductor elements are shielded against the environment and preserve the mechanical and cosmetic properties of the garments. This is confirmed by the textile industry standard stretching and bending tests. Additionally, applied superhydrophobic coatings (WCA=152º, SA=6º) allow uninterrupted wireless communication of the textiles under direct water application even after multiple washing cycles. Finally, I fabricated a user-interactive and wireless-communicating smart textile prototype, that interacts with the user through capacitive touch-sensing and relays the touch data through Bluetooth protocol to a smartphone. This demonstration validates that the proposed approach based on multi-material fibers is suitable for applications to sensor fabrics and bio-sensing textiles connected in real time to mobile communications infrastructures, suitable for a variety of health and life science applications.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / Dans l'optique de la création d'un vêtement intelligent original multi-capteur, et permettant la mesure de différents signes physiologiques, une nouvelle fibre électrode sèche et flexible, en PDMS et nanotube de carbone, est créée. Ce vêtement intelligent innovant aurait l'avantage de n'utiliser que la fibre électrode, qui est un capteur peu coûteux et relativement facile à concevoir. L'intégration au textile est facilitée par l'aspect filiforme du capteur, et également par le fait qu'aucune modification majeure du textile est nécessaire à son intégration. Les grandeurs que l'on cherche à acquérir sont les électrocardiogrammes, les électromyogrammes de surface, et le mouvement. La fibre ayant déjà été évaluée pour la mesure de la respiration, le couplage de toutes ces grandeurs permettrait d'obtenir un aperçu global de l'état de santé de l'utilisateur. Une problématique d'étude de la fatigue musculaire est également levée, et l'analyse poussée du mouvement par l'utilisation de la fibre de manière simultanée à la mesure des électromyogrammes serait un atout pour cette dernière. Le circuit imprimé conçu pour la mesure des électromyogrammes de surface et du mouvement est miniaturisé, portatif, autonome et sans fil. Celui pour la mesure des électrocardiogrammes fonctionne en filaire, et doit encore être miniaturisé. Les circuits électroniques sont donc conçus spécialement pour être à l'interface entre la fibre électrode et l'utilisateur. Ils sont décrits et évalués tout au long de ce projet. Des tests de ces circuits seront présentés avec des électrodes de référence en Ag/AgCl, puis avec la nouvelle fibre PDMS. / With the aim of creating an original multi-sensor smart garment, and allowing the measurement of different physiological signs, a new dry and flexible electrode fiber, made of PDMS and carbon nanotube, is created. This innovative smart garment would have the advantage of using only the electrode fiber, which is an inexpensive and relatively easy to design sensor. The integration to the textile is facilitated by the thread-like aspect of the sensor, and also by the fact that no major modification of the textile is required for its integration. The parameters we are looking to acquire are electrocardiograms, surface electromyograms, and motion. The fiber having already been evaluated for the measurement of breathing, the coupling of all these quantities would make it possible to obtain an overall view of the health of the user. A problem of studying muscle fatigue is also raised, and the advanced analysis of the movement by using the fiber simultaneously with the measurement of electromyograms would be an asset for the latter. The circuit board designed for the measurement of surface electromyograms and movement is miniaturized, portable, autonomous and wireless. The one for the measurement of electrocardiograms is wired, and still needs to be miniaturized. The electronic circuits are therefore specially designed to be at the interface between the fiber electrode and the user. They are described and evaluated throughout this project. Tests of these circuits will be presented with Ag/AgCl reference electrodes, then with the new PDMS fiber.

Dans ce mémoire, on présente une nouvelle architecture d’un chandail intelligent pour surveiller la respiration en temps réel. Ce vêtement intelligent comporte une architecture qui offre une méthode de détection innovante assurant une suivie de l’activité respiratoire en continue. Tout d’abord le chandail détecte la déformation du haut du thorax pendant la respiration à l’aide d’une antenne intégrée dans le chandail. L’antenne a été conçue dans les laboratoires du centre d’optique, photonique et laser de l’université Laval. Un capteur Bluetooth intégré dans le même chandail détecte par la suite la variation du signal RSSI (indicateur d’intensité du signal reçu) et l’envoie à une unité de traitement et d’analyse de données sans fils (un ordinateur ou une tablette). Une interface d’analyse des données a été crée pour permettre la détermination du rythme respiratoire et le caractériser selon le signal de respiration reçu. En plus, le chandail intelligent est alimenté par une source d’énergie sans fils et hybride fonctionnant avec une batterie rechargeable ou par un lien inductif. Deux versions de chandail ont été testées. La première contient un seul capteur alors que la deuxième possède six capteurs positionnés sur la partie frontal du vêtement. En plus, différents paramètres ont été pris en considération durant les tests citant entre autres la morphologie, l’âge et le sexe des utilisateurs. Des tests ont démontré une détection réussie de plusieurs informations pertinentes comme les cycles de respiration (inspiration, expiration), la fréquence respiratoire et d’autres mesures statistiques pour les diagnostics. / In this thesis, we present a new architecture of a smart T-shirt to monitor breathing in real time. This smart garment has an architecture that offers an innovative detection method ensuring continuous monitoring of respiratory activity. First the T-shirt detects deformation of the upper chest during breathing using an antenna built into the T-shirt. The antenna was designed in the laboratories of the optics, photonics and laser center of Laval University. A Bluetooth sensor integrated in the same T-shirt subsequently detects the variation of the RSSI signal (indicator of received signal strength) and sends it to a wireless data processing and analysis unit (a computer or tablet). A data analysis interface has been created to allow determination of the respiratory rate and characterization according to the received breathing signal. In addition, the smart T-shirt is powered by a wireless, hybrid power source powered by a rechargeable battery or by an inductive link. Two versions of the T-shirt were tested. The first contains a single sensor while the second has six sensors positioned on the front of the garment. In addition, different parameters were taken into account during the tests, citing among others the morphology, age and sex of the users. Tests have demonstrated successful detection of several relevant information such as breathing cycles (inspiration, expiration),respiratory rate and other statistical measures for diagnosis.