Химики, технологи, инженеры многих прикладных дисциплин, опираясь на достижения современной науки, создают новые текстильные материалы. Еще через какое-то время, после разнообразных тестов и выстраивания технологии для массового производства, часть из этих разработок, скорее всего, мы увидим в отрасли охраны труда.
Что нового происходит в мире текстиля? Какими непривычными функциональными возможностями и характеристиками будут обладать самые современные материалы?
Текстиль с интеллектом: он знает, как вы двигаетесь!
Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали прототип нового материала — удобную облегающую ткань, которая с высокой точностью распознает движения своего владельца.
В новой технологии, названной 3DKnITS, применен специальный тип пластиковой пряжи. Инновационным можно смело назвать и процесс ее направленного формирования нагревом (термоформование). В структуру пряжи введен слой с пьезодатчиками, оценивающими изменения давления.
Для демонстрации возможностей новой ткани ученые MIT создали «умную» обувь и коврик, а затем разработали аппаратно-программную систему для измерения и интерпретации данных с датчиков давления в режиме реального времени. Система машинного обучения с точностью 99% подсказывала направления для повышения точности движений при стремлении к идеальным позам йоги. Упражнения выполнялись на интеллектуальном текстильном коврике. Оценка движения производилась с учетом сигналов, получаемых от сети пьезодатчиков, равномерно покрывающих тело пользователя.
Ирманди Викаксоно, научный сотрудник MIT Media Lab и руководитель проекта, показал, что процесс выпуска нового материала может быть легко масштабирован для промышленности.
Чтобы создать «умный» текстиль, исследователи используют цифровую вязальную машину, которая сплетает слои ткани рядами стандартной и функциональной пряжи. Многослойный трикотажный текстиль состоит из двух слоев проводящей пряжи, вяжущейся вокруг пьезорезистивного трикотажа, который изменяет свое сопротивление при сжатии.
Этот метод может применяться очень широко, в первую очередь — в здравоохранении, в том числе для реабилитации. Например, его можно было бы использовать для производства «умной» обуви, отслеживающей походку человека, который снова учится ходить после травмы, или носков, контролирующих давление на ногу больного диабетом, чтобы предотвратить образование язв. Исследователи планируют провести тесты необычной обуви за пределами лаборатории, чтобы увидеть, как условия окружающей среды, такие как температура и влажность, влияют на работу датчиков.
Высокая точность 3DKnITS может сделать технологию полезной для применения в протезировании. По словам Викаксоно, интеллектуальная текстильная подкладка может измерять давление, которое протезная конечность оказывает на гнездо, позволяя протезисту легко увидеть, насколько хорошо подходит устройство.
Но и для промышленности – масса идей. Например, сразу приходит на ум оценка перегрузок при физическом труде. Человек, одетый в «умный» трикотаж, может получать сигнал об ошибке, включающий и блокировку.
Перспективное направление — создание приложения для формирования навыка точных манипуляций, например, при освоении тяжелого пневмоинструмента (здесь важна правильная постановка ног, поза, процесс увеличения нагрузки). Можно обучать антропоморфных роботов в точности выполнять движения человека, просто «снимая информацию» с него.
По материалам: 3DKnITS. Three-dimensional Digital Knitting of Intelligent Textile Sensor for Activity Recognition and Biomechanical Monitoring by I. Wicaksono, P. G. Hwang, S. Droubi, F. X. Wu, A. N. Serio, W. Yan and J. A. Paradiso, 1 July 2022, IEEE in Medicine and Biology Society.
Ткань, которая слышит звук: может, сердца, а может, в дверь
Еще один проект с пьезоэлектрическими элементами в текстиле реализован инженерами Массачусетского технологического института и сотрудниками Школы дизайна Род-Айленда. Они создали ткань, которая преобразует звуки в электрические сигналы. Она работает как микрофон, трансформируя звук сначала в механические колебания, а затем в электрические сигналы. Алгоритм здесь похож на тот, по которому работает орган слуха человека («сделать подобно тому, как уже сделала природа» – это направление в науке называется биомиметика).
Исследователи создали гибкое волокно из пьезоэлектрического материала, которое при вплетении в ткань изгибается вместе с ней, как водоросли на поверхности океана.
Оно генерирует электрический сигнал при изгибе или механической деформации, обеспечивая ткани возможность преобразования звуковых колебаний в электрические сигналы. В результате она может улавливать звуки, в том числе внезапные (например, резкие хлопки в ладоши), и определять их точное направление. Будучи встроенной в подкладку одежды, ткань умеет распознавать особенности сердцебиения владельца. Волокна в комбинации с несложным процессором могут воспринимать речь (состоящую из импульсов акустического давления) и передавать данные на коммуникационные устройства.
Фото демонстрирует структуру «акустической ткани», сотканной из волокна, изготовленного из пьезоэлектрического материала, который генерирует электрический сигнал при изгибе или механической деформации, обеспечивая ткани средство преобразования звуковых колебаний в электрические сигналы.
Как это изобретение может применяться в будущем?
Исследователи указывают на телекоммуникационные возможности. Надев акустическую одежду, вы можете разговаривать через нее, например, отвечая на телефонные звонки. Еще одно направление – оперативный мониторинг и диагностика сердечного ритма и дыхания в реальном времени (неограниченно долго!). Кроме того, перспективным представляется анализ шума и усиление звука. Исследователи предполагают, что направленная звукочувствительная ткань может помочь людям с частичной потерей слуха настроиться на источник звука в шумной обстановке.
Команда видит применение материала не только в одежде. Он может быть интегрирован в обшивку космического корабля для регистрации ударов микрометеоритов и космической пыли или в здания для обнаружения трещин и деформаций.
Свет для одежды
Еще одно направление в развитии «умного» текстиля — ткань, которая может выполнять функцию большого дисплея с возможностью соединения с другими электронно-коммуникационными устройствами. Ее разработали специалисты университета Фудань в Китае. Проводящие и люминесцентные волокна в ней сплетены вместе с хлопком в элемент, который может выполнять функции осветительного прибора или матрицы –дисплея.
Был продемонстрирован прототип электронного текстиля длиной шесть метров. Потенциал разработки для применения в области связи, навигации и здравоохранения очень большой.
Текстиль гибкий, дышащий и прочный. Выдерживает смятие, трение, скручивание.
После 1000 циклов изгиба, растяжения и прессования производительность подавляющего большинства электролюминесцентных устройств оставалась стабильной. Кроме того, на яркость электролюминесцентных блоков не повлияли 100 циклов стирки и сушки.
Обычные твердотельные дисплейные материалы плохо совместимы с текстилем, поскольку с трудом выдерживают естественную деформацию, возникающую при носке и стирке тканей. Новый дизайн соединяет проводящие и люминесцентные волокна вместе с хлопком в тканевый дисплей и преодолевает это ограничение.
Переплетение проводящих волокон утка и люминесцентных волокон основы образует электролюминесцентные блоки. Поскольку диаметр светоизлучающих волокон можно регулировать в диапазоне от 0,2 мм до 0,5 мм, одежда, сотканная из них, может быть сверхтонкой и сверхгибкой. Ткани этого типа будут такими же легкими и дышащими, как обычные.
Эксперты отмечают, что подобная разработка может дать импульс созданию нового поколения электронных средств коммуникации, устройств Интернета вещей.
Отжать энергию!
Ученые из Наньянского технологического университета (NTU, Сингапур) разработали эластичную и водонепроницаемую ткань, которая превращает энергию, генерируемую движениями тела, в электрическую.
Надо отметить, что тканями, способными вырабатывать энергию, занимаются многие научные коллективы по всему миру. Важнейшим компонентом таких материалов является полимер, который при нажатии или сдавливании преобразует механическое напряжение в электроэнергию. Он изготовлен из эластичного спандекса (в качестве базового слоя) и соединен с резиноподобным материалом, что обеспечивает прочность, гибкость и водонепроницаемость.
Фото: Растягивающийся электрод (слева) напечатан на трафарете эластичными чернилами, содержащими резиноподобный материал, и интегрирован в прототип сбора энергии на тканевой основе (справа). NTU Singapore©.
В ходе эксперимента, подтверждающего концепцию, сингапурская команда NTU показала, что нажатие на кусок новой ткани размером 3х4 см генерирует достаточно электрической энергии, чтобы зажечь 100 светодиодов (точнее, вырабатывается 2,34 Вт электроэнергии на квадратный метр, и этого достаточно для питания небольших электронных устройств, сенсоров, подзарядки батарей).
Ткань-прототип вырабатывает электричество двумя способами: когда ее прижимают или раздавливают (пьезоэлектричество) и когда она соприкасается (или трется) с другими материалами, такими, как кожа или резина (трибоэлектрический эффект).
Стирка, складывание и смятие ткани не приводили к ухудшению производительности, и она могла поддерживать стабильную электрическую мощность в течение пяти месяцев, демонстрируя свой потенциал для использования в качестве интеллектуального текстиля и носимого источника питания.
Исследователи указывают на возможность получения энергии при интеграции нового материала в стельки для обуви. Любой обуви!
Это открывает путь к созданию маломощных электронных систем с автономным питанием от вибрационной энергии, утилизируемой стельками при ходьбе.
(11 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
