Archeologia ujawnia, że ludzie zaczęli nosić ubrania około 170 000 lat temu, bardzo blisko przedostatniej epoki lodowcowej. Jednak nawet teraz większość współczesnych ludzi nosi ubrania, które ledwo różnią się od tych najwcześniejszych. Ale to się wkrótce zmieni, ponieważ elastyczna elektronika jest coraz bardziej wpleciona w tak zwane „inteligentne tkaniny”.
Wiele z nich jest już dostępnych do zakupu, na przykład legginsy zapewniające delikatne wibracje ułatwiające jogę, koszulki śledzące wydajność gracza i biustonosze sportowe monitorujące tętno. Inteligentne tkaniny mają potencjalnie obiecujące zastosowania w służbie zdrowia (pomiar tętna i ciśnienia krwi pacjentów), obronie (monitorowanie stanu zdrowia i aktywności żołnierzy), samochodach (dostosowywanie temperatur siedzeń, aby pasażerowie byli bardziej komfortowi), a nawet inteligentnych miastach (pozwalanie znakom komunikować się z przechodniami).
Idealnie byłoby, gdyby elementy elektroniczne tych ubrań - czujniki, anteny do przesyłania danych i baterie do zasilania - były małe, elastyczne i w dużej mierze niezauważone przez ich użytkowników. Dotyczy to dzisiaj czujników, z których wiele można nawet prać w pralce. Ale większość anten i akumulatorów jest sztywna i nie jest wodoodporna, dlatego należy je zdjąć z odzieży przed praniem.
Moja praca w ElectroScience Laboratory na Ohio State University ma na celu uczynienie anten i źródeł zasilania równie elastycznymi i zmywalnymi. W szczególności haftujemy elektronikę bezpośrednio w tkaninach za pomocą przewodzących nici, które nazywamy „e-nitkami”.
Haft anteny
Haftowana antena (ElectroScience Lab, CC BY-ND) Nici elektroniczne, nad którymi pracujemy, to wiązki skręconych włókien polimerowych zapewniających wytrzymałość, każda z powłoką na bazie metalu do przewodzenia elektryczności. Rdzeń polimerowy każdego włókna jest zwykle wykonany z Kevlaru lub Zylonu, a otaczająca go powłoka jest srebrna. Dziesiątki, a nawet setki tych włókien ciągłych są następnie skręcane ze sobą, tworząc pojedynczy e-wątek, który zwykle ma mniej niż pół milimetra średnicy.
Te e-nici można łatwo stosować ze zwykłym komercyjnym sprzętem do haftowania - tymi samymi połączonymi komputerowo maszynami do szycia, których ludzie używają na co dzień do umieszczania swoich nazwisk na kurtkach sportowych i bluzach. Haftowane anteny są lekkie i tak samo dobre, jak ich sztywne miedziowane odpowiedniki, i mogą być tak skomplikowane, jak najnowocześniejsze płytki drukowane.
Nasze anteny z gwintem elektronicznym można nawet łączyć ze zwykłymi wątkami w bardziej złożonych projektach, takich jak integracja anten w logo firmy lub w innych projektach. Byliśmy w stanie haftować anteny na tkaninach cienkich jak organza i grubych jak Kevlar. Po wyhaftowaniu przewody można podłączyć do czujników i akumulatorów za pomocą tradycyjnego lutowania lub elastycznych połączeń, które łączą ze sobą elementy.
Do tej pory byliśmy w stanie stworzyć inteligentne czapki, które odczytują głębokie sygnały mózgowe u pacjentów z chorobą Parkinsona lub padaczką. Haftujemy koszulki z antenami, które rozszerzają zasięg sygnałów Wi-Fi na telefon komórkowy noszącego. Wykonaliśmy także maty i prześcieradła, które monitorują wzrost niemowląt w celu zbadania pod kątem szeregu schorzeń we wczesnym dzieciństwie. I stworzyliśmy składane anteny, które mierzą, o ile powierzchnia, na której znajduje się tkanina, jest wygięta lub podniesiona.
Wyjście poza antenę
Moje laboratorium współpracuje również z innymi badaczami ze stanu Ohio, w tym z chemikiem Anne Co i lekarzem Chandanem Senem, w celu stworzenia elastycznych miniaturowych generatorów energii opartych na tkaninie.
Metale drukowane na tkaninie mogą wytwarzać energię. (ElectroScience Lab, CC BY-ND) Korzystamy z procesu podobnego do drukowania atramentowego, aby umieszczać naprzemienne obszary kropek srebra i cynku na tkaninie. Gdy te metale wejdą w kontakt z potem, solą fizjologiczną, a nawet płynem wydzielanym z ran, srebro działa jak elektroda dodatnia, a cynk służy jako elektroda ujemna - a elektryczność przepływa między nimi.
Wygenerowaliśmy niewielkie ilości energii elektrycznej tylko przez wilgotność tkaniny - bez potrzeby stosowania dodatkowych obwodów lub komponentów. Jest to w pełni elastyczne, zmywalne źródło zasilania, które może łączyć się z innymi elektronikami do noszenia, eliminując potrzebę stosowania konwencjonalnych akumulatorów.
Zarówno razem, jak i indywidualnie, ta elastyczna elektronika do noszenia przekształci odzież w połączone, wykrywające, komunikujące się urządzenia, które dobrze łączą się z tkaniną z 21 wieku.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Asimina Kiourti, adiunkt inżynierii elektrycznej i komputerowej, Ohio State University
