Что такое электронная ткань
Электронная ткань
Не так давно мы вошли в тот период развития технологий, когда электронные компоненты настолько миниатюризировались, что создание крохотных гаджетов перестало быть проблемой для инженеров. Проблемой стали сами люди, потому что управлять, да и просто удерживать в руке устройство меньше, чем среднестатистический сотовый телефон неудобно чисто анатомически. И всё же, вектор на увеличение компактности электронных устройств обещает нам открытие новых горизонтов. А развитие нанотехнологий стало, фактически, краеугольным камнем, на котором будут основаны все прорывные изобретения и технологии: создание новых, «анатомических» интерфейсов для взаимодействия человека с электронными устройствами, снижение энергопотребления и веса, внедрение электроники в традиционные «аналоговые» сферы. Например, гибкие экраны и «электронная ткань». В последние годы периодически появляются новости от разных компаний, рапортующих о создании прототипов гибких экранов. Судя по всему, мы достаточно близки к появлению первых коммерческих образцов по-настоящему носимой электроники. Однако сам принцип носимости подразумевает интеграцию цифровых технологий прямо в одежду. И идея создания «умной» одежды не то что бы давно витает в воздухе, а работы по ней тоже ведутся в различных странах. Однако практическая реализация этой идеи упирается в целый ряд пока непреодолённых технологических задач, из которых одной из важнейших является обеспечение компактности и высокой ёмкости источника энергии. Одним из решений может стать создание ткани, которая самостоятельно генерирует и хранит запас электричества.
Успехи науки
Недавно представители Китайской Академии Наук (кто бы мог подумать) и Вуханьской Национальной Лаборатории Оптоэлектроники (Wuhan National Laboratory for Optoelectronics) сообщили о том, что им удалось вырастить образец ткани из наночастиц диоксида свинца на подложке из углерода путём компоновки пустотелых нанотрубок диоксида свинца в переплетённую структуру. Материал нанотрубок обладает свойствами широкополосного полупроводника с высокой квантовой эффективностью в ультрафиолетовом диапазоне. Это делает его хорошим материалом как для электродов в элементах питания, так и для улавливания света. Команда китайских учёных объединила в одном устройстве «сотканные» из диоксида кремния ультрафиолетовый фотодетектор и литий-ионную батарею. Их целью было создать не требующий внешнего источника питания гибкий фотодетектор, которому можно придать любую форму. Получившееся устройство по своей производительности сравнимо с «традиционными» и, что гораздо важнее, не теряет своей эффективности даже в свёрнутом виде.
По словам создателей, изначально это было вызовом: изготовить подобною ткань большой площади с сохранением именно тканной структуры. И теперь они считают, что задача создания правильно организованной структуры из выращенного плотного слоя нанотрубок на углеродной подложке может быть надёжно решена. Исследователи выразили радость от того, что получившееся устройство «является очень простой системой, обладающей преимуществами регулируемого размера и портативности». Представитель Университета Тунцзи (Tonji University), занимающийся исследованиями материалов для электронной и химической промышленностей, отметил низкую стоимость изготовления этого прототипа гибкого электронного устройства, обладающего «уникальным потенциалом при создании гибких, эластичных и носимых электронных систем». Также учёный подчеркнул, что основной проблемой в разработке подобных устройств является обеспечение достаточной механической прочности и износоустойчивости.
Зачем это нужно?
Как видим, китайцы поставили перед собой задачу фактически превратить одежду в солнечную батарею. Причём в батарею, направленную сразу во все стороны, условно не имеющую веса (мы ведь всё равно носим одежду), гораздо менее хрупкую по сравнению с традиционными кремниевыми батареями, да ещё и аккумулирующую в себе электричество. Без сомнения, подобная одежда будет полезна всем и каждому. Интеграция мобильного компьютера с GSM-модулем в куртку из электрогенерирующей ткани позволит, при должном освещении, вообще забыть о такой вещи, как зарядное устройство. Сегодняшние айпады и айфоны станут таким же нелепым и громоздким анахронизмом, как сегодня выглядят будки общественных таксофонов на улице. Заглянем немного дальше: с дальнейшей миниатюризацией электроники станет возможной массовая коммерческая имплантация различных устройств. И тут вопрос электропитания встанет в другой плоскости: не как долго, а как? И применение электрогенерирующей одежды для питания имплантов на первых порах может стать единственным способом.
Куда счастливее по сравнению с мирными гражданами будут военные: сегодня перспективные комплексы индивидуального оснащения солдат подразумевают ношение на себе до 6 кг аккумуляторов для носимого компьютера, радиостанции, прибора ночного видения, лазерного целеуказателя и фонаря. При этом срок работы всей этой красоты от аккумуляторов также весьма невелик. Представьте, насколько расширятся возможности военных, которым удастся одеть каждого солдата в «самозаряжающуюся» форму и оснастить гибким, устойчивым к повреждениям компьютером, передающим информацию о местонахождении бойца его непосредственному командиру. Операторы беспилотников смогут в реальном времени видеть расположение своих, что позволит существенно повысить их эффективность и снизить потери от дружественного огня. Вот оно, перенесение принципа сегодняшних стратегических игрушек в реальную жизнь, привет любителям Starcraft и Command & Conquer.
В более отдалённом будущем одежда, изготовленная из оптоволокна, позволит реализовать принцип оптического камуфляжа, когда человек словно становится прозрачным. Помните, как в прекрасном аниме Ghost in the Shell (Призрак в доспехах) комбинезон главной героини словно становился стеклянным, делая её почти невидимой? Да что там аниме, все ведь смотрели «Хищника» с незабвенным Шварценеггером, какое впечатление произвёл «прозрачный» камуфляж инопланетянина. Самое интересное, что сейчас уже ведутся научно-исследовательские работы и есть первые практические результаты по созданию подобных технологий.
е-ткани: Электроника в текстиле
В новостях довольно часто стал появляться термины e-garment и e-fabrics или smart materials. Википедия переводит их как «е-ткани» или «интеллектуальный текстиль».
Е-ткани (также «умные ткани») — вид текстиля, содержащий электронику (включая микрочипы), в котором применены цифровые технологии. Многие виды высокотехнологичной, умной одежды, а также технологии, которые применяются при её производстве, содержат электронный текстиль.
Электронный текстиль следует отличать от приборов, относящихся к классу носимых компьютеров, встраиваемых в компоненты одежды, так как упор делается именно на бесстыковое встраивание в ткань электронных компонентов, таких микрочипы, датчики или включатели.
Такого рода технологии объединяются под общим термином Файбертроника (англ. fiber — волокно и electorincs —электроника). Данная дисциплина занимается изучением применения возможностей электроники при производстве тканей.
Фундаментально инжиниринг текстиля не для обычной, повседневной одежды развивается по следующим направлениям:
В России направление «интеллектуального текстиля» известно, но на сегодня это тема для гиков, увлеченных энтузиастов, не рассматривается как «рыночное окно» или возможность для развития.
Одежда — новая платформа для носимой электроники
Сегодня обычная одежда обладает незадействованным потенциалом стать платформой для интегрирования в нее носимой электроники.
Канадская лаборатория протестировала специальные волокна, которые позволяют при помощи специально разработанной ткацкой технологии создавать эластичные сенсорные экраны и батареи, вплетаемые прямо в ткань-основу.
Интегрирование электронных компонентов для умного материала с новым функционалом не далось легко. Первая идея была – «хорошо, чтобы электроника располагалась прямо на одежде, под рукой». Мир уже прошел увлечение подобными устройствами – многие спортивные компании реализовали в своих изделиях кнопки плеера, выведенные на рукав куртки.
«Мы хотим, чтобы люди не догадывались, насколько усложняется ткань, а просто чтобы они начали пользоваться новыми функциями»- говорит Максим Скоробогатый, физик Политехнической школы Монреаля.
Это должна быть привычная одежда, но при этом автономное устройство, которое может зарядить себя, накопить, сохранить энергию и выполнять полезные функции. В противном случае – это усложнение и дополнительная нагрузка, которая никому не нужна в обыденной жизни».
Эта философия мотивировала разработчика собрать разностороннюю команду исследователей, ориентированных на создание эластичной версии частей гаджета, в том числе и мультитач-экранов, батарей и даже транзисторных микросхем. Эти технологии могут стать прообразом смарт-одежды, которая следит за состоянием здоровья, внешними условиями, сопровождает и ориентирует, и даже действует как носимый на теле компьютер.
Изображение гибкой батареи, разработанной в лаборатории Максимом Скоробогатым. Политехническая школа Монреаля.
«Проблема большинства вариаций «мягкой электроники», которую пытаются выводить на рынок в том, что это просто обычные гаджеты, прикрепляемые на одежду. Мы же пытаемся интегрировать электронику прямо в текстиль, буквально вплетая элемент за элементом,» — говорит Скоробогатый. «Большинство электроники изначально технологически не предназначены для ткацких операций».
Некоторые лаборатории избрали иной путь – пытались равномерно разместить наночастицы проводника внутри обычной хлопковой ткани. Но это оказалось тупиковым путем, поскольку не удалось добиться стабильности свойств и использовалось недопустимо большое количество химикатов.
В свою очередь, лаборатория Скоробогатова избрала собственный путь: разработала текстильные волокна, которые являются оптоволокнами, способными нести телевизионный и интернет-сигнал, передавать электрические сигналы.
Собственная методика позволила канадской команде сделать экструдированное из полимерного расплава волокно, которое остается достаточно гибким для дальнейшего ткачества.
Исследователи сумели сплести волокна в гибкую сенсорную панель, которая может выступать как мультитач-экран
Также они смогли сплести из волокон экспериментальную сенсорную панель, которая обладает частичными возможностями задуманной мультитач-технологии, похожей на то, чем обладают смартфоны и планшеты. Эта работа была опубликована в январском номере «Smart Materials and Structures».
Далее, они сделали плоские листы батарей сочетая слои традиционных литиевых батарей с термопластичным связующим материалом. Лаборатория Скоробогатого научилась разрезать эти листы на тонкие полосы и смогла сплести матрицу, типичную для привычного текстиля. Достижение подробно описано журнале Американского Электрохимического Сообщества «American Electrochemical Society».
Изобретатели уже сегодня совершенно убеждены в неизбежности превращения одежды в носимый на поверхности тела гаджет с широким функционалом, но на сегодня серьезной психологической преградой является нерешительность крупных текстильных производителей работать с совершенно необычными волокнами. Канадские исследователи планомерно работают над свержением этих взглядов, шаг за шагом демонстрируя все новые возможности и приглашая дизайнеров экспериментировать с их достижениями.
Согнуть уже можно все, кроме…
Но одна большая проблема все же остается. Это – создание гибких микросхем и транзисторных элементов. Если лаборатории Скоробогатого удастся провернуть трюк с их созданием, они бы смогли создавать одежду с самыми необычными конфигурациями возможностей электронных гаджетов.
Мы движемся в сторону автономных текстильных батарей, электронных компонентов и датчиков, и все они сделаны в виде текстильной нити,» — сказал Скоробогатый. «На данный момент не хватает только процессоров».
Эта история была представлена InnovationNewsDaily.
Что еще могут е-ткани?
Мы в своих обзорах уже упоминали, например, светящуюся одежду, с интегрированными в ткань светодиодами. Какие еще реализации известны на сегодня? Что могут е-ткани? Как они могут изменить жизнь людей?
Корейский институт высоких технологий KAIST сегодня ведет разработки тканых дисплеев, позволяющих выводить на текстиль (одежду) изменяемую процессором цветографическую информацию. Перспектива – создать тканый экран для возможности передачи видео приемлемого изображения.
Дизайнеры Берлинского университета Искусств творчески используют светодиодные ткани для создания новых невиданных моделей с LED подсветкой на растяжимой матрице со стрейч-эффектом, которая сама может включаться в темное время, управляемая датчиками:
Вот пример более сложной светодиодной матрицы (была продемонстрирована на текстильной выставке «ТехТекстиль» во Франкфурте в 2015 году):
Royal Philips Electronics of the Netherlands
Одно из неожиданных применений электронного текстиля, стоящее на стыке наук и технологий, в прототипе предложила компания Royal Philips Electronics of the Netherlands.
Билирубинемия — или желтуха новорожденных — встречается у 60% младенцев при родах в срок и у 90% при преждевременных родах. Многим требуется срочная медицинская помощь в течение первых часов или дней жизни. Так вот именно для них и разработали билирубиновые одеяло, «конверт» и «кенгуру». Одеяло, которое лечит светом определенной длины волны, источником являются светодиоды синего терапевтического света.
Наиболее часто в поисковых запросах об электронных тканях в Интернете фигурирует авторитетная компания OHMATEX.
Несколько слов о ней. Это – истинные популяризаторы нового, энтузиасты и творцы.
Интересен сам подход в работе с клиентами. Они готовы вместе с клиентом искать функционал нового изделия на базе электронного текстиля.
OHMATEX
OHMATEX – компания, проектирующая электронные ткани и функционал
Простой слоган компании, открывающий сайт: «Принесите свои идеи в реальность!»
Прекрасный пример компании нового типа, где инновации проектируются с чистого листа.
Сильные реализации, проекты, выполненные компанией – костюм пожарного с датчиками температуры (разработан совместно с компанией VIKING), которые подают сигнал, анализируя время пребывания в опасной зоне.
Helly Hansen
Похожий проект, не менее важный и необходимый, позволяющий снизить риски от последствий – концепция костюма Sea-and-Safe для работы в море. Защитный костюм оснащен датчиками, которые в опасной ситуации – человека смыла за борт – подают сигнал опасности, дают индикацию его положения. Просто? Просто только в замысле, технологически – это сложная, многоступенчатая работа. Проект координировался совместно с компанией Helly Hansen.
Итак, электронный текстиль – не химера, не забава, не модная блажь. Все развивается, пока не понятно, как это изменит жизнь человечества, но совершенно точно, уже меняет.
Очень интересно дождаться чего-то подобного в России. Может быть, это будет именно ваш стартап?
⌛ Нет времени на web-сайты? Попробуйте наш Telegram и не забудьте про Instagram, Facebook, Вк и Twitter
E-текстиль (электронный текстиль) интернета вещей
Главная страница » E-текстиль (электронный текстиль) интернета вещей
Уникальные текстильные нагревательные системы обладают явным преимуществом, благодаря способности изгибаться. Следовательно, так называемый электронный текстиль (E-текстиль) способен обеспечить равномерный нагрев области (площади) неправильной геометрии. Интерес такого рода вместе с интересом к технологиям Интернета вещей (IoT) привёл к появлению новых областей исследований электроники для применения на работе, дома, в повседневной жизни. Носимая электроника — новая растущая область на мировом рынке, в основном разрабатывается с учётом использования для работы. В этом отличие таких систем от ставших уже привычными мобильных устройств. Как бы ни было, носимые на теле новые электронные устройства обещают стать хитом мирового рынка в ближайшем десятилетии.
Интеграция носимых технологий в предметы одежды
Интеграция носимых технологий заложит и улучшит концепцию дизайна сектора одежды в ближайшем будущем. Однако только лишь функционирования на мировом рынке недостаточно, чтобы успешно продавался электронный текстиль — своего рода «носимый электронный» продукт. Без поддержки каких-либо традиционных характеристик:
продукт не будет иметь смысла для реализации потребителям на коммерческом рынке.
Некоторые носимых электронных устройств требуют постоянного присутствия и доступности пользовательского интерфейса. Этот фактор также делает такого рода продукт навязчивым по сравнению с другими носимыми устройствами.
Внедрение электронных модулей непосредственно в структуру ткани позволяет не только делать одежду с функцией обогрева. Эта же технология открывает возможности производства светящихся предметов одежды, что является очень привлекательным фактором для сферы моды
В идеале интеллектуальный электронный текстиль (одежда) представляет продукт, наделённый функционалом в отличие от традиционной одежды. Этот функционал включает:
Электронный текстиль, на основе которого сделана одежда, собирает данные и передаёт либо с помощью беспроводных, либо проводных решений во внешнее вычислительное устройство. Там переданная информация обрабатывается с последующей интерпретацией. Таким образом, получается ответ или обратная связь с владельцем / внешним центром.
Электронный текстиль – технологический поход к нагреву одежды
Принцип электрического сопротивления нагрева для электронного текстиля остаётся неизменным. Прохождение электротока через любой проводящий материал сопровождается выделением тепла.
Для системы нагрева с электрическим сопротивлением является характерным момент, когда электрический ток, проходящий через резистор, генерирует количество тепла в зависимости от мощности тока. Тем не менее, поток ограничен сопротивлением и приложенным напряжением в цепи, о чём свидетельствует закона Ома.
Резистивные элементы, встроенные в структуре ткани, каждый обладает определённым сопротивлением. Этот момент позволяет равномерно распределять тепловой эффект в нужной области
Резисторы с определенным значением допустимо внедрить в текстиль разных форм и размеров. Площадь текстиля, по которой расположены резисторы, не влияет на значение сопротивления.
Независимо от площади и поверхности текстиля, электронные проводящие элементы могут располагаться параллельно и последовательно, образуя электрические сети внутри / над структурой текстиля.
Значения сопротивления при этом могут меняться, обладая зависимостью к типу проводящего элемента. В частности, изменения допускаются от нескольких Ом до нескольких десятков Ом.
Фактически, линейное сопротивление проводящих нитей / дорожек электронного текстиля определяет значения сопротивления электрических сетей, построенных в структуре ткани.
Способ формирования и вставки проводящих дорожек электронного текстиля имеет решающее значение для обогревательной системы, поскольку не исключено повреждение проводящих дорожек в процессе производства. Следовательно, снизится уровень проводимости.
Кроме того, проводящие дорожки, используемые для носимых систем, требуется выполнять достаточно тонкими, чтобы достичь нужного эффекта изгиба. Вместе с тем, гибкость должна сочетаться с достаточно высоким уровнем прочности, что обеспечит эффективный нагрев.
Уникальные особенности одежды на электронном текстиле
Каждый квадратный сантиметр электронного текстиля рассеивает тепло, исходя из мощности в несколько ватт, в зависимости от уровня проводимости резистора.
Чтобы получить более высокое рассеивание мощности, резистивный фактор необходимо увеличивать в области текстиля. Однако в случае большого рассеивания мощности, как правило, требуется высокий уровень электропитания.
Так называемый «музыкальный жакет» — своеобразный стиль разработок с применением тканей, также включающий элементы e-текстиля: 1 – место хранения аккумулятора; 2 – миди синтезатор; 3 – вышитая на e-текстиль клавиатура; 4 – тканевый ленточный кабель; 5 – динамик (громкоговоритель)
Для эффективного отвода тепла требуется расширение электрической сети на тонкой поверхности электронного текстиля. Действительно, уровень эффективности рассеивания тепла, обусловленный конфигурацией электрической сети на текстиле, является одним из наиболее важных факторов, влияющих на эффективность системы обогрева.
Для обеспечения гибкого нагрева внутри текстильной структуры логично выбрать типичные тканевые конструкции:
E-текстиль и фактор влияния волокон на свойства ткани
При условии типичной массы электронного текстиля — 250 г /м 2 состав волокон влияет на моющую способность одежды и характеристики нагрева системы. Например, тепловые характеристики шерстяного электронного текстиля по сравнению с хлопковым электронным текстилем отмечаются на более высоком уровне.
По этой причине в конструкции системы электрического обогрева на текстильной основе, если хлопчатобумажная ткань используется в качестве базовой ткани для конфигурации электрической сети, тепловая производительность системы будет меньше, чем у шерстяных тканей. Следовательно, выбор подходящего состава волокна играет важную роль в плане эффективности нагрева системы.
Сейчас выпускаются вот такие куртки с подогревом: 1 – карман, где находится контроллер управления нагревом; 2 – область, где вшита нагревательная часть – «грелка». Надпись на материале гласит – «не рассматривай меня»; 3 — вкладыш на молнии, где установлен кабель, соединяющий корпус контроллера с «грелкой»
Для портативных применений с питанием от батареи, указание требуемой мощности, а не номинального напряжения АКБ, даёт большую гибкость при проектировании системы обогрева.
В частности, для определения значения мощности при указанном значении сопротивления проводника, предоставляется большая свобода для использования тепловых панелей на основе электронного текстиля. Тогда проще рассчитать требуемый уровень расстояния для введения проводящих нитей / дорожек, следовательно, размера текстиля.
Исследования в области систем обогрева на основе электронного текстиля в последнее время сосредоточены на разработке продукта, способного контролировать и регулировать температуру тела человека в соответствии с изменением климата.
Особенно это важно для условий активного отдыха, например, катания на лыжах и сноуборде. Одежда с подогревом имеет явную привлекательность для любителей активного отдыха, но существующие батареи питания ограничивают масштабы применения электронного текстиля.
Системы обогрева одежды на основе электронного текстиля
Предметы домашнего обихода:
вполне можно нагревать на основе подхода электронного текстиля, отказавшись от нагревательных кабелей. Для стандартных городских жилых помещений отопительные системы на основе электронного текстиля, могут успешно заменить громоздкие радиаторы и короба систем кондиционирования. Вместо этого достаточно лёгких жалюзи на окнах и элегантных ковровых покрытий на полу.
Вот такого исполнения коврик – достаточно эффективный инструмент для обогрева ступней ног. Между тем, существуют разработки тканевых (плёночных) покрытий, позволяющие организовать полноценную функцию «тёплого» пола
Но помимо бытовых применений подобного рода, ещё более интересным видится применение электронного текстиля для одежды – курток, перчаток и других предметов. Пока что этот рынок только развивается, предлагает ограниченно продукты:
Но будущее электронного текстиля в одежде неизбежно приближается. Целью систем обогрева на основе электронного текстиля является обеспечение пользователя необходимым теплом в более прохладной среде.
Постоянная температура человеческого тела для поддержания функций организма составляет 37°С. На поддержание этого температурного режима и рассчитана одежда из электронного текстиля.
Две категории обогревающих текстильных систем
Системы обогрева на текстильной основе условно разделяют на две категории:
Текстильные нагреватели на основе металлов включают металлические элементы в качестве нагревателей, в то время как электронный текстиль на основе полимеров включает полимерные нагреватели.
В качестве нагревателя электронного текстиля на металлической основе используются провода, а также металлические листы. Примером может служить уже реализованная в дело разработка фирмы «Dorman» — подогрев автомобильных кресел.
При помощи информации: IntecHopen