Η αρχαιολογία αποκαλύπτει ότι οι άνθρωποι άρχισαν να φορούν ρούχα πριν από περίπου 170.000 χρόνια, πολύ κοντά στη δεύτερη ως την τελευταία εποχή των παγετώνων. Ακόμα και τώρα, όμως, οι περισσότεροι σύγχρονοι άνθρωποι φορούν ρούχα που διαφέρουν ελάχιστα από τα αρχαιότερα ενδύματα. Αλλά αυτό είναι έτοιμο να αλλάξει, καθώς τα ευέλικτα ηλεκτρονικά εξαρτώνται ολοένα και περισσότερο σε αυτά που ονομάζονται "έξυπνα υφάσματα".
Πολλά από αυτά είναι ήδη διαθέσιμα για αγορά, όπως γκέτες που παρέχουν απαλές δονήσεις για ευκολότερη γιόγκα, μπλουζάκια που παρακολουθούν την απόδοση των παικτών και αθλητικά σουτιέν που παρακολουθούν τον καρδιακό ρυθμό. Τα έξυπνα υφάσματα έχουν ενδεχομένως πολλά υποσχόμενες χρήσεις στην υγειονομική περίθαλψη (μέτρηση του καρδιακού ρυθμού και της αρτηριακής πίεσης των ασθενών), άμυνα (παρακολούθηση της υγείας και των επιπέδων δραστηριότητας των στρατιωτών), αυτοκίνητα (ρύθμιση των θερμοκρασιών των καθισμάτων για να κάνουν τους επιβάτες πιο άνετες) με περαστικούς).
Στην ιδανική περίπτωση, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα αυτών των ενδυμάτων - αισθητήρες, κεραίες για τη μετάδοση δεδομένων και μπαταρίες για την παροχή ενέργειας - θα είναι μικρές, ευέλικτες και σε μεγάλο βαθμό απαρατήρητες από τους χρήστες τους. Αυτό ισχύει σήμερα για τους αισθητήρες, πολλοί από τους οποίους μπορούν να πλυθούν με μηχανή. Αλλά οι περισσότερες κεραίες και οι μπαταρίες είναι άκαμπτες και δεν είναι αδιάβροχες, γι 'αυτό πρέπει να αποκολληθούν από τα ρούχα πριν από το πλύσιμο.
Η δουλειά μου στο εργαστήριο ElectroScience του State University του Οχάιο στοχεύει να κάνει κεραίες και πηγές ενέργειας που είναι εξίσου εύκαμπτες και πλένονται. Συγκεκριμένα, βγαίνουμε ηλεκτρονικά απευθείας σε υφάσματα χρησιμοποιώντας αγώγιμα νήματα, τα οποία ονομάζουμε "e-threads".
Κέντημα κεραίας
Μια κεντημένη κεραία (ElectroScience Lab, CC BY-ND) Τα ε-σπειρώματα με τα οποία εργαζόμαστε είναι δέσμες συνεστραμμένων πολυμερών ινών για την παροχή αντοχής, το καθένα με επίστρωση με βάση το μέταλλο για τη διεξαγωγή ηλεκτρισμού. Ο πυρήνας πολυμερούς κάθε νηματίου τυπικά κατασκευάζεται από Kevlar ή Zylon, ενώ η περιβάλλουσα επικάλυψη είναι ασημί. Δεκάδες ή ακόμα και εκατοντάδες από αυτά τα νημάτια στριφογυρίζονται μαζί για να σχηματίσουν ένα ενιαίο ε-σπείρωμα που είναι συνήθως μικρότερο από μισό χιλιοστό.
Αυτά τα e-threads μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν με κοινό εμπορικό εξοπλισμό κεντήματος - τις ίδιες μηχανές συρραφής που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι που χρησιμοποιούν καθημερινά οι άνθρωποι για να βάλουν τα ονόματά τους σε αθλητικά μπουφάν και μπλούζες. Οι κεντημένες κεραίες είναι ελαφρές και εξίσου καλές με τους άκαμπτους χάλκινους ομολόγους τους και μπορούν να είναι τόσο περίπλοκες όσο οι υπερσύγχρονες πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων.
Οι κεραίες ε-κλωστών μπορούν ακόμη και να συνδυαστούν με κανονικά νήματα σε πιο περίπλοκα σχέδια, όπως η ενσωμάτωση κεραιών σε εταιρικά λογότυπα ή άλλα σχέδια. Ήμασταν σε θέση να ζωγραφίζουμε κεραίες σε υφάσματα τόσο λεπτό όσο organza και τόσο παχύ όσο Kevlar. Μόλις κεντηθούν, τα καλώδια μπορούν να συνδεθούν σε αισθητήρες και μπαταρίες με παραδοσιακές συγκολλήσεις ή εύκαμπτες διασυνδέσεις που συνδέουν τα στοιχεία μαζί.
Μέχρι στιγμής έχουμε καταφέρει να δημιουργήσουμε έξυπνα καπέλα που διαβάζουν βαθιά σήματα εγκεφάλου για ασθενείς με νόσο του Πάρκινσον ή επιληψία. Έχουμε κεντημένα μπλουζάκια με κεραίες που επεκτείνουν το φάσμα των σημάτων Wi-Fi στο κινητό τηλέφωνο του χρήστη. Επίσης, φτιάξαμε στρώματα και καλύμματα που παρακολουθούσαν το ύψος των βρεφών ώστε να εξετάζουν μια σειρά από ιατρικές παθήσεις στην παιδική ηλικία. Και έχουμε κάνει πτυσσόμενες κεραίες που μετρούν πόσο μια επιφάνεια που το ύφασμα είναι σε λυγισμένο ή ανυψωμένο.
Προχωρώντας πέρα από την κεραία
Το εργαστήριό μου συνεργάζεται επίσης με άλλους ερευνητές του Κράτους του Οχάιο, όπως ο χημικός Anne Co και ο γιατρός Chandan Sen, για να κατασκευάσουν ευέλικτες μικροσκοπικές γεννήτριες ισχύος με βάση το ύφασμα.
Εκτυπώνονται σε ύφασμα, τα μέταλλα μπορούν να παράγουν ενέργεια. (ElectroScience Lab, CC BY-ND) Χρησιμοποιούμε μια διαδικασία παρόμοια με την εκτύπωση inkjet για να τοποθετήσουμε εναλλασσόμενες περιοχές από ασήμι και σημεία ψευδαργύρου στο ύφασμα. Όταν αυτά τα μέταλλα έρχονται σε επαφή με ιδρώτα, αλατούχο ή ακόμα και υγρό απόβλητα από τραύματα, το ασήμι λειτουργεί ως το θετικό ηλεκτρόδιο και ο ψευδάργυρος χρησιμεύει ως το αρνητικό ηλεκτρόδιο - και η ροή του ηλεκτρισμού μεταξύ τους.
Δημιουργήσαμε μικρές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας μόνο με την υγρασία του υφάσματος - χωρίς την ανάγκη για πρόσθετα κυκλώματα ή εξαρτήματα. Είναι μια πλήρως εύκαμπτη πλένεται πηγή ενέργειας που μπορεί να συνδεθεί με άλλα φορητά ηλεκτρονικά, εξαλείφοντας την ανάγκη για συμβατικές μπαταρίες.
Τόσο μαζί όσο και μεμονωμένα, αυτά τα ευέλικτα, φορητά ηλεκτρονικά μετασχηματίζουν τα είδη ένδυσης σε συνδεδεμένες, αισθητήριες, επικοινωνούντες συσκευές που ταιριάζουν καλά με το ύφασμα του διασυνδεδεμένου 21ου αιώνα.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Ασίμινα Κιουρί, Επίκουρη Καθηγήτρια Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο του Οχάιο
