Электронный текстиль
Е-ткани (известны также под термином «электронная ткань» или «умная ткань») — вид текстиля, содержащий электронику (включая небольшие компьютеры), и 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 электронных компонентов, таких как микрокомпьютеры, датчики или включатели в ткани.
Такого рода технологии объединяются под общим термином Файбертроника (англ. fiber — волокна и electorincs — электроника). Данная дисциплина занимается изучением применения возможностей электроники при производстве тканей.
История
[править | править код]Основные материалы, необходимые для создания электронного текстиля, проводящих нитей и тканей, существуют уже более 1000 лет. В частности, ремесленники веками обертывали тонкую металлическую фольгу, чаще всего золотую и серебряную, вокруг нитей ткани[1]. Например, многие платья королевы Елизаветы I были расшиты золотыми нитями.
В конце 19 века, по мере того как люди развивались и привыкали к электрическим приборам, дизайнеры и инженеры начали сочетать электричество с одеждой и ювелирными изделиями — разрабатывая серию светящихся и моторизованных ожерелий, шляп, брошей и костюмов[2][3]. Например, в конце 1800-х годов человек мог нанять молодых женщин, одетых в вечерние платья со светлыми заклепками, в компании Electric Girl Lighting для проведения коктейльных вечеринок[4].
В 1968 году Музей современного ремесла в Нью-Йорке провел новаторскую выставку под названием «Покрытие тела», посвященную взаимосвязи между технологией и одеждой. На шоу были представлены скафандры астронавтов вместе с одеждой, которая могла надуваться и сдуваться, загораться, нагреваться и охлаждаться[5]. Особого внимания в этой коллекции заслуживает работа Дианы Дью, дизайнера, создавшего линию электронной моды, включающую электролюминесцентные вечерние платья и пояса, которые могли издавать тревожные сирены[6].
В 1985 году изобретатель Гарри Уэйнрайт создал первую полностью анимированную толстовку. Рубашка состояла из волоконной оптики, проводов и микропроцессора для управления отдельными кадрами анимации. В результате на поверхности рубашки появился полноцветный мультфильм. В 1995 году Уэйнрайт изобрел первую машину, позволяющую обрабатывать волоконную оптику в ткани, процесс, необходимый для производства, достаточный для массового рынка, а в 1997 году нанял немецкого конструктора машин Герберта Сельбаха из Selbach Machinery для производства первого в мире станка с ЧПУ, способного автоматически имплантировать волоконную оптику в любой гибкий материал. Получив первый из дюжины патентов, основанных на светодиодных/оптических дисплеях и оборудовании в 1989 году, первые станки с ЧПУ были запущены в производство в 1998 году, начиная с производства анимационных пальто для парков Диснея в 1998 году. Первые куртки для ЭКГ с биофизическим дисплеем, использующие светодиодные/оптические дисплеи, были созданы Уэйнрайтом и Дэвидом Бычковым, генеральным директором Exmovere в то время в 2005 году с использованием датчиков GSR в часах, подключенных через Bluetooth к встроенному дисплею для машинной стирки в джинсовой куртке, и были продемонстрированы на конференции Smart Fabrics, состоявшейся в Вашингтоне, округ Колумбия, 7 мая 2007 года. Дополнительные технологии интеллектуальных тканей были представлены Уэйнрайтом на двух конференциях Flextech по гибким дисплеям, проведенных в Финиксе, штат Аризона, на которых были продемонстрированы инфракрасные цифровые дисплеи, встроенные в ткани для IFF (Идентификация друга или врага), которые были представлены BAE Systems для оценки в 2006 году и получили награду «Почетное упоминание» от НАСА в 2010 году за их технические резюме, конкурс «Дизайн будущего». Сотрудники Массачусетского технологического института приобрели несколько полностью анимированных пальто для своих исследователей, чтобы надеть их на демонстрации в 1999 году, чтобы привлечь внимание к их исследованиям «Носимых компьютеров». Уэйнрайту было поручено выступить на конференции текстильщиков и колористов в Мельбурне, Австралия, 5 июня 2012 года, где его попросили продемонстрировать свои творения из ткани, которые меняют цвет с помощью любого смартфона, указывают абонентов на мобильных телефонах без цифрового дисплея и содержат функции безопасности Wi-Fi, которые защищают кошельки и личные вещи от кражи.
В середине 1990-х годов группа исследователей Массачусетского технологического института во главе со Стивом Мэнном, Тэдом Старнером и Сэнди Пентландом начала разрабатывать то, что они назвали носимыми компьютерами. Эти устройства состояли из традиционного компьютерного оборудования, прикрепленного к телу и носимого на нем. В ответ на технические, социальные и дизайнерские проблемы, с которыми столкнулись эти исследователи, другая группа в Массачусетском технологическом институте, в которую входили Мэгги Орт и Реми Пост, начала изучать, как такие устройства могут быть более изящно интегрированы в одежду и другие мягкие подложки. Среди других разработок эта команда исследовала интеграцию цифровой электроники с проводящими тканями и разработала метод вышивания электронных схем[7][8]. Один из первых коммерчески доступных носимых микроконтроллеров на базе Arduino, называемый Lilypad Arduino, также был создан в MIT Media Lab Лией Бучли.
Дома моды, такие как CuteCircuit, используют электронный текстиль для своих коллекций высокой моды и специальных проектов. Рубашка для объятий CuteCircuit позволяет пользователю отправлять электронные объятия через датчики внутри одежды.
Обзор
[править | править код]Существует два вида интеграции электронных компонентов и тканей:
- Электронный текстиль, содержащий электронное оборудование (проводники, интегральные схемы, ЖК-дисплеи и аккумуляторы, которые встраиваются непосредственно в предметы одежды)[9].
- Электронный текстиль, который уже сам состоит из электронных материалов[10]. Например, его волокна могут содержать проводники, резисторы, транзисторы или диоды.
Электронный текстиль — это в основном проводящая пряжа, текстиль и ткани, в то время как другая половина поставщиков и производителей использует проводящие полимеры, такие как полиацетилен и полифениленвинилен[11].
Большинство исследовательских и коммерческих проектов в области электронного текстиля представляют собой гибриды, в которых электронные компоненты, встроенные в текстиль, подключены к классическим электронным устройствам или компонентам. Некоторыми примерами являются сенсорные кнопки, которые полностью выполнены в текстильных формах с использованием проводящих текстильных переплетений, которые затем подключаются к устройствам, таким как музыкальные проигрыватели или светодиоды, которые установлены на тканых проводящих волоконных сетях для формирования дисплеев[12].
Печатные датчики как для физиологического, так и для экологического мониторинга были интегрированы в текстиль[13], включая хлопок[14], Gore-Tex[15] и неопрен[16].
Датчики
[править | править код]Умная текстильная ткань может быть изготовлена из материалов, начиная от традиционного хлопка, полиэстера и нейлона и заканчивая современным кевларом со встроенными функциями. В настоящее время, однако, представляют интерес ткани с электропроводностью. Электропроводящие ткани были получены путем осаждения наночастиц металла вокруг тканых волокон и тканей. Полученные металлические ткани являются проводящими, гидрофильными и имеют высокую электроактивную площадь поверхности. Эти свойства делают их идеальными субстратами для электрохимического биосенсирования, что было продемонстрировано при обнаружении ДНК и белков[17].
Существует два вида интеллектуальных текстильных (тканевых) продуктов, которые были разработаны и изучены для мониторинга состояния здоровья: ткань с сенсорной электроникой на текстильной основе и ткань, которая охватывает традиционную сенсорную электронику. Было показано, что плетение может быть использовано для включения электропроводящей нити в ткань для получения ткани, которую можно использовать в качестве «носимой материнской платы». Он может подключать несколько датчиков на теле, таких как электроды ЭКГ с влажным гелем, к электронике сбора сигналов. Более поздние исследования показали, что проводящие нити могут сыграть важную роль в изготовлении датчиков на текстильной основе, изготовленных из ткани или металлических сеток, покрытых серебром или проводящими металлическими сердечниками, вплетенными в ткань.
В исследованиях существует два широких подхода к изготовлению одежды с электродами датчика ЭКГ:
- Готовая одежда за счет функционализации или интеграции готовой одежды с сенсорными элементами. Этот подход предполагает интеграцию готовых электродов в готовую одежду путем простого сшивания электродов в соответствующих местах на одежде или использования методов осаждения для переноса функциональных материалов в соответствующие места.
- Незаконченная одежда. Внедрение интеллектуальных материалов в процессе изготовления одежды. Этот законченный подход предполагает использование технологий изготовления текстиля для формирования тканых или нетканых материалов с включением функциональных материалов[18].
Волоконная электроника
[править | править код]Как и в классической электронике, создание электронных возможностей на текстильных волокнах требует использования проводящих и полупроводящих материалов, таких как токопроводящий текстиль. Сегодня существует ряд коммерческих волокон, которые включают металлические волокна, смешанные с текстильными волокнами, с образованием проводящих волокон, которые могут быть сотканы или сшиты[19]. Однако, поскольку и металлы, и классические полупроводники являются жесткими материалами, они не очень подходят для применения в текстильных волокнах, поскольку волокна подвергаются сильному растяжению и изгибу во время использования.
Одна из наиболее важных проблем электронного текстиля заключается в том, что волокна должны быть моющимися. Таким образом, электрические компоненты должны быть изолированы во время стирки, чтобы предотвратить повреждение[20].
Новым классом электронных материалов, которые больше подходят для электронного текстиля, является класс органических электронных материалов, поскольку они могут быть как проводящими, так и полупроводящими, и выполнены в виде чернил и пластмасс.
Некоторые из наиболее продвинутых функций, которые были продемонстрированы в лаборатории, включают:
- Транзисторы из органического волокна[21][22]: первый транзистор из текстильного волокна, полностью совместимый с текстильным производством и вообще не содержащий металлов.
- Органические солнечные элементы на волокнах[23].
См. также
[править | править код]Ссылки
[править | править код]- «Ткани высоких технологий» // «Новая газета» (Швейцария)
- Телемедицина. Умный, интерактивный, многофункциональный текстиль
- Одежда из будущего
Примечания
[править | править код]- ↑ Textiles, 5,000 years: an international history and illustrated survey // Choice Reviews Online. — 1993-12-01. — Т. 31, вып. 04. — С. 31–1923-31-1923. — ISSN 1523-8253 0009-4978, 1523-8253. — doi:10.5860/choice.31-1923.
- ↑ Carolyn Marvin. Introduction // When Old Technologies Were New. — Oxford University Press, 1990-10-25.
- ↑ Julie Codell. Jewellery in the Age of Queen Victoria: A Mirror to the World by Charlotte Gere and Judy Rudoe // Victorian Review. — 2012. — Т. 38, вып. 1. — С. 218–220. — ISSN 1923-3280. — doi:10.1353/vcr.2012.0017.
- ↑ CBS News/New York Times Callback Survey, November #1, 2012. ICPSR Data Holdings (8 июля 2013). Дата обращения: 18 октября 2021.
- ↑ John Harlan Warren. Museum of Sex New York, NY: 233 Fifth Avenue, New York, NY 10016 // Curator: The Museum Journal. — 2003-01. — Т. 46, вып. 1. — С. 80–83. — ISSN 2151-6952 0011-3069, 2151-6952. — doi:10.1111/j.2151-6952.2003.tb00078.x.
- ↑ Hexel Vasco. Commissioning Original Music // The Film and Media Creators’ Guide to Music. — New York, NY: Routledge, 2018.: Routledge, 2018-10-10. — С. 150–188.
- ↑ E. R. Post, M. Orth, P. R. Russo, N. Gershenfeld. E-broidery: Design and fabrication of textile-based computing // IBM Systems Journal. — 2000. — Т. 39, вып. 3.4. — С. 840–860. — ISSN 0018-8670. — doi:10.1147/sj.393.0840. Архивировано 20 октября 2021 года.
- ↑ Rigidifiable flexible element and articles made therefrom // Composites. — 1979-10. — Т. 10, вып. 4. — С. 248. — ISSN 0010-4361. — doi:10.1016/0010-4361(79)90106-x.
- ↑ Wei Weng, Peining Chen, Sisi He, Xuemei Sun, Huisheng Peng. Smart Electronic Textiles // Angewandte Chemie International Edition. — 2016-03-23. — Т. 55, вып. 21. — С. 6140–6169. — ISSN 1433-7851. — doi:10.1002/anie.201507333.
- ↑ Anja Lund, Yunyun Wu, Benji Fenech-Salerno, Felice Torrisi, Tricia Breen Carmichael. Conducting materials as building blocks for electronic textiles // MRS Bulletin. — 2021-06. — Т. 46, вып. 6. — С. 491–501. — ISSN 1938-1425 0883-7694, 1938-1425. — doi:10.1557/s43577-021-00117-0.
- ↑ Figure 10.1. Global players in cotton markets (2029). dx.doi.org. Дата обращения: 18 октября 2021.
- ↑ Original Frame of Organizational Model from the Chinese Traditional Philosophy // Chinese Business Review. — 2007-02-28. — Т. 06, вып. 02. — ISSN 1537-1506 1537-1506, 1537-1506. — doi:10.17265/1537-1506/2007.02.012. Архивировано 24 октября 2021 года.
- ↑ Joshua Ray Windmiller, Joseph Wang. Wearable Electrochemical Sensors and Biosensors: A Review (англ.) // Electroanalysis. — 2013-01. — Vol. 25, iss. 1. — P. 29–46. — doi:10.1002/elan.201200349. Архивировано 11 сентября 2020 года.
- ↑ Yang-Li Yang, Min-Chieh Chuang, Shyh-Liang Lou, Joseph Wang. Thick-film textile-based amperometric sensors and biosensors (англ.) // The Analyst. — 2010. — Vol. 135, iss. 6. — P. 1230. — ISSN 1364-5528 0003-2654, 1364-5528. — doi:10.1039/b926339j.
- ↑ Min-Chieh Chuang, Joshua Ray Windmiller, Padmanabhan Santhosh, Gabriela Valdés Ramírez, Michal Galik. Textile-based Electrochemical Sensing: Effect of Fabric Substrate and Detection of Nitroaromatic Explosives (англ.) // Electroanalysis. — 2010-11. — Vol. 22, iss. 21. — P. 2511–2518. — doi:10.1002/elan.201000434.
- ↑ Kerstin Malzahn, Joshua Ray Windmiller, Gabriela Valdés-Ramírez, Michael J. Schöning, Joseph Wang. Wearable electrochemical sensors for in situ analysis in marine environments (англ.) // The Analyst. — 2011. — Vol. 136, iss. 14. — P. 2912. — ISSN 1364-5528 0003-2654, 1364-5528. — doi:10.1039/c1an15193b.
- ↑ Max Grell, Can Dincer, Thao Le, Alberto Lauri, Estefania Nunez Bajo. Autocatalytic Metallization of Fabrics Using Si Ink, for Biosensors, Batteries and Energy Harvesting (англ.) // Advanced Functional Materials. — 2019-01. — Vol. 29, iss. 1. — P. 1804798. — doi:10.1002/adfm.201804798. Архивировано 18 октября 2021 года.
- ↑ Prashanth Shyamkumar, Pratyush Rai, Sechang Oh, Mouli Ramasamy, Robert Harbaugh. Wearable Wireless Cardiovascular Monitoring Using Textile-Based Nanosensor and Nanomaterial Systems (англ.) // Electronics. — 2014-08-19. — Vol. 3, iss. 3. — P. 504–520. — ISSN 2079-9292. — doi:10.3390/electronics3030504. Архивировано 20 октября 2021 года.
- ↑ Ozgur Atalay, William Kennon, Muhammad Husain. Textile-Based Weft Knitted Strain Sensors: Effect of Fabric Parameters on Sensor Properties (англ.) // Sensors. — 2013-08-21. — Vol. 13, iss. 8. — P. 11114–11127. — ISSN 1424-8220. — doi:10.3390/s130811114. Архивировано 19 октября 2021 года.
- ↑ Marina Sala de Medeiros, Daniela Chanci, Carolina Moreno, Debkalpa Goswami, Ramses V. Martinez. Waterproof, Breathable, and Antibacterial Self‐Powered e‐Textiles Based on Omniphobic Triboelectric Nanogenerators (англ.) // Advanced Functional Materials. — 2019-10. — Vol. 29, iss. 42. — P. 1904350. — ISSN 1616-3028 1616-301X, 1616-3028. — doi:10.1002/adfm.201904350. Архивировано 18 октября 2021 года.
- ↑ Mahiar Hamedi, Lars Herlogsson, Xavier Crispin, Rebeca Marcilla, Magnus Berggren. Electronic Textiles: Fiber-Embedded Electrolyte-Gated Field-Effect Transistors for e-Textiles (Adv. Mater. 5/2009) (англ.) // Advanced Materials. — 2009-02-02. — Vol. 21, iss. 5. — P. n/a–n/a. — doi:10.1002/adma.200990013. Архивировано 18 октября 2021 года.
- ↑ Mahiar Hamedi, Robert Forchheimer, Olle Inganäs. Towards woven logic from organic electronic fibres (англ.) // Nature Materials. — 2007-05. — Vol. 6, iss. 5. — P. 357–362. — ISSN 1476-4660 1476-1122, 1476-4660. — doi:10.1038/nmat1884. Архивировано 19 октября 2021 года.
- ↑ Michael R. Lee, Robert D. Eckert, Karen Forberich, Gilles Dennler, Christoph J. Brabec. Solar Power Wires Based on Organic Photovoltaic Materials (англ.) // Science. — 2009-04-10. — Vol. 324, iss. 5924. — P. 232–235. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.1168539. Архивировано 18 октября 2021 года.