منسوجات الکترونیکی

تصویر: ال ای دی ها و فیبر نوری به عنوان بخشی از مد
 
منسوجات الکترونیکی (اغلب با منسوجات هوشمند اشتباه گرفته می‌شوند) پارچه‌هایی هستند که امکان تعبیه قطعات دیجیتالی مانند باتری و چراغ (از جمله رایانه‌های کوچک) و لوازم الکترونیکی را در آنها فراهم می‌کنند. «منسوجات هوشمند» پارچه‌هایی هستند که با فناوری‌های جدیدی تولید شده‌اند که ارزش افزوده‌ای را برای استفاده‌کننده فراهم می‌کنند. پایلز فریدمن از مؤسسه Pratt  بیان می کند که "آنچه پارچه های هوشمند را انقلابی می کند این است که آنها توانایی انجام بسیاری از کارهایی را دارند که پارچه های سنتی نمی توانند انجام دهند، از جمله برقراری ارتباط، تبدیل، هدایت انرژی و حتی رشد".
 
منسوجات هوشمند را می توان به دو دسته تقسیم کرد: زیبایی شناسی و افزایش عملکرد. نمونه های زیبایی شناسی شامل پارچه هایی است که روشن می شوند و پارچه هایی که می توانند رنگ را تغییر دهند. برخی از این پارچه ها با مهار ارتعاشات، صدا یا گرما و واکنش به این ورودی ها انرژی را از محیط جمع آوری می کنند. طرح تغییر رنگ و نور نیز می تواند با تعبیه پارچه با وسایل الکترونیکی که می تواند آن را تغذیه کند، کار کند. منسوجات هوشمند افزایش دهنده عملکرد برای استفاده در برنامه های ورزشی، ورزش های شدید و امور نظامی در نظر گرفته شده اند. اینها شامل پارچه‌هایی است که برای تنظیم دمای بدن، کاهش مقاومت باد و کنترل لرزش ماهیچه‌ها طراحی شده‌اند – که همگی ممکن است عملکرد ورزشی را بهبود بخشند. پارچه‌های دیگری برای لباس‌های محافظ ساخته شده‌اند تا از خطرات شدید محیطی مانند تشعشعات و اثرات سفر فضایی محافظت کنند. صنعت بهداشت و زیبایی نیز از این نوآوری‌ها بهره می‌برد که منسوجات پزشکی آزادکننده دارو تا پارچه‌هایی با خواص مرطوب‌کننده، عطر و ضد پیری را شامل می‌شود. بسیاری از پروژه‌های لباس‌های هوشمند، فناوری‌های پوشیدنی و محاسباتی پوشیدنی شامل استفاده از منسوجات الکترونیکی می‌شوند.
 
منسوجات الکترونیکی متمایز از محاسبات پوشیدنی هستند زیرا در آنها تاکید بر ادغام یکپارچه منسوجات با عناصر الکترونیکی مانند میکروکنترلرها، حسگرها و محرک‌ها است. علاوه بر این، منسوجات الکترونیکی نیازی به پوشیدن ندارند. به عنوان مثال، منسوجات الکترونیکی همچنین در طراحی داخلی یافت می شوند.
 
حوزه مرتبط فیبرترونیک به بررسی چگونگی ادغام عملکردهای الکترونیکی و محاسباتی در الیاف نساجی می پردازد.
 
گزارش جدیدی از سینتیفیکا ریسرچ بازارهای فناوری‌های پوشیدنی مبتنی بر نساجی، شرکت‌های تولیدکننده آن‌ها و فناوری‌های فعال را بررسی می‌کند. این گزارش سه نسل متمایز از فناوری‌های پوشیدنی نساجی را شناسایی می‌کند:
 
"نسل اول" یک سنسور را به پوشاک متصل می کند. این رویکرد در حال حاضر توسط برندهای پوشاک ورزشی مانند آدیداس، نایک و آندر آرمور اتخاذ شده است
محصولات "نسل دوم" حسگر را در لباس جاسازی می کنند، همان طور که محصولات فعلی سامسونگ، آلفابت، رالف لورن و فلکس نشان داده اند.
در پوشیدنی های «نسل سوم»، لباس، حسگر است. تعداد فزاینده ای از شرکت ها در حال ایجاد حسگرهای فشار، استرس و دما برای این منظور هستند.
 
کاربردهای آینده برای منسوجات الکترونیکی ممکن است برای محصولات ورزشی و رفاهی و تجهیزات پزشکی برای نظارت بر بیمار توسعه یابد. منسوجات فنی، مد و سرگرمی همچنین کاربردهای مهمی خواهند داشت.
 

تاریخچه

مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت منسوجات الکترونیکی، نخ های رسانا و پارچه ها، بیش از 1000 سال است که وجود داشته است. به‌ویژه، صنعتگران قرن‌هاست که فویل‌های فلزی ظریف، اغلب طلا و نقره، دور تارهای پارچه می‌پیچند. برای مثال، بسیاری از لباس‌های ملکه الیزابت اول با نخ‌های طلا دوزی شده بودند.
 
در پایان قرن نوزدهم، زمانی که مردم پیشرفت و به وسایل برقی عادت کردند، طراحان و مهندسان شروع به ترکیب برق با لباس و جواهرات کردند – و یک سری گردنبند، کلاه، سنجاق و لباس‌های نورانی و موتوردار ساختند.
 
در سال 1968، موزه صنایع دستی معاصر در شهر نیویورک، نمایشگاهی به نام Body Covering برگزار کرد که بر رابطه بین فناوری و پوشاک متمرکز بود. این نمایش شامل لباس‌های فضایی فضانوردان به همراه لباس‌هایی بود که می‌توانست باد شود و بادش تخلیه شود، روشن شود، و خودش را گرم و خنک کند. به ویژه در این مجموعه قابل توجه، کار دیانا دیو بود، طراحی که خطی از مدهای الکترونیکی ایجاد کرد، از جمله لباس‌های مهمانی الکترولومینسانس و کمربندهایی که می‌توانستند آژیرهای هشدار را به صدا در آورند.
 
در سال 1985، مخترع، هری وین رایت، اولین سویشرت کاملا متحرک را ساخت. این پیراهن از فیبرهای نوری، هدایت ها و یک ریزپردازنده برای کنترل فریم‌های تکی انیمیشن تشکیل شده بود. نتیجه، کاریکاتوری تمام رنگی بود که روی سطح پیراهن نمایش داده می شد. در سال 1995، Wainwright  اولین ماشینی را اختراع کرد که فیبر نوری را قادر می ساخت تا به پارچه تبدیل شود، فرآیندی که برای تولید کافی برای بازارهای انبوه مورد نیاز بود و در سال 1997، یک طراح ماشین آلمانی به نام Herbert Selbach  را از Selbach Machinery برای تولید در جهان استخدام کرد. اولین دستگاه CNC  قادر به کاشت خودکار فیبر نوری در هر ماده انعطاف پذیر بود. با دریافت اولین حق ثبت اختراع از ده ها اختراع بر اساس نمایشگرها و ماشین آلات LED/Optic در سال 1989، اولین ماشین های CNC در سال 1998 با تولید کت های متحرک برای پارک های دیزنی در سال 1998 شروع به تولید کردند. اولین ژاکت های نمایش بیوفیزیکیECG ، با استفاده از LED  نمایشگرهای نوری، توسط Wainwright و David Bychkov، مدیر عامل Exmovere در آن زمان، در سال 2005 با استفاده از حسگرهای GSR در ساعتی که از طریق بلوتوث به صفحه نمایش قابل شستشو در ماشین لباسشویی تعبیه شده در یک ژاکت جین متصل شده بود، ایجاد شد و در کنفرانس پارچه های هوشمند که در واشنگتن دی سی در مه 2007 برگزار شد به نمایش گذاشته شد. فناوری‌های پارچه هوشمند اضافی توسط Wainwright در دو کنفرانس Flextech Flexible Display  که در فینیکس، AZ  برگزار شد، رونمایی شد که نمایشگرهای دیجیتال مادون قرمز را نشان می‌دهد که در پارچه‌ها برای IFF (شناسایی دوست یا دشمن (Identification of Friend or Foe)) تعبیه شده بود که به سیستم های BAE برای ارزیابی در سال 2006 ارسال شد و در سال 2010 برنده جایزه "اشاره به افتخار" از ناسا در مسابقه مختصر فنی آن، "طراحی آینده"، شدند. پرسنل MIT چندین کت کاملاً متحرک برای محققان خود خریداری کردند تا در نمایش های خود در سال 1999 بپوشند تا توجه خود را به تحقیقات "رایانه پوشیدنی" جلب کنند. Wainwright در 5 ژوئن 2012 به کنفرانس نساجی و رنگ‌گرایان در ملبورن استرالیا مأموریت یافت که در آن از او خواسته شد تا پارچه‌های خود را که با استفاده از هر گوشی هوشمند تغییر رنگ می‌دهند، نشان‌دهد.
 
در اواسط دهه 1990، تیمی از محققان MIT به رهبری استیو مان، تاد استارنر و سندی پنتلند شروع به توسعه آنچه که کامپیوترهای پوشیدنی نامیدند، کردند. این دستگاه‌ها شامل سخت‌افزار رایانه‌ای سنتی بود که به بدنه متصل می‌شد و روی آن حمل می‌شد. در پاسخ به چالش‌های فنی، اجتماعی و طراحی که این محققان با آن مواجه بودند، گروه دیگری درMIT، که شامل Maggie Orth  و Rehmi Post می‌شد، شروع به کاوش کردند که چگونه چنین دستگاه‌هایی می‌توانند با زیبایی بیشتری در لباس و دیگر لایه‌های نرم ادغام شوند. در میان پیشرفت‌های دیگر، این تیم یکپارچه‌سازی الکترونیک دیجیتال با پارچه‌های رسانا را بررسی کرد و روشی را برای گلدوزی مدارهای الکترونیکی توسعه داد. یکی از اولین میکروکنترلرهای پوشیدنی مبتنی بر آردوینو که Lilypad Arduino نام دارد نیز در آزمایشگاه رسانه MIT توسط لیا بوچلی ساخته شد.

بررسی اجمالی

حوزه منسوجات الکترونیکی را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:
 
* منسوجات الکترونیکی با وسایل الکترونیکی کلاسیک مانند رساناها، مدارهای مجتمع، ال ای دی، OLED  و باتری های معمولی که در لباس ها جاسازی شده اند.
* منسوجات الکترونیکی با وسایل الکترونیکی که مستقیماً در زیرلایه‌های نساجی ادغام شده‌اند. این می تواند شامل الکترونیک غیرفعال مانند هادی ها و مقاومت ها یا اجزای فعال مانند ترانزیستورها، دیودها و سلول های خورشیدی باشد.
 
منسوجات الکترونیکی عمدتاً نخ، منسوجات و پارچه رسانا هستند در حالی که نیمی دیگر از تأمین کنندگان و تولیدکنندگان از پلیمرهای رسانا مانند پلی استیلن و پلی فنیلن وینیلن استفاده می کنند.
 
اکثر پروژه های تحقیقاتی و تجاری نساجی الکترونیکی ترکیبی هستند که در آن قطعات الکترونیکی تعبیه شده در منسوجات به دستگاه ها یا قطعات الکترونیکی کلاسیک متصل می شوند. برخی از نمونه‌ها دکمه‌های لمسی هستند که با استفاده از بافت‌های منسوجات رسانا به طور کامل به شکل پارچه ساخته می‌شوند، که سپس به دستگاه‌هایی مانند پخش‌کننده موسیقی یا  LED‌هایی که بر روی شبکه‌های فیبر رسانای بافته شده برای تشکیل نمایشگر نصب می‌شوند، متصل می‌شوند.
 
حسگرهای چاپی برای نظارت فیزیولوژیکی و محیطی در منسوجات، از جمله پنبه، گورتکس، و نئوپرن، ادغام شده‌اند.

حسگرها

پارچه های نساجی هوشمند را می توان از موادی از پنبه سنتی، پلی استر و نایلون تا کولار (Kevlar) پیشرفته با قابلیت های یکپارچه تهیه کرد. اما در حال حاضر پارچه هایی با رسانایی الکتریکی مورد توجه هستند. پارچه های رسانای الکتریکی با رسوب نانوذرات فلزی در اطراف الیاف و پارچه های بافته شده تولید شده اند. پارچه های فلزی به دست آمده، رسانا، آبدوست و دارای سطح بالای الکترواکتیوی هستند. این ویژگی‌ها آنها را به بسترهای ایده‌آل برای سنجش زیستی الکتروشیمیایی تبدیل می‌کند، که با تشخیص DNA و پروتئین‌ها نشان داده شده است.
 
دو نوع محصول هوشمند نساجی (پارچه) وجود دارد که برای نظارت بر سلامت توسعه یافته و مورد مطالعه قرار گرفته‌اند: پارچه‌ای با حسگرهای الکترونیکی مبتنی بر منسوج و پارچه‌ای که الکترونیک سنسورهای سنتی را پوشش می‌دهد. نشان داده شده است که بافندگی می تواند برای ترکیب نخ رسانای الکتریکی در پارچه برای به دست آوردن منسوجاتی که می توانند به عنوان "مادربرد پوشیدنی" استفاده شوند، استفاده شود. این می تواند چندین سنسور روی بدن مانند الکترودهای ژل ECG مرطوب را به تجهیزات الکترونیکی دریافت سیگنال متصل کند. تحقیقات بعدی نشان داد که نخ‌های رسانا می‌توانند در ساخت حسگرهای پارچه‌ای ساخته شده از منسوج یا مش‌های فلزی که با نقره یا هسته‌های فلزی رسانای بافته شده در پارچه پوشانده شده‌اند، مفید باشند.
 
دو رویکرد گسترده برای ساخت لباس با الکترودهای حسگر ECG در تحقیقات وجود دارد:
 
* پوشاک تمام شده از طریق عملکردی کردن یا ادغام لباس های تمام شده با عناصر حسگر. این رویکرد شامل ادغام الکترودهای تمام‌شده در لباس‌های تمام‌شده با دوختن الکترودها در مکان‌های مناسب روی لباس یا استفاده از تکنیک‌های رسوب‌گذاری برای انتقال مواد کاربردی در مکان‌های مناسب است.
 
* لباس های ناتمام. معرفی مواد هوشمند در فرآیند تولید پوشاک. این رویکرد ناتمام مستلزم استفاده از تکنیک‌های ساخت پارچه برای تشکیل پارچه‌های بافته یا نبافته با گنجاندن مواد کاربردی است.
 

فیبرترونیک

درست مانند الکترونیک کلاسیک، ساخت قابلیت های الکترونیکی بر روی الیاف نساجی مستلزم استفاده از مواد رسانا و نیمه رسانا مانند منسوجات رسانا است، برای تشکیل الیاف رسانا که می توانند بافته یا دوخته شوند. با این حال، از آن جایی که هم فلزات و هم نیمه هادی های کلاسیک موادی سفت هستند، برای کاربردهای الیاف نساجی چندان مناسب نیستند، زیرا الیاف در حین استفاده در معرض کشش و خمش زیادی قرار می گیرند.
 
پوشیدنی‌های هوشمند دستگاه‌هایی الکترونیکی متصل به مصرف‌کننده هستند که ممکن است در لباس جاسازی شوند.
 
یکی از مهمترین مسائل منسوجات الکترونیکی این است که الیاف باید قابل شستشو باشند. بنابراین، اجزای الکتریکی باید در طول شستشو عایق بندی شده باشند تا از آسیب جلوگیری شود.
 
دسته جدیدی از مواد الکترونیکی که برای منسوجات الکترونیکی مناسب ترند، دسته مواد الکترونیکی آلی هستند، زیرا می توانند رسانا و نیمه رسانا باشند و به صورت جوهر و پلاستیک طراحی شوند.
 
برخی از پیشرفته ترین عملکردهایی که در ابم رابطه در آزمایشگاه نشان داده شده اند عبارتند از:
 
* ترانزیستورهای الیاف آلی: اولین ترانزیستور فیبر نساجی که کاملاً با تولید پارچه سازگار است و اصلاً فلزی ندارد.
 
* سلول های خورشیدی آلی روی الیاف.
 

استفاده ها

* نظارت بر سلامت علائم حیاتی مانند ضربان قلب، تعداد تنفس، دما، فعالیت و وضعیت بدن
* جمع آوری داده های تمرینات ورزشی
* نظارت بر پرسنل در حال جا به جایی با مواد خطرناک
* ردیابی موقعیت و وضعیت سربازان در عمل
* کاربرد نظامی – جلیقه ضد گلوله کولار سرباز. اگر به پوشنده شلیک شود، ماده می تواند برخورد گلوله را حس کرده و یک پیام رادیویی به پایگاه بفرستد
* دیدع باتی خستگی خلبان یا راننده کامیون
* تشخیص ناراحتی ناشی از قطع عضو
* مد نوآورانه (فناوری پوشیدنی)
* ادراک حسی را که قبلاً بر اثر تصادف یا تولد از دست داده بودید، بازیابی می کنید.
 
در واقع برخی سردرگمی‌ها و شگفتی‌های طولانی در مورد آنچه که منسوجات الکترونیکی می‌توانند انجام دهند وجود دارد. به طور خاص، مردم اغلب از خود می پرسند که چگونه این فناوری می تواند زندگی آنها را آسان تر کند. این سوالی نیست که بتوان به سادگی به آن پاسخ داد، زیرا منسوجات الکترونیکی کاربردها و عملکردهای مختلفی دارند. منسوجات الکترونیکی یک فناوری اساسی هستند، به این معنی که بخشی از یک محصول بزرگتر هستند.
 
یک منسوج الکترونیکی مداری است که یا در یک پارچه ساخته می شود، یا به قصد ادغام در یک پارچه ایجاد می شود. گستره کاربردهای منسوجات الکترونیکی گسترده است و نقش زیادی در ساده‌سازی کارهای روزمره دارند. منسوجات الکترونیکی نقش مهمی را در پزشکی، ایمنی و عملکرد، در میان اهدافی متعدد، ایفا می کنند از جمله در این موارد مهم زیر:
 
* پایش سلامت که شاید بهترین کاربرد منسوجات الکترونیکی در پزشکی باشد، و به طور خاص، نظارت بر شرایط بهداشتی. در حال حاضر، پوشیدنی‌های پزشکی وجود دارند که برای نظارت بر چندین جنبه از سلامت فرد مانند فشار خون، ضربان قلب و علائم بیماری اختراع شده‌اند.  
* ایمنی کارگران و ایمنی شغلی. یک کاربرد فرضی برای کارگران ساختمانی است که در اواخر شب در خارج از منزل کار می کنند. چراغ‌های ال‌ای‌دی را می‌توان به یک یونیفرم چسباند و وقتی هوا تاریک می‌شود، به‌طور خودکار روشن می‌شوند و دید را بهبود می‌بخشند. همچنین یک فرستنده رادیویی خودکار به لباس هوشمند ماهیگیران نروژ اضافه شده است.
 
* رانندگی راحت با صندلی های گرم شونده که یکی از ویژگی های مطلوب در بین رانندگان است. چه کسی دوست ندارد هنگام رانندگی با گرما پوشیده شود؟ صندلی‌ها و فرمان‌های گرم شونده برای رانندگان در دماهای سرد ضروری هستند. به نظر می رسد، می توانید از e-textiles برای این فناوری تشکر کنید.
 
* عملکرد ورزشی. چندین شرکت در حال تولید پوشاک و لوازم جانبی از منسوجات هوشمند هستند که داده ها را بر اساس حرکت ورزشکاران ردیابی و ثبت می کنند. به عنوان مثال، Retisense  یک «کفی هوشمند» برای دوندگان ایجاد کرد تا آن‌ها را در کفش‌های ورزشی خود قرار دهند. کفی هوشمند می تواند به دوندگان کمک کند تا فرم خود را بهبود بخشند و از آسیب جلوگیری کنند.
 
* رابط های کاربری جدید. شبکه لمسی خازنی که به عنوان رابط کاربری روی ژاکت عمل می کند، مستقیماً در محصول بافته می شود و توانایی پاسخگویی به تماس ها، پخش موسیقی، گرفتن عکس و دریافت مسیر را با یک حرکت ساده دارد. یک «شبکه حسگر بدن بی‌سیم» که در یک لباس تعبیه شده است به دستگاه‌ها (مانند گوشی‌های هوشمند) اجازه می‌دهد داده‌ها را سریع‌تر منتقل کنند. به نوبه خود، مصرف باتری را بهبود می بخشد.
 
همان طور که اشاره شد الکترونیک نساجی هوشمند را می توان به روش های مختلف در محصولات جاسازی کرد. رایج ترین راه ها به شرح زیر است:
 
* به طور مستقیم تعبیه شده (بافته شده یا بافت به طور مستقیم در منسوجات)
 
* دوخته شده
 
* لمینت شده بر روی منسوج
 
همانطور که فناوری‌های نساجی الکترونیکی به پیشرفت خود ادامه می‌دهند، می‌توان آن‌ها را راحت‌تر در اقلامی که ما روزانه استفاده می‌کنیم ادغام کرد. پارچه‌های الکترونیکی می‌توانند مجموعه‌ای از عملکردهای هیجان‌انگیز را برای محصولات و ابزارها فراهم کنند و ماهیت سفارشی‌سازی آن‌ها به آن‌ها اجازه می‌دهد تا از یک کاربرد صنعتی فراتر بروند.
 
منبع: loomia