Arkeologia paljastaa, että ihmiset alkoivat käyttää vaatteita noin 170 000 vuotta sitten, hyvin lähellä toista viimeiseen jääkautta. Vaikka nytkin, useimmat nykyajan ihmiset käyttävät vaatteita, jotka eroavat tuskin vain varhaisimmista vaatteista. Mutta se on muuttumassa, kun joustava elektroniikka kudotaan yhä enemmän niin sanottuihin ”älykkäisiin kankaisiin”.
Monet näistä ovat jo ostettavissa, kuten säärystimet, jotka tarjoavat lempeää värähtelyä helpottamaan joogaa, T-paidat, jotka seuraavat pelaajan suorituskykyä, ja urheilukengät, jotka seuraavat sykettä. Älykkäällä kankaalla on potentiaalisesti lupaavia käyttökohteita terveydenhuollossa (potilaiden sykkeen ja verenpaineen mittaamisessa), puolustuksessa (sotilaiden terveyden ja aktiivisuuden seurannassa), autoissa (istuinten lämpötilan säätäminen matkustajien mukavuuden lisäämiseksi) ja jopa älykkäissä kaupungeissa (merkkien antaminen kommunikoimaan) ohikulkijoiden kanssa).
Ihannetapauksessa näiden vaatteiden elektroniset komponentit - anturit, antennit tietojen siirtämiseksi ja akut virransaanniksi - ovat pieniä, joustavia ja käyttäjien suuresti huomaamatta. Se pätee tänään antureihin, joista monet ovat jopa konepestäviä. Mutta suurin osa antenneista ja akkuista on jäykkiä eikä vedenpitäviä, joten ne on irrotettava vaatteista ennen pesua.
Työni Ohion osavaltion yliopiston ElectroScience -laboratoriossa tavoitteena on tehdä antenneista ja virtalähteistä, jotka ovat yhtä joustavia ja pestäviä. Erityisesti, me kirjomme elektroniikkaa suoraan kankaisiin johtavia lankoja käyttämällä, joita kutsumme ”e-langoiksi”.
Antennin kirjonta
Brodeerattu antenni (ElectroScience Lab, CC BY-ND) E-langat, joiden kanssa työskentelemme, ovat kimppu kierrettyjä polymeerfilamentteja, jotka tarjoavat lujuutta, jokaisessa on metallipohjainen päällyste sähkön johtamiseksi. Kunkin filamentin polymeerisydän on tyypillisesti valmistettu Kevlarista tai Zylonista, kun taas ympäröivä päällyste on hopeaa. Kymmeniä tai jopa satoja näitä filamentteja kierretään sitten yhteen muodostaen yhden sähkölangan, jonka poikkipinta on yleensä alle puoli millimetriä.
Näitä sähkölankoja voidaan helposti käyttää tavanomaisissa kaupallisissa kirjontalaitteissa - samoissa tietokoneilla kytketyissä ompelulaitteissa, joita ihmiset käyttävät päivittäin nimiensä kiinnittämiseen urheilutakkeihin ja puseroihin. Brodeeratut antennit ovat kevyitä ja aivan yhtä hyviä kuin niiden jäykät kuparikappaleet, ja voivat olla yhtä monimutkaisia kuin huipputekniset painetut piirilevyt.
Sähkölanka-antennimme voidaan jopa yhdistää tavanomaisiin lankoihin monimutkaisemmissa malleissa, kuten integroida antennit yrityslogoihin tai muihin malleihin. Olemme pystyneet kirjomaan antenneja kankaisiin, jotka ovat niin ohuita kuin organza ja yhtä paksuja kuin Kevlar. Kirjonnan jälkeen johdot voidaan kytkeä antureihin ja akkuihin perinteisillä juottamisilla tai joustavilla liitoksilla, jotka yhdistävät komponentit toisiinsa.
Toistaiseksi olemme pystyneet luomaan älykkäitä hattuja, jotka lukevat syvät aivosignaalit potilaille, joilla on Parkinsonin tai epilepsia. Olemme brodeerattuja T-paitoja, joissa on antennit, jotka laajentavat Wi-Fi-signaalien laatua käyttäjän matkapuhelimeen. Teimme myös mattoja ja lakanoita, jotka tarkkailevat vauvojen korkeutta seulontaan monien varhaislapsuuden sairauksien kannalta. Ja olemme tehneet taitettavia antenneja, jotka mittaavat, kuinka paljon kankaan pinta on taipunut tai kohonnut.
Siirtyminen antennin yli
Laboratorioni työskentelee myös muiden Ohio-osavaltion tutkijoiden, mukaan lukien kemisti Anne Co ja lääkäri Chandan Sen, kanssa joustavien kangaspohjaisten pienoisvirtageneraattoreiden valmistamiseksi.
Kankaalle painetut metallit voivat tuottaa virtaa. (ElectroScience Lab, CC BY-ND) Käytämme prosessia, kuten mustesuihkutulostusta, sijoittaaksemme vuorotellen hopean ja sinkin pisteitä kankaalle. Kun nämä metallit joutuvat kosketuksiin hikojen, fysiologisen suolaliuoksen tai jopa nesteiden kanssa haavoista, hopea toimii positiivisena elektrodina ja sinkki toimii negatiivisena elektrodina - ja sähkö virtaa niiden välillä.
Olemme tuottaneet pieniä määriä sähköä vain saamalla kankaasta kostean - ilman mitään lisäpiirejä tai komponentteja. Se on täysin joustava, pestävä virtalähde, joka voi muodostaa yhteyden muihin puettaviin elektroniikkalaitteisiin ja poistaa tavallisten paristojen tarpeen.
Sekä yhdessä että erikseen nämä joustavat, puettavat elektroniikat muuttavat vaatteet kytketyiksi, tunneiksi, kommunikoiviksi laitteiksi, jotka ovat hyvin sidoksissa toisiinsa kytketyn 2000-luvun kankaan kanssa.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Asimina Kiourti, apulaisprofessori sähkö- ja tietokonetekniikassa, Ohion osavaltion yliopisto
