stringtranslate.com

Электронный текстиль

Образец электронной текстильной схемы
Платье со встроенными в ткань красными светодиодами

Электронный текстиль или e-текстиль — это ткани , которые позволяют встраивать в них электронные компоненты, такие как батареи, фонари, датчики и микроконтроллеры . Многие проекты в области умной одежды, носимых технологий и носимых компьютеров включают использование e-текстиля. [1]

Электронный текстиль отличается от носимых вычислений , поскольку акцент делается на бесшовной интеграции текстиля с электронными элементами, такими как микроконтроллеры , датчики и приводы . Кроме того, электронный текстиль не обязательно должен быть носимым. Например, электронный текстиль также используется в дизайне интерьера.

Смежная область фибротроники изучает, как электронные и вычислительные функции могут быть интегрированы в текстильные волокна.

В новом отчете Cientifica Research рассматриваются рынки текстильных носимых технологий, компании, их производящие, и технологии, которые их обеспечивают. В отчете выделяются три различных поколения текстильных носимых технологий:

  1. «Первое поколение» прикрепляет датчик к одежде. Этот подход в настоящее время используют такие бренды спортивной одежды, как Adidas, Nike и Under Armour
  2. В изделиях «второго поколения» датчик встраивается в одежду, как это демонстрируют современные продукты Samsung, Alphabet, Ralph Lauren и Flex.
  3. В «третьем поколении» носимых устройств датчиком является одежда. Все больше компаний создают датчики давления, деформации и температуры для этой цели.

Будущие приложения для электронного текстиля могут быть разработаны для спортивных и оздоровительных продуктов, а также медицинских устройств для мониторинга пациентов. Технический текстиль, мода и развлечения также будут значительными приложениями. [2]

История

Основные материалы, необходимые для создания электронного текстиля, проводящих нитей и тканей, существуют уже более 1000 лет. В частности, ремесленники на протяжении столетий оборачивали нити ткани тонкой металлической фольгой, чаще всего золотой и серебряной. [3] Например, многие платья королевы Елизаветы I были расшиты золотыми нитями .

В конце 19 века, когда люди развивались и привыкали к электроприборам, дизайнеры и инженеры начали объединять электричество с одеждой и ювелирными изделиями, разработав серию светящихся и моторизованных ожерелий, шляп, брошей и костюмов. [4] [5] Например, в конце 1800-х годов человек мог нанять молодых женщин, одетых в вечерние платья со световыми заклепками, от Electric Girl Lighting Company, для организации развлекательной программы на коктейльной вечеринке. [6]

В 1968 году в Музее современного ремесла в Нью-Йорке прошла новаторская выставка под названием Body Covering, посвященная взаимосвязи между технологиями и одеждой. На выставке были представлены скафандры астронавтов, а также одежда, которая могла надуваться и сдуваться, светиться, нагреваться и охлаждаться. [7] Особого внимания в этой коллекции заслуживает работа Дианы Дью, [8] дизайнера, которая создала линию электронной моды, включая электролюминесцентные платья для вечеринок и пояса, которые могли издавать звуковые сирены. [9]

В 1985 году изобретатель Гарри Уэйнрайт создал первую полностью анимированную толстовку. Футболка состояла из оптоволокна, проводов и микропроцессора для управления отдельными кадрами анимации. Результатом стал полноцветный мультфильм, отображаемый на поверхности футболки. В 1995 году Уэйнрайт изобрел первую машину, позволяющую врезать оптоволокно в ткани, что было необходимо для производства в объеме, достаточном для массового рынка, а в 1997 году нанял немецкого конструктора машин Герберта Сельбаха из Selbach Machinery для создания первой в мире машины с числовым программным управлением (ЧПУ), способной автоматически вживлять оптоволокно в любой гибкий материал. Получив первый из дюжины патентов на основе светодиодных/оптических дисплеев и оборудования в 1989 году, первые станки с ЧПУ были запущены в производство в 1998 году, начиная с производства анимированных пальто для парков Диснея в 1998 году. Первые куртки с биофизическим дисплеем ЭКГ, использующие светодиодные/оптические дисплеи, были созданы Уэйнрайтом и Дэвидом Бычковым, генеральным директором Exmovere в 2005 году с использованием датчиков GSR в часах, подключенных через Bluetooth к встроенному в джинсовую куртку стираемому в стиральной машине дисплею, 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 Flexible Display, состоявшихся в Финиксе, штат Аризона, где были показаны инфракрасные цифровые дисплеи, машинно встроенные в ткани для IFF (опознавание друзей или врагов), которые были представлены BAE Systems для оценки в 2006 году и получили награду «Почетное упоминание» от NASA в 2010 году за их Tech Briefs, конкурс "Design the Future". Сотрудники MIT приобрели несколько полностью анимированных пальто для своих исследователей, чтобы они носили их на своих демонстрациях в 1999 году, чтобы привлечь внимание к их исследованию "носимого компьютера". Уэйнрайт был уполномочен выступить на конференции текстильщиков и колористов в Мельбурне, Австралия, 5 июня 2012 года. Его попросили продемонстрировать свои тканевые творения, которые меняют цвет с помощью любого смартфона, указывают на звонящих на мобильных телефонах без цифрового дисплея и содержат функции безопасности WIFI, которые защищают кошельки и личные вещи от кражи.

Вышитая токопроводящая нить

В середине 1990-х годов группа исследователей Массачусетского технологического института под руководством Стива Манна , Тэда Старнера и Сэнди Пентланда начала разрабатывать то, что они называли носимыми компьютерами . Эти устройства состояли из традиционного компьютерного оборудования, прикрепленного к телу и переносимого 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 Рехми Пост, начала изучать, как такие устройства можно было бы более изящно интегрировать в одежду и другие мягкие субстраты. Среди других разработок эта группа исследовала интеграцию цифровой электроники с проводящими тканями и разработала метод вышивки электронных схем. [10] [11] Один из первых коммерчески доступных носимых микроконтроллеров на базе Arduino, названный Lilypad Arduino, также был создан в MIT Media Lab Лией Бьюкли.

Такие модные дома, как CuteCircuit, используют электронный текстиль для своих коллекций haute couture и специальных проектов. Рубашка Hug Shirt от CuteCircuit позволяет пользователю отправлять электронные объятия через датчики внутри одежды.

Обзор

Область электронного текстиля можно разделить на две основные категории:

Электронный текстиль в основном представляет собой проводящую пряжу, текстиль и ткани, в то время как другая половина поставщиков и производителей использует проводящие полимеры, такие как полиацетилен и полифениленвинилен. [14]

Большинство исследовательских и коммерческих проектов e-textile являются гибридами, где электронные компоненты, встроенные в текстиль, подключаются к классическим электронным устройствам или компонентам. Некоторые примеры — сенсорные кнопки, которые полностью сконструированы в текстильных формах с использованием проводящих текстильных переплетений, которые затем подключаются к таким устройствам, как музыкальные проигрыватели или светодиоды, которые монтируются на тканых проводящих волоконных сетях для формирования дисплеев. [15]

Печатные датчики для физиологического и экологического мониторинга были интегрированы в текстильные изделия [16], включая хлопок , [17] Gore-Tex , [18] и неопрен . [19]

Датчики

Умная текстильная ткань может быть изготовлена ​​из материалов, варьирующихся от традиционного хлопка, полиэстера и нейлона до усовершенствованного кевлара с интегрированными функциями. Однако в настоящее время интерес представляют ткани с электропроводностью. [20] Электропроводящие ткани были получены путем осаждения металлических наночастиц 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 биосенсорного анализа, что было продемонстрировано при обнаружении ДНК и белков. [21]

Существует два вида умных текстильных (тканевых) продуктов, которые были разработаны и изучены для мониторинга здоровья: ткань с текстильной сенсорной электроникой и ткань, которая обволакивает традиционную сенсорную электронику. Было показано, что ткачество может использоваться для включения электропроводящей пряжи в ткань, чтобы получить текстиль, который может использоваться в качестве «носимой материнской платы». Он может подключать несколько датчиков на теле, таких как влажные гелевые электроды ЭКГ, к электронике получения сигнала. Более поздние исследования показали, что проводящие нити могут играть важную роль в изготовлении текстильных датчиков, изготовленных из ткани или металлических сеток, покрытых серебром или проводящими металлическими сердечниками, вплетенными в ткань. [22]

В исследованиях используются два основных подхода к изготовлению одежды с электродами датчиков ЭКГ:

Фибротроника

Как и в классической электронике, создание электронных возможностей на текстильных волокнах требует использования проводящих и полупроводниковых материалов, таких как проводящий текстиль . [ требуется ссылка ] Сегодня существует ряд коммерческих волокон, которые включают металлические волокна , смешанные с текстильными волокнами для формирования проводящих волокон, которые можно ткать или шить. [23] 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.

Умные носимые устройства — это подключенные электронные устройства потребительского уровня, которые могут быть встроены в одежду. [ необходима цитата ]

Одной из важнейших проблем электронного текстиля является то, что волокна должны быть моющимися. Таким образом, электрические компоненты должны быть изолированы во время стирки, чтобы предотвратить повреждение. [24]

Новый класс электронных материалов, которые больше подходят для электронного текстиля, — это класс органических электронных материалов, поскольку они могут быть как проводящими, так и полупроводниковыми, и разрабатываться как чернила и пластики. [ необходима цитата ]

Некоторые из наиболее продвинутых функций, продемонстрированных в лаборатории, включают:

Использует

Светодиоды и оптоволокно как часть моды

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Cherenack, Kunigunde; Pieterson, Liesbeth van (2012-11-01). "Умный текстиль: проблемы и возможности" (PDF) . Journal of Applied Physics . 112 (9) (опубликовано 7 ноября 2012 г.): 091301–091301–14. Bibcode :2012JAP...112i1301C. doi :10.1063/1.4742728. ISSN  0021-8979. S2CID  120207160. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-02-13.
  2. ^ Умный текстиль и носимые устройства — рынки, приложения и технологии. Инновации в текстиле (отчет). 7 сентября 2016 г. Архивировано из оригинала 7 сентября 2016 г.
  3. ^ Харрис, Дж., ред. Текстиль, 5000 лет: международная история и иллюстрированный обзор. HN Abrams, Нью-Йорк, США, 1993.
  4. ^ Марвин, К. Когда старые технологии были новыми: размышления об электрической связи в конце девятнадцатого века. Oxford University Press, США, 1990.
  5. ^ Гир, К. и Рудо, Дж. Ювелирные изделия в эпоху королевы Виктории: зеркало мира. British Museum Press, 2010.
  6. ^ "ELECTRIC GIRLS". The New York Times . 26 апреля 1884 г. Архивировано из оригинала 12 ноября 2013 г.
  7. ^ Смит, П. Покрытие тела. Музей современных ремесел, Американский совет ремесел, Нью-Йорк, 1968
  8. ^ "Оригинальные создатели: Диана Дью". 11 апреля 2011 г.
  9. ^ Флуд, Кэтлин (11 апреля 2011 г.). «Оригинальные создатели: Диана Дью». VICE Media LLC . Архивировано из оригинала 19 декабря 2011 г. Получено 28 мая 2015 г.
  10. ^ Пост, Э.Р.; Орт, М.; Руссо, П.Р.; Гершенфельд, Н. (2000). «Электронная вышивка: проектирование и изготовление текстильных вычислений». IBM Systems Journal . 39 (3.4): 840–860. doi :10.1147/sj.393.0840. ISSN  0018-8670. S2CID  6254187.
  11. ^ US 6210771  «Электрически активные текстильные материалы и изделия из них».
  12. ^ Weng, W., Chen, P., He, S., Sun, X., & Peng, H. (2016). Умный электронный текстиль. Angewandte Chemie International Edition, 55(21), 6140-6169.https://doi.org/10.1002/anie.201507333
  13. ^ Лунд, А., Ву, И., Фенек-Салерно, Б., Торриси, Ф., Кармайкл, ТБ, и Мюллер, К. (2021). Проводящие материалы как строительные блоки для электронных текстильных изделий. Бюллетень MRS, 1-11. https://doi.org/10.1557/s43577-021-00117-0
  14. ^ E-Textiles 2019-2029: Технологии, Рынки и Игроки. 2019-05-21.
  15. ^ "LumaLive.com". Архивировано из оригинала 2010-02-06.
  16. ^ Windmiller, JR; Wang, J. (2013). «Носимые электрохимические датчики и биосенсоры: обзор». Электроанализ . 25 (1): 29–46. doi :10.1002/elan.201200349.
  17. ^ Ян-Ли Ян; Мин-Чи Чуан; Ши-Лян Луб; Джозеф Ван (2010). «Толстопленочные текстильные амперометрические датчики и биосенсоры». Аналитик . 135 (6): 1230–1234. Bibcode : 2010Ana...135.1230Y. doi : 10.1039/B926339J. PMID  20498876.
  18. ^ Чуан, М.-К.; Виндмиллер, Дж. Р.; Сантош, П.; Рамирес, Г. В.; Галик, М.; Чоу, Т.-Й.; Ван, Дж. (2010). «Текстильное электрохимическое зондирование: влияние тканевой подложки и обнаружение нитроароматических взрывчатых веществ». Электроанализ . 22 (21): 2511–2518. doi :10.1002/elan.201000434.
  19. ^ Керстин Малзахн; Джошуа Рэй Виндмиллер; Габриэла Вальдес-Рамирес; Майкл Дж. Шёнинг; Джозеф Ванг (2011). «Носимые электрохимические датчики для анализа на месте в морской среде». Аналитик . 136 (14): 2912–2917. Bibcode : 2011Ana...136.2912M. doi : 10.1039/C1AN15193B. PMID  21637863.
  20. ^ Cataldi P, Ceseracciu L, Athanassiou A, Bayer IS (2017). «Исцеляемый хлопково-графеновый нанокомпозитный проводник для носимой электроники». ACS Applied Materials and Interfaces . 9 (16): 13825–13830. doi :10.1021/acsami.7b02326. PMID  28401760.
  21. ^ Грелл, Макс; Динсер, Кан; Ле, Тао; Лаури, Альберто; Нуньес Бахо, Эстефания; Касиматис, Майкл; Барандун, Джиандрин; Майер, Стефан А.; Касс, Энтони Э.Г. (2018-11-09). «Автокаталитическая металлизация тканей с использованием кремниевых чернил для биосенсоров, батарей и сбора энергии». Advanced Functional Materials . 29 (1): 1804798. doi : 10.1002/adfm.201804798 . hdl :10044/1/66147. ISSN  1616-301X. PMC 7384005 . PMID  32733177. 
  22. ^ аб Шьямкумар, Прашант; Пратюш Рай; Сечан О; Мули Рамасами; Роберт Харбо; Виджай Варадан (2014). «Носимый беспроводной сердечно-сосудистый мониторинг с использованием текстильных наносенсоров и систем наноматериалов». Электроника . 3 (3): 504–520. doi : 10.3390/electronics3030504 . ISSN  2079-9292. Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 3.0 Unported License
  23. ^ Аталай, Озгур; Кеннон, Уильям; Хусейн, Мухаммад; Аталай, Озгур; Кеннон, Уильям Ричард; Хусейн, Мухаммад Давуд (2013-08-21). «Текстильные датчики деформации трикотажного полотна: влияние параметров ткани на свойства датчика». Датчики . 13 (8): 11114–11127. Bibcode : 2013Senso..1311114A. doi : 10.3390/s130811114 . PMC 3812645. PMID  23966199 . 
  24. ^ Сала де Медейрос, Марина; Чанчи, Даниэла; Морено, Каролина; Госвами, Дебкалпа; Мартинес, Рамзес В. (2019-07-25). «Водонепроницаемые, дышащие и антибактериальные самозаряжающиеся электронные текстильные материалы на основе омнифобных трибоэлектрических наногенераторов». Advanced Functional Materials . 29 (42): 1904350. doi :10.1002/adfm.201904350. ISSN  1616-301X. S2CID  199644311.
  25. ^ Хамеди, М.; Херлогссон, Л.; Криспин, Х.; Марцилла, Р.; Берггрен, М.; Инганас, О. (22 января 2009 г.). "Электронный текстиль: полевые транзисторы с электролитным затвором и встроенным волокном для электронного текстиля". Advanced Materials . 21 (5): n/a. doi :10.1002/adma.200990013. PMID  21162140.
  26. ^ Хамеди М, Форххаймер Р, Инганас О (4 апреля 2007 г.). «К плетеной логике из органических электронных волокон». Nature Materials . 6 (5): 357–362. Bibcode :2007NatMa...6..357H. doi :10.1038/nmat1884. PMID  17406663.
  27. ^ Майкл Р. Ли; Роберт Д. Экерт; Карен Форберих; Жиль Деннлер; Кристоф Дж. Брабек ; Рассел А. Гаудиана (12 марта 2009 г.). «Провода солнечной энергии на основе органических фотоэлектрических материалов». Science . 324 (5924): 232–235. Bibcode :2009Sci...324..232L. doi :10.1126/science.1168539. PMID  19286521. S2CID  21310299.
  28. ^ Маркс, Пол (4 сентября 2014 г.). «Тканевые схемы прокладывают путь для носимых технологий». New Scientist . Архивировано из оригинала 21 сентября 2016 г.
  29. ↑ Коммуникации, Wilson College (25 января 2019 г.). «Диагностика дискомфорта у ампутантов».