Электронный текстиль

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.

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].

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].

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].

• Энерговырабатывающая ткань

• «Ткани высоких технологий» // «Новая газета» (Швейцария)
• Телемедицина. Умный, интерактивный, многофункциональный текстиль
• Одежда из будущего