Умная ткань. Проверка в лаборатории
Ткань из тефлона, меди, шерсти и светочувствительных волокон позволяет превращать энергию солнца и механического движения в электричество.
Технический прогресс начала XX в. не только дал нам самолёты, космос и прочее, он ещё и изрядно подтолкнул воображение писателей и художников. Многое из того, о чём мечтали в те годы, для нас теперь повседневная рутина, но немало идей так и остались в мире чистой фантазии - в том числе и те, что касаются одежды и связанных с ней приспособлений.
Примеры использования гибридной «умной» ткани: зарядка конденсатора, зарядка мобильного телефона, питание электронних часов и электролиз воды (Иллюстрация Jun Chen et al., Nature Energy 1: 16138 (2016). http://www.nature.com/articles/nenergy2016138)
С развитием различных технологий, таких, как трёхмерный принтер и сложносочинённые материалы, фантазии про «умную» одежду становятся всё более реальными, и мы даже можем купить кроссовки с самозавязывающимися шнурками, но, скажем, об одежде с встроенной автономной электроникой мы пока можем только мечтать. Тем не менее, прогресс на то и прогресс, чтобы превращать мечты в реальность.
Цзюнь Чэнь (Jun Chen ), И Хуан (Yi Huang ) и их коллеги из США и Китая разработали «умную» гибридную ткань, которая преобразует энергию солнца и механического движения в электричество. Она состоит лёгких полимерных волокон «солнечной панели», сплетенных с трибоэлектрическими наногенераторами (ТЭНГ). Трибоэлектричеством называют наведение заряда за счёт трения; так, например, мы заряжаем янтарь, когда натираем его шерстью.
Как устроена такая ткань? Композитные полимерные светочувствительные волокна и тефлоновые «ленты» служат нитями основы, а медная и цветная шерстяная нить – нитями уткА. Всё переплетается вместе на ткацком станке полотняным плетением (нити пересекаются через одну), с чередованием участков из «солнечных» волокон и ТЭНГ-полосками, либо в шахматном порядке. Итоговый материал получается толщиной около 0,3 мм.
Светочувствительные волокна состоят из проводящих сердцевины и оболочки, между которыми расположены слои оксида цинка и красителя. При поглощении солнечных лучей на поверхности между оксидом цинка и красителем происходит образование пар электрон-дырка (где дырка – носитель положительного заряда). Дырки отправляются внутрь волокна и по проводнику в сердцевине уходят на электрод. Тем временем электроны переходят с поверхности волокна на медные нити, переплетающие светочувствительное волокно, и «стекаются» на противоположно заряженный электрод. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую.
«Ленты» тефлона (политетрафториэтилена), нанесённые на тонкий проводник с обеих сторон, служат основой ТЭНГ. Медные нити, которые переплетают и их, соприкасаются с тефлоном при движении (то есть сгибах, натяжении и давлении на материал). Разность в энергии сродства электронов меди и фтора приводит к тому, что электроны перескакивают с поверхности меди на атомы фтора. В результате медный провод оказывается заряжен положительно, а полоска тефлона – отрицательно, после чего электроны «стекают» по проводнику на общий электрод.
Материаловеды протестировали разные виды плетения гибридной «ткани» и пришли к выводу, что при полотняном плетении площадь перекрытия светочувствительных волокон минимальна, что приводит к увеличению полезной поверхности для сбора энергии. Что касается ТЭНГ, то, как и в случае с «солнечной» частью ткани, полотняное плетение позволяет собирать энергию механического движения наиболее эффективно. Также оказалось, что хлопок рукой производит наибольшую мощность тока по сравнению со сгибанием материала.
Из возможных направлений сгибания ткани самым «мощным» в трибоэлектрическом смысле является сгиб вдоль полосок тефлона. Это нужно учитывать при крое, чтобы максимизировать мощность выработки электричества. Кроме того, выяснилось, что «солнечные» участки и ТЭНГ сильно отличаются по внутреннему сопротивлению, поэтому для оптимальной мощности фрагменты «умной» ткани нужно соединять с помощью диодов, которые ограничивают ток в одном из направлений и препятствуют короткому замыканию ТЭНГ.
«Полевые» исследования показали, что эффективность трибологического сбора энергии снижается с влажностью воздуха, но восстанавливается, если высушить ткань. Воздействие повышенной влажности воздуха можно свести к нулю ламинированием ТЭНГ, хотя это усложнит процесс создания ткани. Исследователи сплели лоскуток гибридной ткани размером 4х1 см – его оказалось достаточно, чтобы за 1 минуту при интенсивном освещении зарядить промышленный конденсатор ёмкостью в 2 миллифарада с напряжением до 2 вольт, который можно использовать для питания электронных часов или зарядки мобильного телефона.
Полностью результаты работы опубликованы в Nature Energy . Авторы статьи предлагают нашивать умную ткань на флаги, палатки, использовать её энергию для электролиза воды (альтернатива способу, предложенному в статье про и делать одежду со встроенной электроникой.
Проблема питания «носибельной» электроники тесно связана с экологичным производством электроэнергии как таковым. Конечно, это достаточно глобальная задача, но, как часто бывает, частные решения точечных проблем могут иметь далеко идущие последствия.
Гибкая и эффективная ткань, способная собирать энергию из окружающей среды для «электронной» одежды или обуви, возможно, является именно таким случаем. Вообще же применений «тканного электрогенератора» можно придумать очень много, и вопрос «а что ещё можно сделать с такой тканью?» даёт нам хороший повод перечитать научную фантастику первой половины прошлого века.
Ритм жизни современного человека предъявляет все новые требования к уровню комфорта и функциональности его одежды. Для защиты не только от непогоды, но также от травм и других непредвиденных ситуаций, разрабатываются особые — «умные» (интеллектуальные) — ткани, которые могут распознавать изменения окружающей среды и адаптироваться к ним посредством функциональных трансформаций, например, менять цвет, «включать» водостойкость, антибактериальные и другие необходимые свойства.
В зависимости от степени развития «интеллектуальных» свойств ткани могут быть: пассивными (лишь выявляют изменения окружающей среды), активными (способны реагировать на них) и «очень умными» (могут адаптироваться к данным изменениям). Сфера их применения варьируется от военной промышленности (ткани с задаваемыми характеристиками для экипировки разных родов войск) до медицины (ткани со встроенными датчиками и сенсорами, позволяющие контролировать состояние здоровья).
Версия для печати:
«Умные» ткани для разных сфер жизни (PDF, 505 Кб)
Ткани с задаваемыми характеристиками
В пустыне, в космосе, на Арктическом шельфе или в других труднодоступных районах организм человека испытывает большие нагрузки, связанные с перепадами температур, травмами (ушибами, растяжениями и т.д.), воздействием токсичных веществ. Защитить от них человека и снизить последствия нагрузок могут ткани с задаваемыми характеристиками. Их структура меняется в соответствии с потенциальными требованиями: они могут сохранять тепло и нагреваться или, наоборот, охлаждать в жару, приобретать противоударные, водоотталкивающие или иные функции.
Для создания таких тканей используют оптоволокно, металлы, проводящие полимеры и другие материалы. В последнее время наблюдается тенденция к внедрению наноструктур для модификации и отделки натуральных и синтетических волокнистых материалов с целью придания изделиям гидрофобных, антибактериальных свойств, защиты владельца от негативного воздействия ультрафиолета и пр. Инженеры немецкой компании Zimmermann научились вплетать в материал тонкие провода, нагревающие одежду до нужной температуры (максимально возможная - 420 o С), для чего в ней предусмотрен небольшой аккумулятор (вес до 200 г) емкостью 2200 мА/ч и с безопасным напряжением в 7,4 В. При выходе на улицу и нажатии кнопки одежда нагреется до заданной температуры.
ЭФФЕКТЫОблегчение ведения работ в районах с неблагоприятными климатическими условиями. Сокращение числа стирок одежды из устойчивой к загрязнениям ткани и, соответственно, ее износа. Устранение фактора сезонности одежды: нет необходимости ее разделять на зимнюю и летнюю, она может приспосабливаться к любым погодным условиям. |
ОЦЕНКИ РЫНКА
|
ДРАЙВЕРЫ И БАРЬЕРЫ
Р
ост цен на натуральное сырье Высокая себестоимость «умных» тканей препятствует их внедрению в массовое производство, сейчас они, в основном, используются в военной и спортивной сферах. Разрыв мира моды с технологическими инновациями затрудняет использование тканей с задаваемыми характеристика
При слабо развитой нефтехимической промышленности в России затруднено
|
Международные научные публикации |
Международные патентные заявки
 |
Уровень технологического развития
|
« Умная» одежда как личный доктор
Рост различных хронических заболеваний обостряет проблему обеспечения комфортной жизни людей, ими страдающих. Снизить зависимость таких пациентов от приема лекарств и посещений врача поможет ношение особой одежды, оснащенной датчиками и сенсорами, которые будут собирать информацию о здоровье человека и передавать ее для дальнейшего анализа. В случае необходимости такая одежда может автоматически вводить предписанные препараты. Использование «умной» одежды повысит мобильность людей с различными заболеваниями, не создавая дополнительных рисков их здоровью.
Вплетенные в «умную» ткань датчики будут снимать показатели частоты пульса, дыхания, сердечного ритма, уровня сахара и т.д., а затем их передавать (например, посредством беспроводных каналов связи) на мобильный телефон пользователя или напрямую лечащему врачу. Толщина датчиков зачастую не превышает нескольких миллиметров (толщина датчика для снятия ЭКГ, установленного в футболке, всего 2,3 мм). Перспективным направлением разработок в данной области также является создание тканей, диагностирующих различные заболевания на ранней стадии, и имплантатов, способных по расписанию вводить в организм определенные дозы медикаментов (например, инсулин).
ЭФФЕКТЫ
Облегчение жизни больных с хроническими заболеваниями. Возможность личного контроля состояния своего здоровья вне зависимости от местонахождения. Изменение отношения людей к здоровью и медицинским услугам: первичную информацию о состоянии своего здоровья они будут получать самостоятельно. |
ОЦЕНКИ РЫНКА
|
ДРАЙВЕРЫ И БАРЬЕРЫ
Распространение носимых устройств мониторинга показателей здоровья. Развитие персонализированной
Разработки в области создания гибких компьютеров, проводов и т.п., которые можно вплетать в ткань без потери комфорта
Высокая себестоимость «умной» одежды сдерживает ее массовое распространение. Отсутствие единых стандартов
Недоверие людей к хранению
|
Одежда со встроенными в ткань гаджетами
Компьютеры, различные электронные устройства проникают во все сферы деятельности человека, обретают новые форм-факторы, в силу тенденции к миниатюризации их уже встраивают в предметы обихода, интерьера и даже одежду. Потенциал применения тканей со встроенными гаджетами довольно широк: от бытовых нужд до военного и космического снаряжения. Ткань, совмещенная с различного рода электронными приборами, используется в производстве спортивной одежды (кроссовки со встроенными датчиками контроля скорости и контакта ноги с землей, майки и футболки с функцией контроля пульса), а также повседневной или защитной (так, микрожидкостные компоненты в подошве обуви преобразуют механическую энергию в электричество). Сама одежда может стать источником энергии для подзарядки мобильного телефона и других гаджетов.
В 2013 году команда дизайнеров под руководством Поля ван Догена создала платье, в которое было встроено 78 гибких солнечных батарей. За час работы в ясную погоду эти устройства вырабатывали энергию, достаточную для зарядки смартфона на 50%. Чтобы повысить эффективность батарей, дизайнеры предусмотрели складные элементы в плечах: при солнечной погоде они расправляются, и батареи заряжаются еще быстрее.
ЭФФЕКТЫИзменение потребительской модели: вместо новой одежды люди будут покупать принты, цветовые схемы и «загружать» их в старую одежду. Изменение структуры производства: акцент на разработке новых цветов и принтов, а не моделей одежды. Появление новых профессий (например, видеохудожник по принтам, инженер моды). Ткани с солнечными батареями обеспечат энергией гаджеты - портативные или встроенные непосредственно в одежду. |
ОЦЕНКИ РЫНКА
$ 3 МЛРДдостигнет к 2026 году объем мирового рынка тканей со встроенными гаджетами (в 2015 году – 100 млн долларов). Также вырастет рынок носимых гаджетов: количество таких устройств к 2019 году составит 148 миллионов (в 2015 году – 33 млн). |
ДРАЙВЕРЫ И БАРЬЕРЫТенденция к дальнейшей миниатюризации носимых электронных устройств за счет использования новых технологий. Появление чипсетов LTE (стандарт высокоскоростной беспроводной передачи данных), обеспечивающих легкий доступ
Трудности в эксплуатации «умных» тканей: необходимость поиска баланса между гибкостью и эластичностью проводов и их прочностью, проблемы стирки и глажки тканей. Высокая себестоимость одежды
|
МЕЖДУНАРОДНЫЕ НАУЧНЫЕ
|
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ПАТЕНТНЫЕ
|
