COLUMBUS, Ohio—vědci, kteří pracují na vývoji nositelné elektroniky, dosáhli milníku: jsou schopni vyšívat obvody do tkaniny s přesností 0,1 mm—ideální velikost pro integraci elektronických součástek, jako jsou senzory a paměťová zařízení počítače, do oblečení.
s tímto pokrokem vědci z Ohio State University učinili další krok směrem k návrhu funkčních textilií—oděvů, které shromažďují, ukládají nebo přenášejí digitální informace. S dalším vývojem by tato technologie mohla vést k košilím, které fungují jako antény pro váš chytrý telefon nebo tablet, cvičební oblečení, které monitoruje vaši kondici, sportovní vybavení, které monitoruje výkon sportovců, obvaz, který řekne lékaři, jak dobře se tkáň pod ním léčí – nebo dokonce flexibilní látkový uzávěr, který snímá aktivitu v mozku—
Asimina Kiourtiová. Foto Jo McCulty, s laskavým svolením
z Ohio State University.
tato poslední položka je ta, kterou zkoumá John Volakis, ředitel laboratoře Elektroscience ve státě Ohio, a vědec Asimina Kiourti. Cílem je vytvořit mozkové implantáty, které se vyvíjejí k léčbě stavů od epilepsie po závislost, pohodlnější tím, že eliminují potřebu vnějšího zapojení na těle pacienta.
„v textilním průmyslu dochází k revoluci,“ řekl Volakis, který je také Royem & Lois Chope Chair profesor elektrotechniky ve státě Ohio. „Věříme, že Funkční textilie jsou nezbytnou technologií pro komunikaci a snímání—a jednoho dne dokonce i lékařské aplikace, jako je zobrazování a monitorování zdraví.“
nedávno on a Kiourti vylepšili svůj patentovaný způsob výroby, aby vytvořili prototyp nositelné za zlomek nákladů a za polovinu času, jak to mohli jen před dvěma lety. S čekáním na nové patenty zveřejnili nové výsledky v časopise IEEE antén a bezdrátových propagačních dopisů.
John Volakis
ve Volakisově laboratoři jsou Funkční textilie, nazývané také „e-Textil“, vytvořeny částečně na typickém stolním šicím stroji-druhu, který by mohli mít doma řemeslníci a fandové. Stejně jako ostatní moderní šicí stroje vyšívá nit do tkaniny automaticky na základě vzoru načteného pomocí počítačového souboru. Vědci nahrazují nit jemnými stříbrnými kovovými dráty, které se po vyšívání cítí stejně jako tradiční nit na dotek.
“ začali jsme velmi dobře známou technologií-strojovou výšivkou—a zeptali jsme se, jak můžeme funkcionalizovat vyšívané tvary? Jak je donutíme vysílat signály na užitečných frekvencích, například pro mobilní telefony nebo zdravotní senzory?“Volakis řekl. „Nyní jsme poprvé dosáhli přesnosti desek plošných spojů s tištěnými kovy, takže naším novým cílem je využít přesnosti začlenění přijímačů a dalších elektronických součástek.“
tvar výšivky určuje frekvenci provozu antény nebo obvodu, vysvětlil Kiourti.
tvar jedné širokopásmové antény se například skládá z více než půl tuctu vzájemně propojených geometrických tvarů, každý o něco větší než nehet, které tvoří složitý kruh o několik palců napříč. Každý kus kruhu přenáší energii na jinou frekvenci, takže při společné práci pokrývají široké spektrum energií-tedy „širokopásmovou“ schopnost antény pro mobilní telefon a přístup k internetu.
„tvar určuje funkci,“ řekla. „A nikdy nevíte, jaký tvar budete potřebovat z jedné aplikace do druhé. Chtěli jsme tedy mít technologii, která by mohla vyšívat jakýkoli tvar pro jakoukoli aplikaci.“
původním cílem vědců, dodal Kiourti, bylo pouze co nejvíce zvýšit přesnost výšivky, což vyžadovalo práci s jemným stříbrným drátem. Ale to vytvořilo problém, v tom, že jemné dráty nemohly poskytnout tolik povrchové vodivosti jako silné dráty. Museli tedy najít způsob, jak zpracovat jemnou nit do hustot a tvarů výšivek, které by zvýšily povrchovou vodivost a tím i výkon antény/senzoru.
dříve vědci používali postříbřené polymerní nitě o průměru 0,5 mm, přičemž každá nit byla tvořena 600 dokonce jemnějšími vlákny zkroucenými dohromady. Nové nitě mají průměr 0, 1 mm, vyrobené pouze ze sedmi vláken. Každé vlákno je uprostřed mědi, smaltované čistým stříbrem.
kupují drát cívkou za cenu 3 centů za stopu; Kiourti odhadl, že vyšívání jediné širokopásmové antény, jako je ta výše uvedená, spotřebuje asi 10 stop nitě, za materiálové náklady kolem 30 centů na anténu. To je 24krát levnější, než když Volakis a Kiourti vytvořili podobné antény v roce 2014.
částečně úspora nákladů pochází z použití méně nití na vyšívání. Vědci dříve museli skládat silnější nit do dvou vrstev, jedna na druhé, aby anténa nesla dostatečně silný elektrický signál. Ale zdokonalením techniky, kterou ona a Volakis vyvinuli, Kiourti dokázala vytvořit nové, vysoce přesné antény pouze v jedné vyšívané vrstvě jemnějšího vlákna. Takže nyní proces trvá polovinu času: pouze asi 15 minut pro výše uvedenou širokopásmovou anténu.
také začlenila některé techniky společné pro výrobu mikroelektroniky, aby přidala díly do vyšívaných antén a obvodů.
jedna prototypová anténa vypadá jako spirála a může být vyšívána do oděvu, aby se zlepšil příjem signálu mobilního telefonu. Další prototyp, roztažitelná anténa s integrovaným čipem RFID (radio-frequency identification) zabudovaným do gumy, vezme aplikace pro tuto technologii mimo oblečení. (Druhý objekt byl součástí studie provedené pro výrobce pneumatik.)
ještě další obvod připomíná logo Ohio State Block “ O „s nevodivou šarlatovou a šedou nití vyšívanou mezi stříbrnými dráty“, aby prokázal, že e-textilie mohou být dekorativní i funkční, “ řekl Kiourti.
mohou být dekorativní, ale vyšívané antény a obvody skutečně fungují. Testy ukázaly, že vyšívaná spirálová anténa měří přibližně šest palců přes vysílané signály při frekvencích 1 na 5 GHz s téměř dokonalou účinností. Představení naznačuje, že spirála by byla vhodná pro širokopásmové připojení k internetu a mobilní komunikaci.
jinými slovy, košile na zádech by mohla pomoci zvýšit příjem chytrého telefonu nebo tabletu, který držíte-nebo posílat signály do vašich zařízení s údaji o zdravotním nebo sportovním výkonu.
práce dobře zapadá do role státu Ohio jako zakládajícího partnera Institutu Advanced Functional Fabrics of America, Národního centra výrobních zdrojů pro průmysl a vládu. Nový institut, který spojuje zhruba 50 univerzit a průmyslových partnerů, oznámil začátkem tohoto měsíce americký ministr obrany Ashton Carter.
Syscom Advanced Materials v Columbusu poskytl vlákna použitá v počátečních pracích Volakise a Kiourtiho. Jemnější vlákna použitá v této studii byla zakoupena od švýcarského výrobce Elektrisola. Výzkum je financován Národní vědeckou nadací a stát Ohio udělí licenci na technologii pro další rozvoj.
do té doby Volákis sestavuje nákupní seznam pro další fázi projektu.
„chceme větší šicí stroj,“ řekl.