صنایع منسوجات هوشمند و فناوری های پوشیدنی مدت زمانی است که به مبحث تامین انرژی به عنوان وسیله ای برای تحقق نوآوری محصول می نگرد.
ترجمه: آزاده موحد
روند این فرایند کند است اما موضوع انرژی به خودی خود تبدیل به یکی از مهیج ترین مباحث تحقیق و توسعه در عرصه سیستم ها و مواد اولیه هوشمند شده است.
به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، در دهه 1990 باتری های لیتیومی چاره کار برای تامین انرژی فناوری های پوشیدنی بوده اند اما واضح است که بازی عوض شده و این باتری های دیگر کاربردی ندارند. انرژی های خورشید، باد، اقیانوس و انرژی جنبشی نیز در کنار توسعه قابلیت های فنی جدید در الیاف، پارچه، لمینت و سایر فناوری های پوشش دهی و تکمیل، رشد و توسعه یافته اند. علاوه بر آن مبحث پایایی و همچنین طراحی محصول با توجه بیشتر به کاربر، تقاضا را برای منابع انرژی که دارای اثرات زیست محیطی کمتر باشند، افزایش داده است.
موضوع پایان نامه دکتر بنجامین ویز که به خاطر آن جایزه بنیاد والتر هاینس 2018 را از سوی انجمن صنایع مهندسی مکانیک آلمان دریافت کرد، توسعه نخ های مولتی فیلامنتی اصلاح شده با گرافین برای تولید منسوجات ذخیره کننده شارژ بوده است. ویز الیاف گرافین و پلی آمید جدیدی را تولید کرد و آن ها را بر روی سطح منسوجات مورد پردازش قرار داد. این الیاف دارای کارایی بالا در ذخیره شارژ بوده که این امکان را فراهم می کنند تا از آن ها در خازن های دو لایه یا ابرخازن ها استفاده کرد. این فناوری مزایای زیادی نسبت به باتری های لیتیومی قدیمی دارد چون به دلیل نبود واکنش شیمیایی دارای چگالی نیرو و طول عمر بیشتری است. با این کار می توان ابزار ذخیره کننده شارژ را به طور مستقیم در لباس قرار داد و دیگر نیازی به دوختن باتری قابل شارژ به آن نیست. این الیاف پتانسیل تسریع فرایند توسعه محصولاتی نظیر دفیبریلاتور یا الکتروشوک تهیه شده از منسوجات که حتی مقادیر اندکی از انرژی می تواند تغییرات بزرگی ایجاد کند را دارا هستند.
در حال حاضر تجهیزات بازیاب انرژی جنبشی(KEH) بیشتر در بازار به چشم می خورد برای مثال AMPY MOVE که یک باتری قابل حمل برای تلفن همراه است که با حرکت شخص شارژ می شود. شناسایی از روی راه رفتن را نیز می توان در این طبقه بندی قرار داد. روش اول مرحله بصری است که در آن با استفاده از یک دوریبن و پیش از استفاده از فناوری های پردازش افزوده، اطلاعات از یک فاصله مشخص دریافت می شوند. در روش دوم سنسورهایی در زیر زمین نصب می شوند و برای پردازش بیشتر، داده ها را ثبت می کنند. در روش سوم نیز سنسورهای پوشیدنی همراه با شتاب سنج ها در نقاط مختلف بدن قرار می گیرند. فناوری KEH-Sense پاسخگوی هم زمان دو نیاز مختلف در یک محصول است یعنی یک فناوری پوشیدنی که هم مجهز به سیستم شناسایی و تشخیص کاربر بوده و هم قابلیت شارژ خود را دارد. در تحقیق مشترکی که توسط محققانی از دانشگاه های چین و استرالیا و همچنین سازمان پژوهش های علمی و صنعتی مشترک المنافع همسود استرالیا انجام شده، محققان از تجهیزات بازیاب انرژی جنبشی برای بازیاب انرژی از بدن انسان و تبدیل آن به نیرو استفاده کرده اند.
استفاده از سیستم های آنالیز حرکتی بر اساس شتاب سنج برای شناسایی کاربر در فناوری های پوشیدنی مربوط به سلامت انسان، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. البته شتاب سنج ها به دلیل کاهش عمر باتری سنسورهای پوشیدنی، مانع بزرگی برای پیشرفت این بخش به شمار می روند. فناوری KEH-Sense قصد دارد با حذف شتاب سنج ها بر این مشکل فایق آید و به جای آن اطلاعات را به طور مستقیم از ازتعاشات محیط دریافت کند که الگوهای مشخصی از تولید انرژی را در مدار سیستم بازیاب انرژی تولید می کند.
به گفته سازمان پژوهش های علمی استرالیا از آن جایی که در این روش هیچ سنسور واقعی نظیر شتاب سنج مورد نیاز نیست پس درصد چشمگیری از انرژی محدود قابل بازیابی را می توان ذخیره کرد که این در عرصه فناوری های پوشیدنی خود تامین پیشرفت بزرگی به شمار می رود. این موضوع در مورد تمام فناوری های پوشیدنی از جمله محصولات مربوط به سلامتی از اهمیت زیادی برخوردار است برای مثال ایمپلنت های پزشکی دارای طول عمر زیاد اما عمر باتری کوتاه هستند و برای تعویض باتری هم عمل جراحی نیاز است. در آزمایشات اولیه از دو سیستم متفاوت بازیاب انرژی استفاده شده است؛ پیزوالکتریک و الکترومغناطیس. دقت هر دو سیستم در مقایسه با شناسایی بر اساس شتاب سنج حدود 6 درصد کمتر می باشد. برای رفع این مشکل می توان از PMSSRC استفاده کرد که با ترکیب داده های به دست آمده از روش های مختلف میزان دقت را به همان سطح قبلی خود باز می گرداند. محققان همچنین سیستم رمزنگاری بیومتریک را نیز بررسی کرده اند. با این روش می توان از داده های بیومتریک برای ایجاد یک کلید رمزنگاری منحصر به فرد استفاده کرد.
با به کارگیری فناوری های پوشیدنی در لباس های کار می توان نیازهای موجود در رابطه با ایمنی و کارایی را نیز برآورده کرد. در این رابطه برخی از تجهیزات اولیه برای ارتقای مسیریابی و دسترسی از راه دور به داده ها مورد استفاده قرار گرفته اند، فناوری های جدیدتر نیز برای بررسی نرخ ضربان قلب، سطح خستگی و هشدار نسبت به خطرات زیست محیطی و اجرایی به کار می روند. کمپانی بین المللی ترموداین فناوری PhelTex را برای بازیابی گرما و حرکت بدن شخص و تبدیل آن به انرژی الکتریکی تولید کرده است. این فناوری مشابه یک منبع نیرو است که در لباس فرد قرار داده می شود و نیاز به شارژ مجدد باتری را از بین می برد که در شرایط خطرناک به نفع کارگران می باشد. همچنین می توان با استفاده از آن در شرایط مختلف و بر حسب نیاز تولید گرما یا سرما کرد. کمپانی سول پاور نیز با حمایت ارتش آمریکا و بنیاد ملی علوم، EnSoles را برای بازیاب نیرو از حرکت شخص تولید کرده است. از این فناوری می توان در چکمه های هوشمند استفاده کرد و بازار هدف آن صنعت، دفاع و امدادرسانی می باشد. با استفاده از چند سنسور برای موقعیت، حرکت و شرایط محیطی می توان در مواقعی که یک کارگر با شرایط مرگبار مواجه شده و یا از حرکت ایستاده است، به او و همکارانش هشدار داد.
محققان در موسسه تحقیقات صنعتی تایوان در حال کار بر روی نوررسانی سیار برای آتش نشان ها هستند بدون این که آن ها مجبور به حمل تجهیزاتی با وزن بالغ بر 30 کیلوگرم باشند. آن ها سیستم روشنایی اضطراری FDEL را طراحی و تولید کرده اند که می توان آن را در هنگام کار با شلنگ آتش نشانی به آن وصل کرد. برق این ال ای دی از نیروگاه برق آبی میکرو تامین می شود و در نتیجه دیگر نیازی به حمل تجهیزات نوری اضافی یا باتری نیست. در این فناوری با استفاده از یک تیغه توربین که در میکروژنراتور قرار گرفته می توان جریان آب را به الکتریسیته تبدیل کرد. نور تولید شده با این روش تا یک ساعت قابل استفاده می باشد. این سیستم همچنین دارای تجهیزاتی مشابه سیستم های آب پاش است که درون ساختمان قرار دارد و به حفظ ایمنی هم آتش نشان ها و هم افراد محبوس در ساختمان کمک می کند.
گروه Soteria Battery Innovation در حال کار بر روی بهبود ساختار باتری های لیتیومی می باشد. مشکلی که این تیم با آن روبروست، بالا رفتن دما، آتش گرفتن و انفجار است که با پوشش دهی الکترودها با ترکیبی از فلزات و استفاده از جداکننده های پلاستیکی با نقطه ذوب نسبتا پایین می توان بر آن غلبه کرد. این کمپانی با استفاده از منسوجات بی بافت حاوی الیاف پیشرفته و پایدار در برابر حرارت به جای جدا کننده های پلاستیکی بین آند و کاتد باتری، موفق به تولید جدا کننده Dreamweaver شده است. پایداری حرارتی منسوج بی بافت بدان معناست که در برابر جریان های الکتریکی شدید ذوب یا جمع نمی شود و در نتیجه تا حد زیادی باعث افزایش ایمنی باتری می گردد. این اختراع اهمیت زیادی هم از جنبه فناوری های پوشیدنی و هم صنایع بی بافت دارد چون این صنعت همواره به دنبال این بوده تا در کنار بازار محصولات یک بار مصرف در بازار محصولات با دوام نیز حضور داشته باشد.
ایده استفاده از منبع نیرو به صورت جداگانه در جیب لباس یا به صورت مچ بند به سرعت در حال محو شدن است. مصرف کنندگان بیشتر خواستار محصولی انعطاف پذیر و با توزیع وزنی یکنواخت هستند چون کارگران معمولا در شرایط محیطی سختی کار می کنند و راحتی برای آن ها جزو موارد لوکس به شمار نمی آید بلکه باعث افزایش کارایی و سلامتی آن ها می شود. در کل می توان نتیجه گرفت که سیستم های انرژی نوآورانه در همان فرایند اولیه طراحی محصول تاثیر گذار هستند و حتی منجر به ایجاد طراحی ها و محصولات جدید می شوند.