رفع نیاز به باتری ها با استفاده از نخ های الکترونیک

به گزارش سرویس اطلاع‌رسانی نساجی امروز، تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور کارلو منون، رییس آزمایشگاه BMHT در دانشگاه موفق به ساخت یک سنسور با استفاده از نخ شده اند که در هنگام کشیده شدن گسترش یافته و سیگنال الکتریکی ایجاد می کند.

برت هانیگان، دستیار علمی منون در آزمایشگاه گفت: "ما در تحقیقات قبلی تیم خود متوجه این نکته شدیم که ارتباط بین منسوجات و اجزای الکترونیکی سخت اغلب همان چیزی است که باعث شکست ما می شود. در دانشگاه ها کمتر به روش های بهبود این ارتباط پرداخته شده است."

او اضافه کرد که علاقه به بررسی حرکات بدن در حال افزایش است به ویژه در ورزش، توانبخشی، بهداشت شغلی و سرگرمی.

چالش های مربوط به منسوجات هوشمند متداول

رابط ها پیچیدگی تولید را بیشتر می کنند چون نیازمند مواد اولیه یا روش های خاصی هستند که با استفاده از روش های تولید انبوه منسوجات قابل دستیابی نمی باشد. این موضوع در کنار نیاز بیشتر به عناصر حسگر در صنعت تیم تحقیقاتی را به این سمت سوق داد که بررسی کنند آیا پیشرفت های صورت گرفته در پردازش سیگنال می تواند نیاز به رابط ها را کاهش دهد و آیا می توان با ایجاد امکان انجام اندازه گیری های متعدد از روی یک لیف حوزه حسگری را افزایش داد؟

آن ها دریافتند که توزیع حسگر می تواند راه حلی برای این مسایل باشد چون فناوری پوشیدنی اندازه حرکت به دست می آورد که درعمل امکان اندازه گیری های متعدد با استفاده از یک سنسور تکی را فراهم می کند.

هانیگان می گوید در حال حاضر استفاده از سیستم های ضبط حرکت نوری و واحدهای اندازه گیری اینرسی(IMUs) برای ردیابی وضعیت بدن رایج است. مورد اول دارای دقت بسیار بالا اما گران است و ضبط حرکات محدود به یک آزمایشگاه آنالیز راه رفتن می باشد. مورد دوم نیز معمولا نیازمند نصب سنسورهای جداگانه بر روی هر قسمت است که مناسب استفاده روزمره نیست.

او شرح می دهد که چگونه می توان سنسورهای کشسان نرم را با استفاده از دوخت یا بافندگی درون پارچه قرار داد و به راحتی و به شیوه ای تقریبا نامحسوس حرکات بدن را بررسی کرد. از سیستم های نظارت بر حرکت بر پایه حسگرهای فشار می توان برای ردیابی قسمت های متحرک بدن در لحظه، بررسی پیشرفت توانبخشی در منزل و انجام مطالعات مربوط به ارگونومی در محیط کار استفاده کرد.

نخ الکترونیک ETH

تیم تحقیقاتی برای آزمایش سنسورهای جدید آن را درون یک جفت لگینگ ورزشی به کار گرفت. آن ها با مشاهده گوشی هوشمند افراد متوجه می شدند که چه زمانی به حد مورد نظر رسیده اند و زمان استراحت آن هاست.

این کار توسط ساختار نخ امکان پذیر است؛ الیاف داخلی این نخ از یک لاستیک الاستیک و رسانا تشکیل شده اند. آن ها یک سیم سخت را که با یک لایه نازک پلاستیکی پوشانده شده بود به صورت مارپیچ دور الیاف نخ قرار دادند. این مواد در کنار یکدیگر به عنوان یک الکترود عمل کرده و یک میدان الکتریکی ایجاد می کنند وخازنی را تشکیل می دهند که می تواند بار الکتریکی را در خود ذخیره کند.

ظرفیت الکتریکی بین این دو جزء متناسب با میزان کشش بوده و حساسیت آن به طرز باورنکردنی بالاست. فضای بین مارپیچ تعیین کننده میزان حساسیت است و این امکان را ایجاد می کند تا یک لیف بلند دارای قسمت هایی با حساسیت بالا، پایین و حتی صفر نسبت به کشش باشد.

محققان قسمت های با حساسیت بسیار بالا را نزدیک به مفصل ها و قسمت هایی با حساسیت نزدیک به صفر را در مناطق دیگر قرار دادند. آن ها دریافتند که این سنسورها بسته به این که در کدام قسمت آن ها کشش رخ می دهد دارای رفتار الکتریکی متفاوتی می باشند.

محققان با دوختن این نخ ها به لگینگ های ورزشی که با حرکت شخص مورد کشش یا جمع شدگی قرار می گیرد، چگونگی تغییر فضای بین دو لیف با هر حرکت و در نتیجه میدان الکتریکی و بار خازن را ثبت کردند.

آن ها سپس با استفاده از داده های به دست آمده و تجزیه و تحلیل الگو مدلی را ایجاد کردند که با استفاده از آن امکان پیش بینی زمان خستگی دونده وجود داشت.

چالش ها

هانیگان می گوید یکی از فاکتورهای مورد آزمایش در میان الیاف حسگر دوام آن ها بود که نتایج درخشانی نیز در این رابطه حاصل شد.

او گفت: "ما خصوصیات مکانیکی و الکتریکی حسگرها، ثبات حرارتی آن ها و تاثیر خم شدن بر روی واکنش آن ها در برابر کشش را مورد ارزیابی قرار دادیم. طراحی حسگرها به گونه ای است که به طور ذاتی از سختی لازم در برابر کشش بیش از حد برخوردارند، حالت مارپیچی آن ها در اثر کشش صاف شده و به دلیل استحکام بالای آن مانع از شکستگی می شود."

با این حال شستشوی این نخ ها همچنان یکی از چالش های موجود است چون پوشش الیاف به گونه ای است که با هر بار شستشو رسانایی خود را از دست می دهد.

علاوه بر آن پایایی همچنان یکی از چالش های مهم در صنعت نساجی و طبیعتا منسوجات هوشمند به شمار می رود. سنسورهای لیفی از الیاف الاستان با پوشش رسانای زیست تجزیه پذیر و زیست سازگار تهیه می شوند. گام بعدی می تواند این باشد که این الیاف را تنها از یک ماده اولیه تهیه کرد که باعث می شود منسوجات الکتریکی راحت تر قابل بازیافت باشند. برای بهبود پایایی همچنان راه زیادی در پیش است.

محققان اطمینان دارند که روش توزیع حسگرها می تواند برای منسوجات الکترونیکی که با استفاده از الیاف کارکردی بافته یا کشبافی می شوند، نویدبخش باشد. این فناوری نیاز به رابط ها یا حسگرها را از بین می برد و اجزای الکترونیکی سخت را در یک مکان جداگانه و تنها با یک رابط جداسازی می کند.

هانیگان گفت که آن ها امیدوارند فناوری جدید تا حد زیادی باعث افزایش مقیاس پذیری در طراحی های موردی شود.

او اضاف کرد: "ما امیدواریم تا فناوری ما کمکی باشد برای این که صنعت در جهتی پیش رود که در آن منسوجات هوشمند از ابتدا با استفاده از الیاف یا پارچه های کارکردی تهیه شوند. خوشحالیم از این که فناوری های پوشیدنی با سرعت زیادی در حال پیشرفت هستند و امیدهای زیادی را برای آینده نزدیک با خود به همراه دارند."