Arkæologi afslører, at mennesker begyndte at bære tøj for omkring 170.000 år siden, meget tæt på den næstsidste istid. Selv nu, men de fleste moderne mennesker bærer tøj, der kun næppe er forskelligt fra de tidligste tøj. Men det er ved at ændre sig, da fleksibel elektronik i stigende grad væves ind i det, der kaldes "smarte stoffer."
Mange af disse er allerede tilgængelige til køb, såsom leggings, der giver blide vibrationer til lettere yoga, T-shirts, der sporer spillerens ydeevne og sportsbh'er, der overvåger hjerterytmen. Smarte stoffer har potentielt lovende anvendelser inden for sundhedsvæsenet (måling af patienternes hjerterytme og blodtryk), forsvar (overvågning af soldaters sundhed og aktivitetsniveauer), biler (justering af sædetemperaturer for at gøre passagererne mere komfortable) og endda smarte byer (lade skiltene kommunikere med forbipasserende).
Ideelt set vil de elektroniske komponenter i disse beklædningsgenstande - sensorer, antenner til transmission af data og batterier til strømforsyning - være små, fleksible og stort set ubemærket af deres brugere. Det er sandt i dag for sensorer, hvoraf mange er endda maskinvaskbare. Men de fleste antenner og batterier er stive og ikke vandtætte, så de skal fjernes fra tøjet, før de vaskes.
Mit arbejde på ElectroScience Laboratory ved Ohio State University har til formål at gøre antenner og strømkilder, der er lige så fleksible og vaskbare. Specifikt broderer vi elektronik direkte i stoffer ved hjælp af ledende tråde, som vi kalder "e-tråde."
Antennebroderi
En broderet antenne (ElectroScience Lab, CC BY-ND) De e-tråde, vi arbejder med, er bundter af snoede polymerfilamenter for at give styrke, hver med en metalbaseret belægning til ledning af elektricitet. Polymerkernen i hvert filament er typisk lavet af Kevlar eller Zylon, medens den omgivende belægning er sølv. Tit eller endda hundreder af disse filamenter er derefter snoet sammen for at danne en enkelt e-tråd, der normalt er mindre end en halv millimeter på tværs.
Disse e-tråde kan let bruges med almindeligt kommercielt broderiudstyr - de samme computerforbundne syningsmaskiner, som folk bruger hver dag til at sætte deres navn på sportsjakker og sweatshirts. De broderede antenner er lette og lige så gode som deres stive kobberpartikler og kan være lige så indviklede som avancerede trykte kredsløb.
Vores e-trådantenner kan endda kombineres med almindelige tråde i mere komplekse design, som at integrere antenner i firmalogoer eller andre design. Vi har været i stand til at brodere antenner på stoffer, så tynde som organza og så tykke som Kevlar. Når de først er broderet, kan ledningerne forbindes til sensorer og batterier ved traditionel lodning eller fleksible sammenkoblinger, der tilslutter komponenterne.
Indtil videre har vi været i stand til at skabe smarte hatte, der læser dybe hjernesignaler til patienter med Parkinsons eller epilepsi. Vi har broderede T-shirts med antenner, der udvider række Wi-Fi-signaler til bærerens mobiltelefon. Vi lavede også måtter og sengetøj, der overvåger spædbørns højde til skærm for en række medicinske tilstande i den tidlige barndom. Og vi har lavet foldbare antenner, der måler, hvor meget en overflade stoffet er på har bøjet eller løftet.
Bevæger sig ud over antennen
Mit laboratorium arbejder også med andre Ohio State-forskere, herunder kemiker Anne Co og læge Chandan Sen, for at fremstille fleksible stofbaserede miniature-kraftgeneratorer.
Trykt på stof kan metaller generere kraft. (ElectroScience Lab, CC BY-ND) Vi bruger en proces, der ligner inkjetprint til at placere skiftende områder af sølv- og zinkprikker på stoffet. Når disse metaller kommer i kontakt med sved, saltvand eller endda væskeudladning fra sår, fungerer sølv, da den positive elektrode og zink fungerer som den negative elektrode - og elektricitet flyder mellem dem.
Vi har genereret små mængder elektricitet bare ved at få stoffet fugtigt - uden behov for yderligere kredsløb eller komponenter. Det er en fuldt fleksibel, vaskbar strømkilde, der kan forbindes med anden bærbar elektronik, hvilket eliminerer behovet for konventionelle batterier.
Både sammen og individuelt vil denne fleksible, bærbare elektronik omdanne tøj til tilsluttede, sansende, kommunikationsenheder, der fungerer godt sammen med stoffet fra det sammenkoblede 21. århundrede.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Asimina Kiourti, adjunkt i elektroteknologi og computeringeniør, Ohio State University
