منسوجات هوشمند ساختار هایی هستند كه شرایط محیطی را احساس و نسبت به آنها واكنش نشان می دهند. تولید و كاربرد منسوجات هوشمند از دایره تخیل خارج شده و به حقیقت بیوسته اند. فرشهای خود تمیز كننده نمونه مناسبی برای كاربرد تجاری این نسوج است. بسته به نحوه واكنش ٬ منسوجات هوشمند را به چند دسته تقسیم می كنند؛

  • منسوج هوشمند غیر فعال كه تنها شرایط محیطی را حس می كند.
  • منسوج هوشمند فعال كه شرایط محیطی را حس و واكنش نشان می دهد.
  • منسوج هوشمند بسیار فعال كه شرایط محیطی را حس ٬ واكنش نشان داده و خود را با آنها سازگار می كند.
  • منسوج فوق العاده هوشمند كه قادر به انجام وظیفه بر اساس یك طرح از پیش تعیین شده است.

اولین و عمده ترین کاربرد منسوجات هوشمند در زمینه پارچه و البسه است.

در اولین نسل از البسه هوشمند٬ از مواد و اجزاء معمولی استفاده شده و سعی شده منسوج با عناصر خارجی سازگار گردد. این نسل را می توان نسل البسه الکترونیکی نامید چرا که تعدادی از قطعات الکترونیکی به یک لباس معمولی اضافه شده است. اولین قدم موفقیت آمیز برای قابل پوشیدن کردن آنها توسط یک شرکت آمریکایی در دهه ۱۹۹۰ برداشته شد.این شرکت یک کت الکترونیکی را به بازار ارائه کرد که برای قرار گرفتن برخی از قطعات و دستگاههای الکترونیکی نظیر میکروفن٬ گوشی ٬ کنترل راه دور ٬ گوشی همراه و MP3 Player سازگار شده بود. ساختار این کت بگونه ای بود که تمامی این اجزا بهمراه سیم های ارتباطی داخل کت می توانست در هنگام نیاز به شستشو از داخل کت به دقت خارج شود. این محدودیت منجر به پژوهش برای تولید نسل جدیدی از البسه هوشمند شد. Infincon یک MP3 Player مینیاتوری را توسعه داد که میتواند در یک لباس جا داده شود. طرح کامل آن عبارت بود از یک میکرو چیپ مرکزی ٬ یک گوشی٬ یک باتری ٬ یک کارت مخصوص دانلود کردن برای موسیقی و یک سیستم ارتباطی داخلی همه اجزاء با استفاده از پارچه تاری پودی رسانا. استفاده از بسته بندی های ضد آب ٬ اجزا را در برابر شستسو محافظت می کرد. با این وجود اجزای اضافه شده به البسه همیشه مشکلاتی را در هنگام پوشیدن ایجاد می کردند و ارتباط بین لباس و اجزائ اضافه شده همیشه باعث دردسر بود. در نسل بعدی سعی بر این بوده است که از مواد نساجی به عنوان اجزاء استفاده شود. اساسا ۵ واحد مجزا را می توان برای یک لباس هوشمند متصور شد:

۱- حس کننده ها یا سنسور ها ۲- پردازشگر ۳- واحد عمل کننده یا بکار اندازنده ۴ - انباره ۵- سیستم ارتباطی

هر واحد نقش معینی دارند ولی ممکن است که البسه هوشمند شامل همه اجزاء فوق نباشد.

حس کننده ها پارامتر های مورد نیاز را از بدن و یا محیط دریافت می کنند. از آنجا که البسه در تماس مستقیم تا بدن هستند٬ بنابر این سنسور های منسوجات وسایل خوبی برای اندازگیری پارامترها یا متغیر های بیولوژیک بدن نظیر حرارت بدن ٬ فشار خون ٬ رطوبت بدن ٬ تنفس و ضربان قلب است.معمولا این سنسور ها دارای مشکلات زیر هستند:

  • مشکل انعطاف پذیری و تغییر شکل برای راحتی در پوشش بویزه هنگامی که شخص در حال حرکت است.
  • سیگنالهای ارسالی از آنها شدت پایینی دارند
  • ثبات و پایداری آنها متاثر از پوشش و شستشو است.

پردازشگر ها یکی از اجزایی هستند که تنها برای مواقعی که پردازش فعال مورد نیاز باشد٬ بکار می رود. از آنجا که منسوجات هیچگونه امکانی برای پردازش حجم بسیار داده های ارسالی از سنسور ها را ندارند٬ بنابر این هنوز هم قطعات الکترونیکی مورد نیاز است. با این وجود پردازشگر ها در یک فرم مینیاتوری و قابل انعطاف در دسترس هستند. آنها در بسته بندی های ضد آب قرار دارند٬ اما هنوز هم در اصل دوام آنها محدودیت وجود دارد. در این زمینه ٬ تحقیقات به سمتی پیش می رود که این پردازشگرها را بتوان بر روی الیاف تثبیت نمود. در این مورد بایستی بر محدودیت هایی نظیر دوام در برابر شستشو و تغییر شکل غلبه نمود تا بتوان انها را بصورت تجاری به بازار عرضه نمود.

واحد عمل کننده ٬ به پالس ارسالی از طرف سنسور ها - احتمالا پس از پردازش - واکنش نشان میدهند. این واحد واکنش هایی نظیر ایجاد صدا٬ آزاد کردن مواد٬ به حرکت در اوردن چیزها و کارهای دیگری را سبب می شوند. مواد تغییر شکل دهنده حافظه دار بهترین مثال در این زمینه هستند. این مواد بدلیل قابلیتشان برای واکنش در برابر تغییرات حرارت ٬ می تو انند بعنوان عمل کننده مورد استفاده قرار گیرند و با تجهیزات یک منسوج هوشمند پیوند برقرار کنند. یک شرکت ایتالیایی اخیرا یک پارچهء حافظه دار بافته است که هنگامیکه حرارت داده می شود٬ چروکهای روی پارچه به خودی خود ازبین می رود. بعبارت دیگر با یک سشوار می توان این لباس را اتو نمود. چالش اصلی در مورد کاربرد عمل کننده ها این است که چطور می توان عمل کننده های بزرگ مکانیکی را طراحی نمود که همانند ماهیچه های مصنوعی عمل کند. نوع دومی از این عمل کننده ها ٬ شیمیایی هستند که در شرایط معینی٬ مواد ی را ازاد می کنند. این عمل کننده ها بطور تجاری به بازار عرضه شده اند. آنها موادی نظیر محصولات محافظ پوست ٬ مواد معطر و یا مواد ضد باکتری را آزاد می کنند.

عمومی ترین انباره ها ٬مکانی برای ذخیره داده ها و یا انرژی هستند. حس کردن٬ پردازش داده ها و واکنش نشان دادن نیاز مند انرژی و عموما انرژی الکتریکی هستند. منابع انرژی که برای پارچه ها در دسترس هستند عبارتند از : حرارت بدن٬ حرکات مکانیکی بدن و البسه و انرژی خورشیدی. هنگامیکه از ذخیره انرژی نام برده می شود٬ اولین چیزی که به ذهن خطور می کند باتری است. باتری های اموزی در حال کوچک و سبک شدن هستند. حتی نوع انعطاف پذیر آنها نیز در دسترس هستند. در یکی از دانشگاه های استرالیا باتری های لیفی طراحی و ساخته شده اند.

ارتباطات برای یک منسوج هوشمند وجه های متعددی نظیر ارتباط بین المانهای داخل لباس ٬ ارتباط بین لباس و محیط و ارتباط بین لباس و شخص پوشنده لباس دارد. ارتباط بین اجزاء در داخل یک منسوج هوشمند توسط استفاده از الیاف نوری و یا نخهای رسانا بر قرار می شود. آنها می توانند بدون مشکل بصورت البسه بدون درز بافته شوند.

پارچه ها سطح بزرگی را فراهم میکنند که ممکن است برای جای دادن تعداد زیادی از سنسور ها و پردازشگر ها که برای تحقق بخشیدن خواست مشتریان جهت مصارف متعددی٬ نیاز باشد. ضمیمه نمودن تکنولوژی های مدرن نظیر سنسور ها و پردازشگر ها میتوان به منسوجات نساجی بعد دومی تحت عنوان منسوجات هوشمند ببخشد و راه را برای این رویا که پارچه می تواند یک کامپیوتر باشد٬ هموار می کند. شکل زیر نمونه ای از ضمیمه کردن شبکه ای از سنسور ها به یک پارچه را نشان می دهد.

تحقیقات در دانشگاه جورجیا در سال ۱۹۹۶ اولین تلاشبرای تولید مادر بورد قابل پوشیدن یا البسه هوشمند برای قرن ۲۱ است. این مادر بورد قابل پوشیدن که برای مصارف پزشکی از آن استفاده می شود ٬ از الیاف نوری برای آشکار کردن زخم ناشی از گلوله استفاده می کند و مجهز به سنسور های مخصوصی برای مونیتورینگ سیگنالهای حیاتی بدن است. شکل زیر مدلی از این مادر بورد قابل پوشیدن را ارائه می دهد. زیر ساختار این وسیله پارچه ای است که با تکنولوزی بافندگی تاری و پودی و یا حلقوی پودی و از الیافی مانند پنبه ٬ پلی استر و یا مخلوط الیاف مصنوعی و طبیعی تهیه می شود. از یک تکنولوژی ارتباط داخلی پیشرفته ای برای ایجاد یک بدنه قابل انعطاف و قابل پوشش استفاده شده که سنسور هایی برای ثبت علائم حیاتی بدن به آن پیوند خورده است. علاوه بر این با اتصال یک میکروفون امکان ضبط صدا نیز وجود دارد. خطوط باس منعطفی که به ساختار آن ضمیمه شده است ٬ اطلاعات را از سنسور ها به پردازشگر چند منظوره ارسال می دارد که به پیراهن متصل شده است. این پردازشگر سیگنال ها را پردازش نموده و با استفاده از تکنولوژی بلوتوث به محل مورد نظر ( مطب دکتر و یا بیمارستان) ارسال می دارد.

در زیر هم تصویری از مادربرد قابل پوشیدن را ملاحظه می کنید که پارچه پایه آن بروش بافندگی حلقوی پودی تهیه شده است.

موارد کاربرد البسه هوشمند عبارتست از :

  • مو نیتورینگ یک فضا نورد در حال راهپیمایی در فضا٬ یک آتش نشان و یا پلیس و سرباز در حال خدمت
  • مونیتورینگ پزشکی بیماران ٬ اطفال و افراد مسن

كمپانی انگلیسی الکسن تكنولوژی جدیدی را ارائه داده است كه آنها را قادر به ترکیب سنسورها و كلیدهای حسگر با تار و پود منسوجات مینماید . این پارچه های هوشمند با قابلیت انعطاف پذیری و تاشوندگی قابل شستشو و دوخت و دوز نیز می باشند كه در مصارف البسه و پوشاك خاص , ساخت عروسكها , جلد گوشی های موبایل , صندلی های هواپیما و تشكهای تخت بیمارستان استفاده خواهند شد.
الکسن صفحه كلید انعطاف پذیری نیز برای PDA هایی كه می توانند در بیمارستانها در سنسور تختها به كار روند ارائه كرده است.این پارچه ها تركیبی از فیبرهای رسانا و الیاف منسوجات معمولی می باشند كه از دو لایه الكتریكی بیرونی پلاستیكی كه لایه ای بافته شده از فیبرهای رسانا در مابین این دولایه قرار می گیرد ساخته شده اند . ولتاژ اندازه گیری رساننده ها بوسیله باطری هدایت می شود , وقتی كه فشار به لایه های خارجی وارد شود ( مثل فشار انگشت) ولتاژ سنسورها تغییر می کند , سنسوری كه این تغییر را كشف می كند می تواند فشار وارده را با توجه به وضعییت تغییر دهد .
شركت "لومینكس" ایتالیا ‬دست به ابتكاری تازه زده وپارچه- های نورانی را با استفاده از فیبرهای نوری و الیاف معمولی نساجی تولید كرده است. "كریستیانو پروتزی" از شركت لومینكس می‌گوید: "از جمله مواد تشكیل‌دهنده پارچه هوشمندی كه تولید كرده‌ایم فیبرنوری است، اما جنبه فنی رسیدن به این پارچه را نباید فراموش كرد. در روشی كه ما استفاده كرده‌ایم فیبرهای نوری توسط دیودهای نورانی كه بازدهی بالایی دارند، درخشان شده است." لومینكس پوشاك "نورانی" مختلفی را به بازار عرضه كرده است. شال، شلوار و پیراهن مردانه كه مانند ستاره‌های شب می‌درخشند، البته متقاضیان پوشاك درخشان لومینكس فقط كسانی نیستند كه به دنبال لباس برای پوشیدن در شب نشینی‌ها هستند. آقای پروتزی در همین‌باره می‌گوید: "استفاده‌های گسترده‌ای از این پارچه هوشمند می‌شود، مثلا می‌توان در جشن‌ها برای تهیه تزیین آلات و مبلمان و غیره استفاده كرد، اما پارچه هوشمند ما مصارف مهمتری هم دارد. مثلا از این پارچه نورانی برای تهیه اونیفورم نیروهای پلیس و خدمات امدادرسانی نیز استفاده می‌شود." جای شك نیست كه این فناوری جدید می‌تواند در شرایطی كه به دلیل كاهش نور دید كافی وجود ندارد، مثلا در هوای مه آلود یا پوشیده از دود، جان افراد را نجات دهد. ایتالیایی‌ها تنها كسانی نیستند كه در زمینه ادغام الیاف نساجی با فناوری دیجیتال كنكاش كرده‌اند.

شركت انگلیسی "الكسن" ‬پارچه‌ای تولید كرده كه به تماس دست حساس است و پارچه هوشمند الكسن با نام تجاری "الكتكس" از سه لایه پارچه تشكیل شده است. لایه لایه بودن پارچه هوشمند الكتكس این امكان را بوجود می‌آورد كه بار الكتریكی تولید شده توسط نرم‌افزار رایانه‌ای پس از تماس دست با آن به لایه های دیگر منتقل شود. "رابین شپرد" مدیر اجرایی الكسن در این‌باره می‌گوید: این پارچه هوشمند می‌تواند مصارف زیادی داشته باشد، از جمله می‌توان از آن برای ساختن یك صفحه كلید رایانه‌ای استفاده كرد. به گفته وی، "اگر به نقطه‌ای از الكتكس دست بزنیم، نرم‌افزار اعلام می‌كند كه به پارچه دست زده شده و از ما می‌خواهد كه آن را با یكی از كلیدهای رایانه تعریف كنیم. مثلا كلید حرف ‪ Q‬و نقطه‌ای دیگر از پارچه را كلید حرف ‪ W‬و غیره و به این ترتیب می‌توانیم یك صفحه كلید كامل را بر روی پارچه منتقل كنیم." الكتكس حتی به میزان فشار انگشت بر روی آن حساس است و بنابراین، این نرم‌افزار ماست كه تعیین‌كننده مصرف پارچه الكتكس است نه خود پارچه. شركت الكسن امیدوار است كه در آینده‌ای نزدیك همه بتوانند سخت‌افزارهای رایانه‌ای و یا دستگاه پخش‌كننده موسیقی موسوم به "آی پاد" را به تن كنند و بعد برای شستن آن از ماشین لباسشویی استفاده كنند.


محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، پیشرفت‌های چشمگیری در توسعة روش‌های مبتنی بر فناوری نانو برای لایه‌های منسوجات هوشمند داشته‌اند، که نه تنها خواص و کارآیی‌های اولیه و ایمنی نظامی بدون از دست رفتن سهولت استفاده را دارا می‌باشند، بلکه می تواند طیف وسیعی از کاربردهای دیگر را نیز داشته باشند. دکتر "هاینستروزا" استادیار دانشکدة مهندسی نساجی، شیمی و علوم این دانشگاه، در زمینة توسعة منسوجات مقاوم شیمیایی با اتصال نانولایه‌ها به الیاف طبیعی، پیش قدم بوده است. این لایه‌ها که فقط 20 نانومتر، ضخامت دارند و از پلیمرهای گوناگونی ساخته شده‌اند، قادرند اشیائی را که از لایه‌ها می‌گذرند کنترل کنند. این فرآیند، انتقال انتخابی نامیده می‌شود.
وی افزود:‌"این لایه‌ها برای اهداف شیمیایی مختلفی ساخته‌ شده‌اند. ما می‌توانیم به طور خاص مواد شیمیایی جنگی نظیر گاز اعصاب یا خردل یا مواد شیمیایی صنعتی را در این لایه‌ها مسدود یا گرفتار کنیم در حالیکه هنوز هم هوا و رطوبت می‌توانند از این پارچه عبور کنند و تنفس را امکان‌پذیر نمایند."
مواد شیمیایی زمانی‌که با پلیمرهای الیاف پیوند می‌خورند (می‌چسبند)، مسدود و گرفتار خواهند شد و این مواد پلیمری در حقیقت از مواد جاذب افزودنی‌های شیمیایی ساخته شده‌اند.
این پارچه را می‌توان در پوشاک و البسه‌ای که سطح محافظت بالایی دارند، به کار برد. می‌توان صدها نانولایه را به یک لیف بدون تأثیرگذاری بر کاربرد آسانش متصل کرد. این ایده در صنایع نیمه هادی نیز آزمایش شده است، اما تاکنون به ساخته‌های انعطاف پذیر متصل نشده‌‌اند.
نانو لایه‌ها بوسیلة نیروی الکترواستاتیکی، شبیه آنچه که آهن‌ربا بسته به میزان شارژ الکترومغناطیسی جذب می‌کند، به الیاف طبیعی می‌چسبند.
موارد گوناگونی جهت کاربرد این فناوری در تولید منسوجات هوشمند وجود دارد: مانند دستکش‌هایی با پوششی از داروهای ورم مفاصل، یونیفرم‌های نظامی پوشیده شده با لایه‌های ضد باکتری جهت ممانعت از سرایت بیماریهای ناشی از جراحت، صفحات ضد باکتری برای تخت‌خوابهای موجود در زیر دریایی‌ها جهت ممانعت از گسترش بیماری و لباس‌های محافظ مناسب در مقابل چندین مادة شیمیایی و میکروبی جنگی. دیگر کاربردهای این فناوری شامل پارچه‌های پوشیده شده با پلی الکترولیت‌های ضد خارش و نیز دستمال‌های پوشیده شده با داروهای ضد حساسیت می‌باشد.
دکتر هانیستروزا و همکارانش از طرف ‌مؤسسة فناوری نساجی پشتیبانی می‌شوند و اخیراً پاداشی را از کمیتة راهبری فناوری نانوی دانشگاه کارولینای شمالی جهت دنبال کردن این کار دریافت کرده‌اند.

اخیرا در ایران کتابی تحت عنوان الیاف٬ پارچه ها و پ.شاک هوشمند ترجمه شده است که تصویری از این کتاب را در زیر ملاحظه می کنید.

الیاف، پارچه‌ها و پوشاک هوشمند

رسته: علوم عملی ٬ مهندسی
ناشر: تندیس

نوشته شده در تاریخ چهارشنبه 14 مهر 1389    | توسط: اسماعیل شعبانی    |    | نظرات()