Вайфай от свитера и прочие удивительные перспективы электронной пряжи

По-моему, в этом блоге ни разу не упоминался свитер. Исправим данное упущение.

Повсеместное проникновение Интернета Вещей способствует разработке различной гибкой электроники. В основном речь идёт о развитии жидких кристаллов и гибких дисплеев на их основе. Но существует и менее известное направление, которое уже вскользь упоминалось на Хабре. Это производство умных волокон и умных тканей, позволяющих внедрять датчики и дисплеи в одежду. Уже в 2021 году выпускались медицинские датчики, наклеиваемые на кожу ^[1] и позволяющие одновременно измерять кровяное давление и биохимические показатели. Летом 2022 года я публиковал на Хабре статью «Умные бронежилеты и введение в текстронику ^[2]». Текстроника – это передовая инженерная дисциплина, изучает создание гибридных материалов, сочетающих черты текстиля и электроники. Оформилась в середине прошлого десятилетия ^[3], одна из первых популярных статей на русском языке, которую мне удалось найти, «Многофункциональный текстиль и умная одежда ^[4]» вышла в 2016 году. Сегодня я расскажу о некоторых новых разработках в этой области, обеспечивающих не только снятие и отображение простейших биометрических данных, но и полноценный обмен информацией, обмен энергией, а также обрисую перспективы использования таких материалов и метаповерхностей.

Программируемая ткань

Вернёмся в 2021 год, когда команда из Массачусетского технологического института под руководством Йоэла Финка сконструировала первое волокно с цифровыми свойствами ^[5]. Нити этого материала вшиваются в рубашку, действуют как сенсоры, сохраняют и анализируют данные, а также определяют, какие именно движения совершает человек, носящий цифровую одежду.

Йоэл Финк, занимающий в MIT должность главного специалиста в лаборатории по исследованию электроники, преподаватель курсов материаловедения, электроники и информатики, указывает, что цифровое волокно распознаёт некоторые физиологические ритмы человеческого тела (которых сам человек не ощущает). Эта информация может использоваться, например, для снятия метрик физической активности, медицинского наблюдения, раннего обнаружения заболеваний. В отличие от более ранних образцов волокно, изобретённое группой Финка, является не аналоговым, а цифровым. По нему может передаваться не слабый электрический ток, а дискретный сигнал. Такой сигнал можно разделить на 0 и 1 и, следовательно, программировать.     

Память и другие свойства ткани

Новый материал получили, разместив сотни квадратных цифровых чипов на преформе, из которой затем было вытянуто полимерное волокно. Тщательно контролируя поток полимера, исследователи смогли обеспечить неразрывное электрическое соединение от чипа к чипу на десятки метров.

Само волокно получилось тонким и гибким, продевается в игольное ушко. Также оно оказалось крепким — не рвётся минимум через 10 стирок. Рубашка или футболка из такого материала получается легче, чем из хлопка.

Такая технология открывает целый ряд возможностей, связанных, прежде всего, с передачей и хранением информации. Цифровая ткань пока не может обладать серьёзными вычислительными возможностями, но обладает значительной информационной ёмкостью. По словам Габриэля Лока, одного из ведущих авторов статьи, в качестве эксперимента в цифровое волокно удалось записать полноцветный видеоролик размером 767 килобит и музыкальный файл размером 0,48 мегабайт. Информация сохраняется в волокне не менее двух месяцев без дополнительной подзарядки. На подзарядке умной ткани я остановлюсь ниже.

Не менее важно, что каждый чип в волокне адресуется отдельно, поэтому можно указывать чипу, какой из ближайших чипов считать следующим в цепочке. Таким образом, нити в лоскуте ткани или в футболке становятся «маршрутами», между которыми можно динамически переключаться. Любой чип в ткани можно включать или выключать, и это не повлияет на работу других чипов (но отразится на рисунке таких маршрутов).  

Более новые исследования, в основном ведущиеся с участием китайских специалистов, показали, что информационно-нагруженная ткань должна быть плотной и/или вязаной. В таком случае ткань могла бы служить не только хранилищем данных, но и передатчиком, работать в диапазоне и обеспечивать Wi-Fi-соединение для устройств носителя. Так, в 2024 году в журнале «Advanced Materials» было опубликовано ^[6] исследование, проведённое в Школе инженерных и прикладных наук при Колумбийском университете под руководством Наньфаня Ю. До этого Ю и его коллеги уже поднаторели ^[7] в разработке метаповерхностей ^[8]. Это ультратонкие компоненты, используемые в основном для получения диэлектрических или сложных оптических эффектов, позволяющие, например, управлять проникновением света в среду и его распространением. Оказалось, что метаповерхности не менее удобны для работы с другой частью электромагнитного спектра (радиоволнами). Решётка подобных антенн напоминает вязаную ткань и легко вплетается в неё. Ранее новость ^[9] об этом публиковала на Хабре уважаемая @maybe_elf ^[10].

Об удобстве вязания

По-видимому, к вязаному узору пришли методом проб и ошибок. Вначале Ю с коллегами, стремясь к миниатюризации антенн, пытались печатать их обычным струйным принтером на (рельефной) ткани, подбирая в качестве чернил проводящий материал, своеобразную жидкую передающую добавку. Затем нити из такой краски пытались внедрять в ткань на этапе её производства, но полоски трескались, расслаивались и крошились. Также между ними возникала интерференция. Притом, что ткань (одежда) сближалась по свойствам с антенной решёткой, такое устройство было сложно ремонтировать, наращивать или наоборот, уменьшать (масштабировать).

Оказалось, что наиболее экономичный метод, также обеспечивающий высокую пропускную способность ^[11] при передаче сигнала требует сочетать вязание и плетение. При этом плоские антенны интегрируются непосредственно в ткань. Кроме того, вязание и плетение (в том числе, с созданием правильных узоров) хорошо автоматизированы, поэтому позволят упростить переход от опытных образцов к промышленному производству.

Этот образец изготовлен по методу «плавающего жаккардового вязания». Интересно, что станок Жаккарда, созданный в середине XIX века и позволявший шить ткань с заданным узором, считается одним из первых программируемых устройств ^[12]. Поскольку такой нео-жаккардов метод при применении современных технологий позволяет создавать и точно воспроизводить очень сложные узоры, получается метаповерхность с тонко контролируемыми электромагнитными свойствами. Волокно-передатчик находится внутри нитей, дополнительно наносить или наклеивать его не приходится.   

Неожиданная техническая сложность связана с самой «плавающей» техникой вязания, а именно со свободно висящими с изнанки нитями. В описываемой метаповерхности эти нити — металлические, играют ключевую роль при обеспечении электромагнитных свойств прибора. Оказалось, что поддерживать эти нити в правильном фиксированном положении очень сложно. Их пришлось как можно сильнее укорачивать, а также предусматривать для них дополнительные точки привязки. 

В качестве демонстрации возможностей таких вязаных структур исследователи изготовили два прототипа: металинзу и генератор вихревых пучков. Металинза ^[13] — это ультратонкая линза, позволяющая фокусировать или перенаправлять электромагнитные волны. Генератор работает схожим образом — производит пучки электромагнитных волн, образующих спиралевидный узор. Возможные варианты применения таких устройств — в первую очередь, телекоммуникационные.

Площадь металинзы-прототипа составляет примерно 71 квадратный сантиметр. Линза фокусирует входящий пучок электромагнитных волн на расстоянии около 142 сантиметров под углом 30 градусов. Вязаная металинза действительно справляется с этой задачей (опыт ^[14] проводился в специальной камере, не допускающей нежелательного отражения электромагнитных волн). Коэффициент направленного действия антенны составил 21,3 дБ, а рабочая частота — 5,4 ГГЦ. Опытный образец можно было улучшить, уменьшив омические потери (потери на сопротивлении) в проводящих волокнах и потери в результате рассеяния, вызванные недостаточной регулярностью узора. Для тех, у кого ещё работает YouTube — краткий ролик об этой ткани.

Тактильные плёнки и иммерсивная реальность

Наряду с вайфай-пряжей разработка умной ткани продолжается и в другом направлении. Речь идёт о тонких проводящих плёнках, преобразующих электрический сигнал в механический. Таким образом, передаются прикосновения (тактильные ощущения). Ткань можно сравнить со второй кожей. В апреле 2024 году эту разработку представили на Ганноверской ярмарке Штефан Зеелеке и Пауль Моритц из Саарского университета. Они считают, что из такой ткани можно изготавливать больничную одежду (пижамы). Одежда сама обнимала бы носителя или укладывалась поудобнее. В перспективе она может усиливать физический контакт при общении по видеосвязи, если посетить человека лично не удаётся или запрещено.

В настоящее время эту технологию развивает целая коллаборация, в которую кроме Саарского университета прикладных наук входит Центр технологий мехатроники и автоматизации (ZeMA) и Немецкий центр исследований искусственного интеллекта ^[15] (DFKI).

Проект «Multi-immerse» является междисциплинарным, работа идёт на стыке электротехники, нейробиологии и информатики. Задача на ближайшую перспективу – добиться реалистичных тактильных ощущений. Для этого разрабатываются ультратонкие силиконовые плёнки. Сейчас готовы образцы толщиной 50 мкм, не толще человеческой кожи — поэтому и носить их можно как вторую кожу. В определённом смысле и кожа, и такая искусственная ткань подобны нейроинтерфейсу между организмом и окружающей средой.  

Эта ткань относится к классу диэлектрических эластомеров, которые уже активно используются в робототехнике ^[16] при конструировании манипуляторов и захватов. Ткань одновременно может действовать и как сенсор, и как актуатор, снимая показатели организма и одновременно имитируя прикосновения, например рукопожатие или поглаживание.

Без дополнительной подзарядки

Отдельная линия разработок, связанных с умной тканью, ведётся в Китае. Наиболее интересное отличие между теми проектами, о которых я сейчас расскажу, и их европейскими аналогами — это стремление китайских учёных наладить подзарядку метаматериалов прямо от человеческого тела. В таком случае электронная ткань, входящая в состав обычной одежды, используется для подзарядки обычных гаджетов или для поддержки WiFi-соединения в любом месте, где находится пользователь. Притом, что уже начинается коммерциализация гибких аккумуляторов ^[17], как на литий-ионной, так и на цинкоуглеродной основе, эти устройства остаются громоздкими и не могут сами генерировать энергию, позволяют только хранить её.  

Группа под руководством Кай Донга и Фэйфаня Шэня из Пекинского института наноэнергии и наносистем при китайской академии наук занята разработкой именно таких носимых зарядных устройств. В 2023 году они создали «fiber-TENG» — поддающуюся вязке ткань, которая заряжается благодаря трибоэлектрическому эффекту, то есть, в результате трения с другим материалом.

Волокно fiber-TENG состоит из трёх слоёв: полилактид (полимер, часто используемый в 3D-печати), оксид графена и полипиррол, уже широко применяемый в электронике и медицине.

При механической деформации (сгибе, растягивании) в fiber-TENG накапливается трибоэлектрический заряд между слоями полилактида и оксида графена, и сгенерированная энергия запасается в слое полипиррола. Далее эта энергия может использоваться для подзарядки гаджетов. При этом носителю электронной одежды не требуется ничего специально делать — просто двигаться.

Более продвинутые материалы создаёт группа под руководством Чэньи Хоу из университета Дунхуа в Шанхае.

В апреле 2024 года в журнале «Science» вышла статья ^[18], рассказывающая о таких волокнах. Они могут преобразовывать накапливаемую энергию в свет и в тактильные сигналы. Многие параметры волокна специально подбираются в зависимости от планируемого применения, например площадь контакта с телом, диаметр волокна или спектр электромагнитного излучения (видимый свет, радиоволны). Также эта ткань может улавливать беспроводные сигналы и служить ретранслятором WiFi. Наиболее интересный прототип, созданный этой группой – электронный ковёр, который подсвечивается, когда по нему ходишь босыми ногами, а также содержащий вставки, наступив на которые, пользователь может включать те или иные приборы, объединённые в «умный дом».

В случае широкого распространения таких технологий образцы подобного (и более многофункционального) волокна могут дать начало целой индустрии интеллектуальных салфеток, варежек-аккумуляторов, WiFi-свитеров, диагностических полотенец и аналогичных устройств. Полосы или лоскуты интеллектуальной ткани могут вшиваться в обычную одежду и, вероятно, даже работать в обратном направлении (на обогрев), превращая электрическую или механическую энергию в тепло. Возможно, подобная одежда будет незаменима в качестве маячка, по которому потерявшегося человека можно искать в дикой местности при спасательной операции — ведь устройство не разрядится до тех пор, пока жив его носитель. С другой стороны, интеллектуальные волокна могут быть удобны при работе на орбите, когда специалист может управлять приборами и датчиками с клавиатуры, расположенной буквально у него на рукаве или тыльной стороне руки. Буду продолжать наблюдение за этими разработками, а желающим почитать ещё о некоторых любопытных проектах, связанных с электронной тканью, рекомендую почитать эту статью ^[19].