[Zohreh Gholami]

منسوجات هوشمند


منسوجات هوشمند ساختار هايي هستند كه شرايط محيطي را احساس و نسبت به آن ها واكنش نشان مي دهند. توليد و كاربرد منسوجات هوشمند از دايره تخيل خارج شده و به حقيقت بيوسته اند. فرشهاي خود تميز كننده نمونه مناسبي براي كاربرد تجاري اين نسوج است.
 
بسته به نحوه واكنش٬ منسوجات هوشمند را به چند دسته تقسيم مي كنند:
منسوج هوشمند غير فعال كه تنها شرايط محيطي را حس مي كند.
منسوج هوشمند فعال كه شرايط محيطي را حس و واكنش نشان مي دهد.
منسوج هوشمند بسيار فعال كه شرايط محيطي را حس ٬ واكنش نشان داده و خود را با آن ها سازگار مي كند.
منسوج فوق العاده هوشمند كه قادر به انجام وظيفه بر اساس يك طرح از پيش تعیين 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.  [wiki]Infincon[/wiki]یک MP3 Player مینیاتوری را توسعه داد که می تواند 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 اجزا 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 اجزای اضافه شده همیشه باعث دردسر بود. در نسل بعدی سعی بر این بوده است که از مواد نساجی به عنوان اجزا استفاده شود.


اساساً 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.
معمولاً این سنسور ها دارای مشکلات زیر هستند:
مشکل انعطاف پذیری و تغییر شکل برای راحتی در پوشش به ویژه 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٬ به کار می رود. از آنجا که منسوجات هیچ گونه 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 آن ها 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 آن ها را به صورت تجاری به بازار عرضه نمود.

واحد عمل کننده٬ به پالس ارسالی از طرف سنسور ها - احتمالا پس از پردازش - واکنش نشان می دهند. 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 پارچه حافظه دار بافته است که هنگامیکه حرارت داده می شود٬ چروک های روی پارچه به خودی خود ازبین می رود. به عبارت 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 می کنند 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 می توان 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.

تحقیقات در دانشگاه جورجیا در سال ۱۹۹۶ اولین تلاش برای 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 انگليسي الکسن تكنولوژي جدیدی را ارائه داده است كه آنها را قادر به ترکیب سنسورها و كليدهاي حسگر با تار و پود منسوجات مي نماید. اين پارچه هاي هوشمند با قابليت انعطاف پذيري و تاشوندگي قابل شستشو و دوخت و دوز نيز مي باشند كه در مصارف البسه و پوشاك خاص، ساخت عروسك ها، جلد گوشي هاي موبايل، صندلي هاي هواپيما و تشك هاي تخت بيمارستان استفاده خواهند شد.
الکسن صفحه كليد انعطاف پذيري نيز براي PDA هايي كه مي توانند در بيمارستان ها در سنسور تخت ها به كار روند ارائه كرده است. اين پارچه ها تركيبي از فيبرهاي رسانا و الياف منسوجات معمولي مي باشند كه از دو لايه الكتريكي بيروني پلاستيكي كه لايه اي بافته شده از فيبرهاي رسانا در مابين اين دولايه قرار مي گيرد ساخته شده اند. ولتاژ اندازه گيري رساننده ها به وسيله باطري هدايت مي شود، وقتي كه فشار به لايه هاي خارجي وارد شود ( مثل فشار انگشت) ولتاژ سنسورها تغییر می کند، سنسوري كه اين تغيير را كشف مي كند مي تواند فشار وارده را با توجه به وضعييت تغيير دهد.
شركت "لومينكس" ایتالیا ‬دست به ابتكاري تازه زده و پارچه - هاي نوراني را با استفاده از فيبرهاي نوري و الياف معمولي نساجي توليد كرده است. "كريستيانو پروتزي" از شركت لومينكس مي‌گويد: "از جمله مواد تشكيل‌دهنده پارچه هوشمندي كه توليد كرده‌ايم فيبرنوري است، اما جنبه فني رسيدن به اين پارچه را نبايد فراموش كرد. در روشي كه ما استفاده كرده‌ايم فيبرهاي نوري توسط ديودهاي نوراني كه بازدهي بالايي دارند، درخشان شده است." لومينكس پوشاك "نوراني" مختلفي را به بازار عرضه كرده است. شال، شلوار و پيراهن مردانه كه مانند ستاره‌هاي شب مي‌درخشند، البته متقاضيان پوشاك درخشان لومينكس فقط كساني نيستند كه به دنبال لباس براي پوشيدن در شب نشيني‌ها هستند. آقاي پروتزي در همين‌باره مي‌گويد: "استفاده‌هاي گسترده‌اي از اين پارچه هوشمند مي‌شود، مثلاً مي‌توان در جشن‌ها براي تهيه تزيين آلات و مبلمان و غيره استفاده كرد، اما پارچه هوشمند ما مصارف مهم تري هم دارد. مثلا از اين پارچه نوراني براي تهيه اونيفورم نيروهاي پليس و خدمات امدادرساني نيز استفاده مي‌شود." جاي شك نيست كه اين فناوري جديد مي‌تواند در شرايطي كه به دليل كاهش نور ديد كافي وجود ندارد، مثلا در هواي مه آلود يا پوشيده از دود، جان افراد را نجات دهد. ايتاليايي‌ها تنها كساني نيستند كه در زمينه ادغام الياف نساجي با فناوري ديجيتال كنكاش كرده‌اند.

شركت انگليسي "الكسن" ‬پارچه‌اي توليد كرده كه به تماس دست حساس است و پارچه هوشمند الكسن با نام تجاري "الكتكس" از سه لايه پارچه تشكيل شده است. لايه لايه بودن پارچه هوشمند الكتكس اين امكان را بوجود مي‌آورد كه بار الكتريكي توليد شده توسط نرم‌افزار رايانه‌اي پس از تماس دست با آن به لايه هاي ديگر منتقل شود. "رابين شپرد" مدير اجرايي الكسن در اين‌باره مي‌گويد: اين پارچه هوشمند مي‌تواند مصارف زيادي داشته باشد، از جمله مي‌توان از آن براي ساختن يك صفحه كليد رايانه‌اي استفاده كرد. به گفته وي، "اگر به نقطه‌اي از الكتكس دست بزنيم، نرم‌افزار اعلام مي‌كند كه به پارچه دست زده شده و از ما مي‌خواهد كه آن را با يكي از كليدهاي رايانه تعريف كنيم. مثلا كليد حرف ‪Q‬و نقطه‌اي ديگر از پارچه را كليد حرف ‪W‬و غيره و به اين ترتيب مي‌توانيم يك صفحه كليد كامل را بر روي پارچه منتقل كنيم." الكتكس حتي به ميزان فشار انگشت بر روي آن حساس است و بنابراين، اين نرم‌افزار ماست كه تعيين‌كننده مصرف پارچه الكتكس است نه خود پارچه. شركت الكسن اميدوار است كه در آينده‌اي نزديك همه بتوانند سخت‌افزارهاي رايانه‌اي و يا دستگاه پخش‌كننده موسيقي موسوم به "آي پاد" را به تن كنند و بعد براي شستن آن از ماشين لباسشويي استفاده كنند.

محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، پیشرفت‌های چشمگیری در توسعه 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 زمینه توسعه 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.