روندهای اخیر در منسوجات الکترونیکی

منسوجات الکترونیکی پوشیدنی (e-textiles) توانایی حس کردن، پاسخ دادن و تنظیم محرک های محیطی متعدد را دارند که می توانند با مغز انسان برای شناخت، استدلال و فعال سازی تعامل داشته باشند. علاوه بر این، آنها توانایی تولید و ذخیره انرژی، پایش وضعیت سلامت فرد و واکنش به موقعیت های مختلف را دارند. علیرغم پیشرفت‌هایی که تاکنون انجام شده، منسوجات الکترونیکی پوشیدنی هنوز فاقد عملکرد و ویژگی‌های مورد نیاز هستند و در فرآیند تولید با چالش‌هایی از جمله عدم وجود روش‌های بافت مناسب، کاهش عملکرد در طی زمان و پایداری روبرو می‌شوند. در ادامه آخرین تحولات اخیر در مورد این چالش‌ها را بررسی خواهیم کرد.

منسوجات الکترونیکی به‌عنوان منسوجات هوشمند، منسوجات الکتریکی فعال، تکسترونیک و لوازم الکترونیکی پوشیدنی شناخته می‌شوند. این منسوجات به محرک‌های حرارتی، نوری، مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی یا مغناطیسی پاسخ می‌دهند و  بر خلاف وسایل الکترونیکی معمولی، که عمدتاً سفت و سخت هستند، در برابر آسیب‌های محیطی مقاوم‌اند.

علاوه بر این، چنین منسوجاتی انعطاف‌پذیر، سبک و نفوذپذیر هستند، که امکان قرارگیری مدارها و سیستم‌های الکترونیکی در سطوح مختلف را فراهم می‌کنند و می‌توانند به راحتی به عنوان پوشاک مورد استفاده قرار گیرند. این منسوجات با توجه به نوع کاربری در سه دسته کلی شامل منسوجات فعال، غیرفعال و هوشمند تقسیم‌بندی می‌شوند. منسوجات هوشمند غیرفعال فقط می‌توانند شرایط یا محرک ها را مشاهده کنند، در حالیکه منسوجات فعال به طور خودکار محرک‌ها را دریافت کرده و در زمان مناسب به آنها واکنش نشان می دهند. منسوجات هوشمند علاوه بر توانایی درک و پاسخگویی، قادرند مطابق با شرایط محیطی تغییرات مربوطه را اعمال کنند.

در واقع، موادی که به صورت دستی یا خودکار برنامه ریزی می‌شوند تا عملکرد خاصی را انجام دهند، سطح بالاتری از هوشمندی را از خود نشان می‌دهند. سه جزء اساسی منسوجات هوشمند عبارتند از حسگرها، محرک ها و واحدهای کنترل. از آنجایی که حسگرها به عنوان یک سیستم عصبی محیطی با قابلیت تشخیص سیگنال ها عمل می‌کنند، وجود آن‌ها در مواد هوشمند غیرفعال ضروریست. منسوجات هوشمند فعال به حسگرها و محرک ها نیاز دارند و عملگرها می توانند مستقیماً به سیگنال شناسایی شده واکنش نشان دهند یا این کار را از طریق یک واحد کنترل مرکزی انجام دهند. در بالاترین سطح پاسخ‌دهی منسوجات هوشمند هستند که نیاز به یک واحد پردازش مرکزی با قابلیت استدلال، شناخت و فعال سازی دارند. منسوجات هوشمند ممکن است تعدادی عملکرد مانند شناسایی، فعال سازی، برقراری ارتباط، پردازش داده ها و تامین انرژی را به منظور ایجاد یک سیستم هوشمند انجام دهند. با این حال، حفظ انعطاف‌پذیری لباس‌ها برای پوشیدن، کشش‌پذیری و قابل شستشو بودن از دیگر خصوصیات ضروری این منسوجات به شمار می‌رود.

منسوجات الکترونیکی دارای قطعات الکترونیکی یکپارچه هستند و می توانند برای ادغام عملکردهای مختلف در منسوجات الکترونیکی مدرن استفاده شوند. منسوجات الکترونیکی پوشیدنی مدرن به دلیل مساحت سطح بیشتر، راحتی پوشش، سهولت و انعطاف‌پذیری تولید، کارایی و حساسیت بالا، افزایش قابلیت کشش مکانیکی و انعطاف‌پذیری دارای طول عمر بیشتر و سازگاری زیستی طولانی‌مدت هستند.

تکامل منسوجات الکترونیکی

اولین نسل از منسوجات الکترونیکی با قرارگیری مدارهای الکترونیکی در لباس توسط سیم‌های پنهان و اتصالات نرم تولید شدند. از آنجایی که منسوجات الکترونیکی پوشیدنی هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند، تولید و طراحی آن‌ها با چالش‌هایی روبروست. اکثر دستگاه‌های الکتریکی به طور قابل توجهی شکننده بودند که شستشوی مکرر طول عمر آنها را محدود می‌کرد. مشکل دیگر، چسبندگی ضعیف‌تر این مدارها به ساختار منسوجات در مقایسه با دستگاه‌های الکترونیکی معمولی است که راحتی پوشش را مختل کرده و ممکن است در حین استفاده به سرعت از سطح منسوج جدا شوند.

 

 

 

 

 

 

 

نسل دوم عمدتاً بر روی ساخت منسوجات با ویژگی‌های کاربردی، با ترکیب سوئیچ‌ها و حسگرها تمرکز داشت. لوازم الکترونیکی با قطر کم می‌توانند با استفاده از چسب های ترموپلاستیک و فناوری های لمینت به پارچه های نساجی معمولی متصل شوند. علاوه بر این، با استفاده از فرآیندهای چاپ مانند چاپ اسکرین و چاپ جوهر افشان، می‌توان مدارها را مستقیماً بر روی بسترهای نساجی منتقل کرد. این روش به طور قابل توجهی سازگاری الکترونیکی منسوجات را بهبود بخشید و از آنجایی که این دستگاه‌های لایه نازک اغلب پس از بسته‌بندی مناسب، به منظور جلوگیری از آسیب‌های محیطی و سایش عرضه می‌شوند، در بهبود خاصیت نفوذپذیری تاثیر بسزایی داشتند.

در سال‌های اخیر، نسل سوم منسوجات الکترونیکی، نخ‌ها و الیاف کاربردی را به عنوان واحد‌های ساختمانی برای توسعه دستگاه‌ها و سیستم‌های هوشمند توسعه داده و به کار گرفتند. این رویکرد از پایین به بالا از مزایای فناوری‌های نساجی مانند بریدینگ، بافندگی حلقوی، بافندگی تاری-پودی و گلدوزی، به منظور ساختن الگوها و ساختارهای پیچیده‌ استفاده بهینه کرده و در عین حال خواص منسوج را حفظ می‌کنند. تا کنون، منسوجات الکترونیکی در بسیاری از محصولات مانند ایمپلنت‌ها و دستگاه‌های جراحی، وسایل الکترونیکی پوشیدنی و روباتیک تا فضاهای داخلی هوشمند با وسعت بالا و سطوح تعاملی استفاده شده‌اند.

ادغام اجزای رسانا، عملکردی و هوشمند

نانولوله‌های کربنی، اجزای روشن‌کننده، ترموکوپل‌ها یا مواد حافظه‌دار را می‌توان در انواع کاربردهای حسگر در زمینه‌های مختلف از جمله منسوجات پیشرفته استفاده کرد. مواد کرومی را می توان به منظور پایش آلودگی محیطی و تشخیص در پزشکی استفاده کرد زیرا محرک‌ها توانایی تغییر خواص نوری آنها را دارند. در این زمینه، سنسورهای pH هالوکرومیک برای شناسایی محیط‌های قلیایی یا اسیدی در ارزیابی سطوح آلودگی، کیفیت غذا و سلامتی محیط از اهمیت ویژه برخوردارند. به عنوان مثال، تغییرات در pH عرق ممکن است بر شرایط پوستی تأثیر بگذارد و به عنوان شاخص رطوبت در منسوجات پزشکی هوشمند عمل کند. نانولوله‌های کربنی، گرافن و پلیمرهای رسانا به دلیل افزایش رسانایی الکتریکی، گزینه‌های بالقوه‌ای برای توسعه منسوجات الکترونیکی از طریق ادغام حسگرها و محرک‌ها هستند. ترکیب اجزای الکتریکی در این مواد ممکن است منجر به تولید محصولات کاملاً جدید از لوازم جانبی پوشیدنی شود. کاربردهای نوآورانه ای برای دیودهای نوری، نانو الکترونیک و فلزات رسانای مایع جهت تولید منسوجات الکترونیک نوری، انعطاف پذیر و قابل کشش وجود دارد.

ادغام مواد فوتونیک با اپتو الکترونیک در الیاف نساجی پیشرفته باعث می‌شود لباس‌ها در واکنش به شرایط محیطی از جمله رطوبت، گرما، نور تحریک‌شده خارجی، آلاینده‌های موجود در هوا، گرده یا حتی گرد و غبار تغییر رنگ دهند. علاوه بر این، تأثیرات بصری سه بعدی را می‌توان با قابلیت انعکاس و میزان درخشندگی بالا توسط فیلم هولوگرافیک و پوشش های فیبر نوری متشکل از مواد دی الکتریک چند لایه در منسوجات ایجاد کرد. یک pH متر پوشیدنی را می توان با ترکیب یک مدار الکترونیکی نوری با پارچه ای که با یک ماده شیمیایی هالوکرومیک که نور مرئی را ساطع می کند، تولید کرد. رنگ‌های هالوکرومیک با استفاده از فناوری نانو یا حتی روش‌های رنگرزی مرسوم روی منسوجات تثبیت شدند و به دلیل سطح بالای انرژی نانوذرات منجر به دوام بالا در پارچه هستند. به همین دلیل، نمایشگرهای pH نوری و مقاوم در برابر شستشو قابلیت عرضه را پیدا کرده‌اند. استفاده از تکنیک سل-ژل ساده است و از طریق آن می‌توان پوشش های متخلخل و بدون فعالیت سیتوتوکسیک تولید کرد. این روش اغلب در تولید فیلم های هیبرید بر روی منسوجات هوشمند با قابلیت پاسخگویی به محرک ها یا دارای خواصی مانند فعالیت ضد باکتریایی، آب گریزی و ضد شعله استفاده می شود. بر اساس گزارشات به دست آمده، این روش در عین حفظ خواص منسوج، منجر به ظرفیت‌های عملکردی استثنایی در محصول می‌گردد. اتصال نانولوله کربنی الکترورسانا نیز نتایج جالبی را در یک سیستم الکتریکی با توانایی مشاهده لحظه‌ای دما و رطوبت نسبی نشان داد.

الیاف رسانا اساس بسیاری از منسوجات الکترونیکی پوشیدنی هستند. گزارش‌های اخیر در مورد MXene و نانوکامپوزیت‌های گرافنی، تولید طیفی از مواد نساجی الکترونیکی، از الیاف و نخ تا منسوجات هوشمند، را با ترکیب مواد دو بعدی مانند MXene و گرافن با فلزات، پلیمرهای رسانا، نانولوله‌های کربنی و غیره مورد بررسی قرار دادند. آنها همچنین نشان دادند که چگونه خواص نیمه رسانا، رسانا و الکتروشیمیایی مختلف ممکن است از ترکیب این عناصر انتخاب شده ایجاد شود. سیستم‌های تحلیلی بیولوژیکی و محرک‌های حسی فیزیکی مانند سویه‌‌های میکروارگانیسم‌ها به طور مشخص در توصیف لوازم الکترونیکی پوشیدنی هوشمند ذکر شده‌اند. بررسی پچ‌های تشخیص عرق نیز با استفاده از نمونه هایی از بانداژهای هوشمند و بخیه های هوشمند انجام شد. در MIT ایالات متحده یک صفحه کلید پارچه ای انعطاف پذیر و مستحکم با پانل گلدوزی شده برای ژاکت موزیکال Levi’s با استفاده از پارچه کامپوزیت پلی استر و تکنیک‌های گلدوزی معمولی با استفاده از نخ فولادی ضد زنگ با رسانایی کم تولید گردید. این کیبورد به شدت در برابر لمس حساس است و یک ژاکت جین معمولی را به یک ابزار موسیقی پوشیدنی تبدیل می کند که کاربر را قادر می سازد تا نت‌ها، آکوردها و ریتم‌ها را اجرا کند. تیم تحقیقاتی پروفسور کیم در کره جنوبی با استفاده از الیاف پوشانده شده با PEDOT پلیمریزه شده، پلی (۳،۴-اتیلن دی اکسی تیوفن)، یک پلتفرم نساجی با تکنیک های رابط کاربری چند منظوره و حسگرهای حرکت بدن ایجاد کردند. با ترکیب الیاف PEDOT در پارچه با استفاده از یک طرح مشخص، حسگرهای نساجی با قابلیت‌های چند منظوره، مانند سنسورهای فشار بسیار حساس، حسگرهای لمسی، حسگرهای حرکت بدن و دستگاه‌های اطلاعاتی یکپارچه تشخیص فشار چندلایه، توسعه یافته‌اند. آنتن‌های نساجی اجزای ضروری در این صنعت هستند که فارغ از محل قرارگیری، چه در داخل لباس یا بستر منسوج، به صورت بی‌سیم امکان تشخیص محرک را دارند.

 

 

 

 

 

 

 

اخیراً، ماسک‌های جراحی هوشمند، تجهیزات نور درمانی، پانسمان زخم، حسگرهای انعطاف‌پذیر و اکچویتورها همگی با استفاده از پارچه‌های الکترونیکی ساخته شده‌اند. تیمی از محققان، موفق به ساخت تجهیزات ورزشی الکترونیکی شده‌اند که می تواند ضربان قلب، تنفس و حرکت کاربر را کنترل کند. پس از جمع‌آوری، داده‌ها به منظور پردازش فوری از طریق بلوتوث به گوشی هوشمند ارسال می شوند. یک ماسک الکتریکی PU  قادر به تولید انرژی کافی بود که منجر به توقف انتقال ویروس از فردی به فرد دیگر می‌شود. در مطالعه دیگر بر روی مراقبت‌های بهداشتی، یک آستین الکترونیکی با انواع الکترودهای چاپی یکپارچه تولید گردید که برای استفاده از تحریک عضلات کاربردی است. به طور مشابه، در مطالعه دیگری از روش ساخت لایه به لایه به کمک خلاء برای ایجاد پارچه ابریشم ابرآب گریز و رسانای الکتریکی به منظور ارزیابی سطوح رطوبت تنفسی استفاده گردید. گروهی از محققان دریافتند که منسوجات الکترونیکی پوشیدنی میتوانند با استفاده از ضربان قلب و ارزیابی سیگنال‌های تنفسی داده‌های درج شده را به صورت بی سیم جهت تجزیه و تحلیل به یک برنامه در تلفن هوشمند منتقل کنند. این داده‌ها میتواند برای ارزیابی شرایط خواب افراد، ردیابی و شناسایی الگوهای خواب آنها استفاده شود.

زمانی که ماژول‌های نساجی انعطاف‌پذیر برای ارتباطات بی‌سیم در منسوجات استفاده می‌شوند، دستگاه به دلیل فعالیت‌ها و حرکات کاربر در معرض اعوجاج قرار می‌گیرد و در نتیجه باعث آسیب و نقص در جمع‌آوری داده می‌شود. بنابراین، اتخاذ رویکردی جهت حصول اطمینان از عملکرد ثابت و کارآمد آنتن در این شرایط ضروری است. استفاده از منسوجات به عنوان آنتن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است زیرا این بستر علاوه بر کیفیت تابش قابل توجه، کاربری آسانی دارد. این مواد باید دارای اجزای رسانا و عایق باشند و روش تولید صحیح مستلزم قرارگیری آنتن در منسوجات الکترونیکی است. به منظور جلوگیری از تغییرات عملکرد آنتن در شرایط آب و هوایی مختلف، لازم است تا از مواد آبگریز با کمترین مقدار بازپس‌گیری رطوبت در این فرآیند استفاده شود. یکی از سه تکنیک ساخت آنتن نساجی، تکنیک ساده، با استفاده از بافندگی حلقوی است که شامل در هم تنیدن و گلدوزی سیم‌های رسانا و نوارها یا نخ‌ها در یک تکه لباس می‌شود. در دومین تکنیک محبوب از ورق‌های حرارتی فعال شده برای ادغام پارچه های الکترونیکی استفاده می‌گردد. در نهایت، سایر فرآیندهای تولید مانند چاپ جوهر افشان پیشرفته، چاپ سه بعدی یا حتی چاپ اسکرین میتوانند جهت تنظیم آنتن، رفلکتور و صفحه پایه بر روی منسوجات الکترونیکی استفاده شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 

در حال حاضر، یک تکنیک پیشرفته هدایت امواج برای ایجاد یک آنتن پوشیدنی کاملاً ساخته شده از پارچه استفاده شود و از این رو، در صنایع خودروسازی، خرده‌فروشی، نظامی، مد و سرگرمی، همگی حوزه‌های کاربردی ویژه‌ای در آینده خواهند داشت. حسگرهای کششی و انعطاف پذیر می توانند قابلیت های ردیابی قابل توجهی را برای حرکت انسان و فعالیت بدنی ارائه دهند. با تجزیه و تحلیل دقیق داده های به دست آمده، میتوان از این پارچه های الکترونیکی برای شناسایی حرکات انسان به روشی عملی و دقیق استفاده کرد. با تحلیل دقیق داده‌های کسب شده، این منسوجات الکترونیکی می‌توانند به منظور اندازه‌گیری اندازه بدن در بنگاه‌های تولید لباس خرده فروشی و یا مصارف مربوط به دفاع شخصی استفاده شوند.

به طور خلاصه، منسوجات الکترونیکی دارای انواع عناصر مفید و همچنین برخی از فلزات سنگین خطرناک و مواد شیمیایی هالوژنه آلی هستند که هم برای سلامت انسان و هم برای محیط زیست مضر هستند. این مواد خطرناک ممکن است، در صورتی که با جریان های زباله شهری همراه شوند یا در هنگام شسته شدن از سطح زمین سوزانده شوند، هنگام بازیافت به محیط نشت کنند. علاوه بر این، با توجه به دشوار بودن فرآیند بازیافت، محققان پیشنهاد کردند که پژوهش‌های آتی بر روی توسعه مدل‌های ترکیبی متمرکز شود که مواد تشکیل دهنده به راحتی به اجزای اصلی، بدون از دست دادن خواص الکترونیکی، الکتریکی و الکتروشیمیایی، تجزیه شوند.

 

به منظور بهبود فناورهای قابل پوشیدن، اکچویتورهای انعطاف‌پذیر در حالت ایده‌آل باید در حین تولید در بستر منسوجات قرار گیرند. به عبارت دیگر، آن‌ها باید به گونه‌ای ساخته شوند که نخ‌ها یا الیاف پارچه را تشکیل دهند، بافته شوند و یا در آن‌ها بتوان بافت‌های دیگر را تولید نمود. اگر بتوان فناوری را در قالب یک تکه لباس معرفی کرد، مانند یک جوراب شلواری که سرعت کاربر را اندازه‌گیری می‌کند، محصول با استقبال بیشتری روبرو خواهد شد. تقلید حرکات و حالات موجودات زنده و ماشین‌ها از خواص منسوجات محسوب می‌شود که برخلاف دستگاه‌های الکتریکی مرسوم، طیف وسیعی از قابلیت‌ها را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، استفاده از این فناوری‌های مواد هوشمند که از لحاظ اقتصادی قابل توجیه است، دوام بخش نساجی الکترونیکی را میسر می‌کند. به منظور ارضای نیازهای بازارهای نوظهور قیمت گذاری، کمیت محصول و افزایش مقیاس تولید این محصولات ضروری است. فناوری‌ این محصولات هوشمند با قابلیت‌های چندگانه منجر به کاهش مصرف‌گرایی شده و در دنیای امروز که مخاطبان به دنبال محصولات پایدار و سرمایه‌گذاری در این بخش هستند، مزیت بزرگی محسوب می‌شود.