رشته‌های پیچیده پشت کلاهی که چراغ‌های راهنمایی را حس می‌کند

سنگاپور - خبرگزاری اخباری

رشته‌های پیچیده پشت کلاهی که چراغ‌های راهنمایی را حس می‌کند

در گام مهمی رو به جلو برای فناوری پوشیدنی، محققان کلاه هوشمندی را معرفی کرده‌اند که برای بهبود ایمنی عابران پیاده با تشخیص تغییرات چراغ راهنمایی طراحی شده است. این پوشیدنی نوآورانه که توسط تیمی مشترک از مهندسان برق و دانشمندان پارچه توسعه یافته است، از الیاف الکترونیکی پیشرفته برای ارائه هشدارهای بی‌درنگ استفاده می‌کند که به ویژه برای افراد کم بینا مفید است.

هسته اصلی این اختراع انقلابی در ادغام الیاف نیمه‌رسانای انعطاف‌پذیر و با کارایی بالا، به ویژه نخ‌های مبتنی بر ژرمانیوم است که مستقیماً در پارچه یک کلاه بافتنی بافته شده‌اند. این الیاف پیچیده قادر به تشخیص سیگنال‌های نوری متمایز چراغ‌های راهنمایی هستند. هنگامی که یک عابر پیاده نیاز به عبور از خیابان دارد، کلاه می‌تواند او را هشدار دهد - به طور بالقوه از طریق بازخورد لمسی یا نشانه صوتی - و نشان دهد که چه زمانی عبور ایمن است. این عملکرد لایه حیاتی از آگاهی و استقلال را برای افراد کم بینا فراهم می‌کند و آنها را قادر می‌سازد تا با اعتماد به نفس بیشتری در تقاطع‌های شلوغ تردد کنند.

فراتر از کاربرد فوری آن در ایمنی عابران پیاده، این نمونه اولیه به عنوان اثبات مفهومی قدرتمند برای آینده محاسبات پوشیدنی عمل می‌کند. این تحقیق نشان می‌دهد که چگونه پوشاک کاربردی می‌توانند با توانایی جمع‌آوری، پردازش و ذخیره اطلاعات مجهز شوند. این امر دری را به روی آینده‌ای باز می‌کند که در آن رایانه‌ها دستگاه‌های جداگانه نیستند، بلکه به طور یکپارچه در پوشاک ما ادغام شده‌اند و تعامل ما با فناوری را به تجربه‌ای بصری‌تر و همه‌جانبه‌تر تبدیل می‌کنند.

ایجاد الیاف رسانا که هم به اندازه کافی برای پوشاک انعطاف‌پذیر و هم به اندازه کافی قوی برای کاربردهای الکترونیکی باشند، مدت‌هاست که یک چالش مهم بوده است. اشکال بلوری سیلیکون و ژرمانیوم که به دلیل خواص نوری و الکتریکی استثنایی‌شان در صنعت الکترونیک بسیار ارزشمند هستند، باید تحت یک فرآیند تولید پیچیده قرار گیرند. این معمولاً شامل پوشاندن ماده نیمه‌هادی در یک پوشش محافظ و سپس کشیدن آن به الیاف بادوام است. روش‌های قبلی، مانند کشش حرارتی، اغلب به تولید الیاف نسبتاً کوتاه، معمولاً فقط چند ده سانتی‌متر طول، محدود می‌شدند. علاوه بر این، این فرآیندها اغلب عیوب، مانند شکستگی، را در هسته‌های نیمه‌هادی ظریف وارد می‌کردند و عملکرد و قابلیت اطمینان آنها را به خطر می‌انداختند.

با این حال، این تحقیق جدید یک لحظه مهم را نشان می‌دهد، زیرا دانشمندان با موفقیت روشی را توسعه داده‌اند که قادر به تولید الیاف بلند و انعطاف‌پذیر است که خواص اساسی تشخیص نور و خواص الکترونیکی خود را به طور کامل حفظ می‌کنند. موفقیت نمونه اولیه کلاه بافتنی به طور مستقیم اثربخشی این تکنیک ساخت جدید را تأیید می‌کند. این تیم یافته‌های خود را در یک مقاله اخیر منتشر شده در مجله معتبر Nature شرح داده‌اند و بر پیشرفت در غلبه بر محدودیت‌های قبلی تأکید کرده‌اند.

دکتر لی وی، نویسنده ارشد مطالعه و محقق پارچه‌های کاربردی در دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور، با توضیح چالش‌های ذاتی روش‌های سنتی، به مشکلات مرتبط با کشش حرارتی اشاره کرد. او توضیح داد: «در یک فرآیند معمولی کشش حرارتی، سیلیکون در داخل یک لوله شیشه‌ای قرار داده می‌شود و تا زمانی که هر دو ماده به اندازه کافی نرم شوند تا به الیاف نازک کشیده شوند، حرارت داده می‌شود. اما از آنجایی که سیلیکون و پوشش بیرونی شیشه‌ای کاملاً متفاوت هستند، هنگام گرم کردن آنها، رفتارهای کاملاً متفاوتی در انعطاف‌پذیری خود نشان خواهند داد». این اختلاف در انبساط و انقباض حرارتی بین هسته نیمه‌هادی و پوشش محافظ آن می‌تواند تنش قابل توجهی ایجاد کند که منجر به شکستگی و بی‌فایده شدن الیاف می‌شود. او تأکید کرد: «تنش قاتل است».

برای غلبه بر این مانع حیاتی، دکتر وی و تیمش از تخصص مهندسان مکانیک بهره بردند. با به کارگیری اصول مهندسی مکانیک، آنها توانستند نیروهای درگیر در هر مرحله از فرآیند گرمایش و کشش را به دقت تجزیه و تحلیل کنند. دکتر وی گفت: «ما از نظریه آنها برای هدایت انتخاب موادمان استفاده کردیم». این رویکرد میان‌رشته‌ای به آنها اجازه داد تا ترکیب‌های خاصی از مواد و پارامترهای فرآیند را که تنش را به حداقل می‌رساند و از نقص جلوگیری می‌کند، شناسایی کنند. نتیجه، ساخت موفقیت‌آمیز الیافی است که نه تنها بلند و انعطاف‌پذیر هستند، بلکه عاری از نقص‌هایی هستند که تلاش‌های قبلی را آزار می‌داد، همانطور که در مطالعه آنها در Nature گزارش شده است.

فرآیند ساخت اصلاح شده شامل انتخاب دقیق مواد پوشش است. با کپسوله کردن سیلیکون در شیشه سیلیس و ژرمانیوم در شیشه آلومینوسیلیکات، محققان به سازگاری قابل توجهی در خواص انبساط حرارتی مواد هسته و پوشش دست یافتند. این انتخاب دقیق مواد تضمین می‌کند که با گرم شدن و کشیده شدن الیاف، آنها به طور همزمان منبسط و منقبض می‌شوند و تنش داخلی را به شدت کاهش می‌دهند. این روش امکان تولید الیاف نیمه‌رسانای پیوسته و با کارایی بالا به طول صدها متر را فراهم می‌کند که به طور مرتب روی قرقره‌ها جمع‌آوری شده و آماده ادغام در منسوجات هستند. پیش‌فرم‌ها، یا مواد اولیه میله‌ای شکل مورد استفاده در فرآیند کشش، نیز تولید موفقیت‌آمیز این الیاف پیشرفته را نشان می‌دهند.

پیامدهای این پیشرفت بسیار فراتر از مفهوم اولیه کلاه هوشمند است. توانایی تولید الیاف الکترونیکی بلند، انعطاف‌پذیر و بدون نقص، طیف گسترده‌ای از احتمالات را باز می‌کند. پوشاک ورزشی را تصور کنید که داده‌های فیزیولوژیکی را در زمان واقعی ردیابی می‌کنند، لباس‌های پزشکی که علائم حیاتی را برای مراقبت از راه دور بیمار به طور مداوم پیگیری می‌کنند، یا حتی سنسورهای محیطی که در لباس‌های روزمره بافته شده‌اند تا تغییرات کیفیت هوا را تشخیص دهند. ادغام یکپارچه الکترونیک در منسوجات وعده می‌دهد که صنایع مختلفی از مراقبت‌های بهداشتی و ورزش گرفته تا ارتباطات و امنیت را متحول کند و عصری از محاسبات واقعاً همه‌جانبه را آغاز کند.

موفقیت این پروژه بر قدرت تحقیق میان‌رشته‌ای تأکید می‌کند. با گرد هم آوردن متخصصان مهندسی برق، علم مواد، مهندسی مکانیک و علم نساجی، تیم دانشگاه فناوری نانیانگ بر یک چالش اساسی در زمینه الکترونیک پوشیدنی غلبه کرده است. این روحیه همکاری برای پیشبرد نوآوری و تبدیل اکتشافات علمی پیچیده به فناوری‌های عملی و جهان‌تغییردهنده ضروری است.

خبرگزاری اخباری