رشته‌های پیچیده‌ای که پشت کلاهی که چراغ‌های راهنمایی را حس می‌کند

سنگاپور - خبرگزاری اخباری

انقلاب در فناوری پوشیدنی: کلاه هوشمندی که قرمز و سبز را می‌بیند

در ادغام قابل توجه علم پیشرفته و کاربرد روزمره، محققان اختراعی را رونمایی کرده‌اند که قرار است چشم‌انداز فناوری پوشیدنی را بازتعریف کند. یک تیم مشترک از مهندسان برق و دانشمندان پارچه با موفقیت کلاهی را طراحی و نمایش داده‌اند که قادر به تشخیص وضعیت چراغ‌های راهنمایی است و هشدارهای به‌موقع را به کاربران در مورد زمان امن عبور از خیابان ارائه می‌دهد. این کلاه مفهومی، بافته شده از الیاف خاص ژرمانیوم، بهبود ایمنی قابل توجهی را ارائه می‌دهد، به ویژه برای عابران پیاده کم‌بینا، و آنها را با اطمینان جدیدی در محیط‌های شهری راهنمایی می‌کند.

پیامدهای این توسعه فراتر از یک اکسسوری سر است. نوآوری اصلی در ایجاد الیاف نیمه‌هادی بلند، با کارایی بالا و انعطاف‌پذیر نهفته است. این الیاف که می‌توانند به طور یکپارچه در لباس‌ها ادغام شوند، قادر به انجام عملکردهای پیچیده‌ای مانند جمع‌آوری، پردازش و ذخیره اطلاعات هستند. این پیشرفت، محدودیت‌های سنتی ادغام الکترونیک در منسوجات را به چالش می‌کشد و آینده‌ای را پیشنهاد می‌کند که در آن کامپیوترها می‌توانند به راحتی لباس پوشیده شوند و به طور بالقوه حوزه‌هایی از مراقبت‌های بهداشتی تا ارتباطات را متحول کنند.

از نظر تاریخی، ساخت الیاف رسانا که برای ادغام در لباس‌ها مناسب باشند، مملو از دشواری بوده است. موادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم که به دلیل خواص نوری و الکتریکی استثنایی خود در الکترونیک پوشیدنی مورد ستایش قرار می‌گیرند، بلورین و شکننده هستند. برای استفاده در کاربردهای انعطاف‌پذیر، باید در یک پوشش محافظ کپسوله شوند و سپس با دقت به نخ‌های بادوام ریسیده شوند. روش‌های قبلی، مانند فرآیند "کشش حرارتی"، اغلب فقط الیاف بسیار کوتاه - معمولاً فقط چند ده سانتی‌متر - تولید می‌کردند و اغلب دچار شکستگی یا نقص‌های دیگر در هسته‌های نیمه‌هادی ظریف خود بودند و آنها را برای استفاده عملی غیرقابل اعتماد می‌کرد.

این تیم تحقیقاتی اکنون با توسعه یک تکنیک تولید جدید که الیاف پیوسته و انعطاف‌پذیر با قابلیت‌های کامل حسگری نور و الکترونیکی تولید می‌کند، بر این موانع غلبه کرده است. کلید موفقیت آنها، همانطور که در مطالعه اخیر منتشر شده در مجله معتبر Nature به تفصیل آمده است، در درک و دستکاری پیچیده اصول علم مواد و مهندسی مکانیک نهفته است. لی وی، نویسنده ارشد و متخصص پارچه‌های کاربردی در دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور، توضیح داد که فرآیندهای سنتی کشش حرارتی اغلب شکست می‌خورند زیرا موادی مانند سیلیکون و پوشش‌های شیشه‌ای خارجی آنها در هنگام گرم شدن با سرعت‌های متفاوتی منبسط و منقبض می‌شوند. وی گفت: "تنش کشنده است" و به تنش‌های داخلی که هسته نیمه‌هادی را می‌شکنند اشاره کرد.

برای پرداختن به این مشکل، وی و همکارانش از تخصص مهندسان مکانیک بهره بردند. با استفاده از مدل‌های نظری برای تجزیه و تحلیل نیروهای درگیر در هر مرحله از گرمایش و کشش، آنها توانستند ترکیبات ایده‌آل مواد و پارامترهای فرآیند را شناسایی کنند. این رویکرد میان‌رشته‌ای به محققان اجازه داد تا الیافی را ایجاد کنند که می‌توانند سختی‌های تولید را بدون نقص تحمل کنند. نتیجه، تولید الیاف پیوسته به طول تقریبی ۱۰۰ متر است که با انتخاب دقیق پوشش‌های شیشه‌ای (شیشه سیلیس برای سیلیکون و شیشه آلومینوسیلیکات برای ژرمانیوم) و سپس پوشش مجدد هسته نیمه‌هادی در پلاستیک پلی‌کربنات انعطاف‌پذیر پس از اچ کردن شیشه اولیه به دست آمده است.

الیاف حاصل "فوق‌العاده انعطاف‌پذیر" توصیف می‌شوند و این امکان را فراهم می‌کند که آنها در پارچه‌های معمولی مانند پنبه، پشم یا ابریشم بافته یا کشباف شوند و آنچه را که محققان "منسوجات کاربردی" می‌نامند، ایجاد کنند. یک نمونه پارچه به عرض یک متر و طول ده متر تولید شد که امکان‌پذیری این فرآیند تولید در مقیاس بزرگ را نشان می‌دهد. نکته مهم این است که این الیاف پیشرفته حتی در زیر آب نیز به طور قابل اعتماد عمل کردند و آزمایش‌های سختگیرانه دوام و فشرده‌سازی را پشت سر گذاشتند و استحکام آنها را برای کاربردهای دنیای واقعی برجسته کرد.

کارشناسان این حوزه پتانسیل این نوآوری را ستوده‌اند. شیاوتینگ جیا، که گروه تحقیقاتی الیاف هوشمند و دستگاه‌های پوشیدنی را در ویرجینیا تک رهبری می‌کند، معتقد است که این کار تولید انبوه الیاف نیمه‌هادی مبتنی بر سیلیکون یا ژرمانیوم را به طور قابل توجهی تسریع خواهد کرد. او بر اهمیت لایه پلیمری اضافی تأکید کرد که انعطاف‌پذیری، عایق‌بندی و محافظت ضروری را در طول فرآیندهای بافندگی و کشبافی فراهم می‌کند و فرآیند کلی را "بسیار بادوام و مقیاس‌پذیر" می‌سازد.

کاربردها متعدد هستند، که با کلاه حسگر نور شروع می‌شود. الیاف بافته شده در کلاه، داده‌ها را به یک برد رابط کوچک که در داخل کلاه تعبیه شده است، منتقل می‌کنند. این برد با یک برنامه تلفن هوشمند ارتباط برقرار می‌کند، که سپس به کاربر هشدار می‌دهد - به عنوان مثال، با لرزش متفاوت - هنگامی که چراغ راهنمایی تغییر می‌کند و نشان می‌دهد که عبور ایمن است. فراتر از ایمنی عابران پیاده، این تیم نمونه‌های دیگری نیز توسعه داده است، از جمله یک ژاکت که الیاف نوری-الکترونیکی سیلیکون را ادغام می‌کند که قادر به برقراری ارتباط از طریق نور (Li-Fi) است، و یک بند ساعت انعطاف‌پذیر که برای نظارت مداوم ضربان قلب طراحی شده است. این نمونه‌ها تطبیق‌پذیری این فناوری را نشان می‌دهند.

تان نه دو، مدیر آزمایشگاه رباتیک پزشکی دانشگاه نیو ساوت ولز، خاطرنشان کرد که این تکنیک الیاف نیمه‌هادی را تولید می‌کند که به اندازه کافی قوی برای بافندگی دستی یا ماشینی هستند و برای تولید انبوه مناسب می‌باشند. او پیش‌بینی می‌کند که این پیشرفت "فرصت‌های جدیدی را برای ادغام عملکردهای بیشتر" در منسوجات باز خواهد کرد، مانند حسگرهایی که فشار یا دما را تشخیص می‌دهند، یا حتی سیستم‌های کنترلی برای ربات‌های نرم. با نگاه به آینده، محققان در حال بررسی ادغام قابلیت‌های پیچیده‌تر هستند، با پروژه‌های جاری با هدف تبدیل این الیاف به ترانزیستورها - یک جزء اساسی برای ساخت دستگاه‌های محاسباتی پوشیدنی واقعاً یکپارچه. در حالی که نمونه‌های اولیه فعلی بر عملکردهای حسگری تمرکز دارند، چشم‌انداز یک کامپیوتر پوشیدنی کاملاً کاربردی نزدیک‌تر از همیشه است.

خبرگزاری اخباری