Одежда — базовая человеческая потребность, но развивается она заметно медленнее многих других технологий. Тем не менее учёные создали печатаемую ткань, которая умеет одновременно охлаждать, распознавать движение и вырабатывать электричество — без внешних систем и множества слоёв.
В отличие от обычной ткани (на фото), экспериментальный материал сочетает пассивное охлаждение и сбор биомеханической энергии. Источник изображения — newatlas.com
Исследователи из инженерного колледжа Грейнджера при Иллинойсском университете разработали текстильный нанокомпозит на основе оксида циркония (ZrO₂), который объединяет пассивное радиационное охлаждение и сбор биомеханической энергии. Материал отражает 96% падающего солнечного излучения, оставляя владельца в прохладе даже на улице, и вдобавок способен излучать наружу тепло тела. Он же распознаёт движение, улавливая трибоэлектричество, возникающее при трении тела о ткань: этот крошечный ток может служить сигналом для встроенной электроники или питать небольшие носимые устройства.
Слева — механическая гибкость ткани, в центре — проницаемая волокнистая структура, справа — инфракрасный снимок крупного напечатанного образца на спине рубашки под солнечными лучами. Источник изображения — newatlas.com
Человек проводит в одежде почти всю жизнь, поэтому логично ожидать от неё большего, чем простая защита от непогоды. Именно эта мысль привела к появлению тканей с мониторингом здоровья, адаптацией к климату, интерактивным управлением и даже самовосстановлением. Проблема в том, что большинство таких функций требуют активных сложных систем, а часто и нескольких склеенных слоёв с разным назначением.
Решение из Иллинойса обходит эти ограничения, объединяя сразу несколько функций в единой ткани, напечатанной по 3D-технологии. В её основе — нанокомпозит из оксида циркония. У этого материала есть два свойства, которые удаётся использовать одновременно. Оптически его высокий показатель преломления прекрасно рассеивает солнечный свет. Электрически его диэлектрические свойства помогают накапливать трибоэлектрический заряд при контакте и разъединении с другими материалами.
Так учёные получили материал, полезный и для радиационного охлаждения, и для выработки электричества за счёт движения. Более того, его можно печатать методом прямой записи чернилами (direct ink writing) — экструзионной разновидностью аддитивного производства.
Обычная ткань поглощает значительную часть солнечного тепла и передаёт его телу, а новый текстиль отражает 96% падающего излучения. Вдобавок его излучательная способность в среднем инфракрасном диапазоне достигает 97%, что позволяет эффективно отводить тепло тела в виде ИК-излучения. Под открытым солнцем образец оказывался на 3–6 °C холоднее окружающего воздуха. Для сравнения: человек в обычных условиях различает разницу температуры воздуха всего в 1 °C (1,8 °F).
Общий обзор устройства умного текстиля. Источник изображения — newatlas.com
Знакомый многим щелчок статического разряда после ходьбы по ковру — это тоже настоящее электричество. То же происходит и с новой тканью, когда кожа владельца трётся о неё при движении: повторяющиеся механические контакты порождают заметный электрический импульс. Согласно статье в журнале Advanced Science, пиковая плотность мощности составляет около 47 мВт/м², а стабильная отдача сохраняется на протяжении более 30 000 циклов работы.
Зарядить смартфон такой энергии, конечно, не хватит, зато она годится для множества других задач, включая сенсорику. Подключённый к нужному датчику слабый сигнал показывает, что человек двигается, а его уровень — насколько интенсивно. Ткань можно связать и с системой управления, где сигнал играет роль триггера.
Это продемонстрировали, объединив ткань с нижним токопроводящим слоем в адаптивную систему терморегуляции. Пока человек неподвижен, работает пассивное радиационное охлаждение. Стоит ему начать двигаться, как трибоэлектричество формирует сигнал, включающий нижний слой на нагрев.
Важное уточнение: материал ZrO₂ сам тепло не вырабатывает — он лишь подаёт сигнал, запускающий нижний слой. У проводящего слоя своя электроника: нагревательные элементы, источник постоянного тока, твердотельное реле и микроконтроллер Arduino.
То, что нагрев включается именно при движении, когда тело и так выделяет тепло, выглядит контринтуитивно. Но исследователи задумали это как намеренный эксперимент: сам по себе трибоэлектрический сигнал можно направить и на другие сценарии. Например, вшитая в ночную одежду ткань способна включать сигнализацию, уловив заранее заданный уровень движения. Источник: Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне.
