Сенсорные ткани - уже не фантастика

Нескольким западным компаниям удалось приблизить чудесный момент, когда реальным станет превращение привычных нам предметов одежды в удобные устройства управления всевозможными гаджетами. Владельцы интерактивного гардероба смогут с его помощью абсолютно полноценно управляться с множеством электронных помощников.

 

 

Полимеры, содержащие металлы, известны с начала ХХ века и об их свойствах в научных изданиях были опубликованы сотни статей. Но лишь в последние несколько лет был разработан технологический процесс производства этих материалов нового класса  и их качества стали широко использоваться массовым потребителем. Первая компания, создающая изделия разнообразного предназначения из композитных материалов, работающих на основе эффекта квантового туннелирования, названа Ператек (Peratech).

 

Работа сенсорных тканей основана на принципе, который очень легко объясним и использование которого на практике оказывается еще проще.

Стандартных композитные материалы изготавливаются из углеродных полимеров. В них некоторые частицы углерода постоянно контактируют друг с другом, образуя путь тока. В случае создания давления большее число частиц вступают в контакт и тем самым большее число путей тока образуется. Такой тип проводимости называется перколяция (просачивание).

 

 

 

Интересующие нас quantum tunnelling composites (QTC) – композитные материалы, состоящие из металла и не проводящего электрический ток резинового связующего элемента. Используются они как датчики давления, а работа их основана на эффекте квантового туннелирования. Квантовое туннелирование – феномен квантовой механики, а там электрон рассматривается не как частица, а в большей степени как волна. Когда волна сталкивается с барьером, например, не проводящим ток материалом, она не обнуляется мгновенно, но уменьшается экспоненциально и если она не исчезла напрочь в момент достижения другой стороны барьера, тогда она продолжает там свое существование.

 

 

Другими словами, электрон возникнет на другой стороне не проводящего материала, т.е. будто пройдет сквозь тоннель в диэлектрическом барьере. Значит, без давления проводники располагаются чересчур далеко друг от друга, чтобы цепь замкнулась, но когда осуществляется давление, они приближаются друг к другу и электроны могут перемещаться через непроводящий ток компонент материала.

 

 

Таким образом, в QTC процесс проводимости совершенно иной: в обычном состоянии материала металлические частицы никогда не контактируют друг с другом, а при давлении они сближаются и становится осуществим эффект квантового туннелирования.

 

Компания Ператек (Peratech) уже около 5 лет занимается созданием различных изделий с использованием QTC. Используя их свойства, компания создала абсолютно новый класс переключающих компонентов и элементов для сенсорного управления, способных быть в строенными в широчайший спектр изделий.  Такие решения могут быть применены для контроля подачи электроэнергии к электроинструментам и игрушкам, для создания более удобных и надежных переключателей, для дистанционного контроля за различными системами безопасности и дверями. Во многом широта сфер их применения определяется способностью быть настроенными на разную степень чувствительности: от легких прикосновений до тяжелых ударов.

 

 

Часть продукции выпускается широко для розничной продажи, часть изготавливается под заказ с возможностью создания прототипов изделий по умеренной фиксированной цене для оценки качества заказа. Розничные варианты выпускаются нескольких стандартов для удовлетворения требований различных потребителей.

 

Эти материалы могут широко использоваться в геронтологии – сфере медицины, занимающейся проблемами пожилого возраста. Дело в том, что лежачие пациенты, больные использующие протезы, костыли и трости могут подвергаться воздействию достаточного высокого давления на небольшие участки тела, что служит источником значительного дискомфорта. Потому QTC могут стать отличным диагностическим инструментом для определения болезненного воздействия. Они могут найти применение в десмургии (повязки и способы их наложения): когда необходимо наложение бинтов или иных материалов с определенной степенью давления, использование дешевых, гибких или жестких QTC позволит легко контролировать качество наложения повязки. Ну и конечно это изобретение позволит измерять степень подвижности суставов, активность дыхательных движений и прочих важных параметров.

 

В качестве одного из применений сенсорных тканей учеными из Австралии предложен прибор позволяющий измерить амплитуду колебаний женской груди при различных типах движений. Как удалось выяснить, составляет она от 0,5 см до 7 см в зависимости от размера и активности упражнений. Данный прибор отличает значительно больший комфорт по сравнению с ранее используемыми аппаратами: в прошлом применялись устройства в жестком корпусе, ну а нынешние «датчики» изготовлены из мягкой токопроводящей ткани. Разработчики выражают надежду, что данное изобретение будет широко взято на вооружение производителями женского белья, поскольку достаточно точно позволяет выяснить, насколько хорошо бюстгальтер выполняет свою поддерживающую функцию.

 

Материалы QTC широко используются в космической и робототехнике. Они могут применяться в качестве аналога человеческой кожи, когда речь идет о необходимости идентификации прикосновений. В роботах такие материалы позволяют машинам определить, что оказывается в их механических руках: яйцо или кусок стали – а также выявить скольжение, качество поверхности по которой перемещается. Текстильные QTC используются в космических скафандрах в качестве переключателей. Благодаря их безопасности (позволяют избежать возникновения искр) полностью исключается вероятная взрывоопасность, что в тех условиях является весьма важным моментом. К тому же такие переключатели весьма долгоживущи, так как применение QTC позволяет избежать коррозии.

 

Работа и контроль над ручными электроинструментами также стали более совершенными в связи с применением в них QTC-тканей. Прежде всего их использование дает возможность удобнее контролировать скорость вращения встроенных двигателей. Ранее это осуществлялось посредством различных резисторных компонентов, но изобретение QTC внесло фундаментальные изменения в данную сферу. Обычно композитные элементы выглядят как привычная всем нам резина, а также обладают присущим ей изоляционным свойством. Но когда материал испытывает давление, если он растягивается, перекручивается, то его электропроводящие свойства резко меняются с изоляционных на проводниковые. Потому вместо механических переключателей на электроинструментах и прочих моторизованных устройствах поверхность может оснащаться чувствительными к давлению QTC-элементами. Возможен вариант размещения этих материалов в виде гранул, полусфер на любой поверхности, где необходима чувствительность к прикосновению.

 

 

 

Увеличивающие габариты поверхностные переключатели и прочие выходящие за пределы устройства элементы управления могут быть оставлены в прошлом, так как рассматриваемые композиты позволяют дизайнерам и конструкторам разместить контролирующие части на любом участке инструмента, что положительно сказывается на эргономике конечного продукта, повышает его надежность, а также способствует радикальному пересмотру дизайна устройств этой сферы индустрии, повышая тем самым остроту конкурентных отношений, от чего потребители должны только выиграть.