Нить в будущее: в Томском университете разрабатывают материалы для «умной одежды»

Не так давно в Москве завершился международный форум BRICS+ Fashion Summit, на котором, в частности, обсуждались и возможные перспективы применения в пошиве одежды передовых научных разработок. Российские ученые находятся в авангарде этой работы. Так, Томский политехнический университет занят разработкой инновационного проекта текстильных сенсоров, сообщают научные СМИ. Ученые из ТПУ при поддержке программы Минобрнауки «Приоритет 2030» ведут разработку инновационных материалов, способных стать основой для «умной» одежды, способной считывать физиологические данные организма, воспринимать и передавать информацию по самым разным параметрам — от частоты сердечных сокращений до распознавания жестов. Подробности о новаторских исследованиях и их потенциале рассказывают «Известия».

Умные вещи

Группа ученых Томского политехнического университета под руководством профессоров Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Евгении Шеремет и Рауля Родригеса сумела синтезировать электропроводящий текстиль на основе нейлоновой ткани. Именно из таких материалов с помощью специальных датчиков можно создавать одежду, способную воспринимать сигналы человеческого тела и передавать оцифрованную информацию в режиме реального времени. Разработка подобных технологий сегодня находится на переднем крае научных исследований: возможность пассивно считывать функциональные параметры организма и сообщать их в режиме реального времени открывает совершенно новые горизонты для медиков, спортсменов, кинематографистов. Подобные материалы, очевидно, найдут применение в самых разных областях человеческой деятельности.

Российским ученым удалось сделать значимый шаг в данном направлении. Предлагаемая технология, утверждают исследователи, позволяет создавать ткань, комфортную и безопасную для кожи, устойчивую к всевозможным деформациям и влаге. Как рассказали исследователи из группы TERS-Тeam Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ под руководством профессоров Евгении Шеремет и Рауля Родригеса, успеха удалось достичь благодаря уникальному методу лазерной обработки оксида графена, нанесенного непосредственно на синтетическую ткань. Созданные таким образом гибридные структуры, по словам Евгении Шеремет, обретают запас прочности, отличаясь особой устойчивостью к стирке, деформации, воздействию жидкостей, — словом, все, что необходимо для создания «умной» одежды. Кроме того, высокотехнологичный материал может легко меняться в зависимости от конкретной задачи, чем также обязан изяществу новой технологии.

«При лазерной обработке нейлон плавится, в результате происходит не просто формирование покрытия — частицы графена внедряются в волокна ткани. Это обеспечивает улучшенные механические свойства полученной ткани. С помощью лазера можно достаточно легко и дешево „нарисовать“ разнообразные структуры на поверхности. Это необходимо для того, чтобы сделать электронику на ткани, создать более эффективную конфигурацию электродов и элементов и управлять их формой. Нам удалось получить такие режимы и набор материалов, которые позволяют создавать высокостабильные проводящие композиты нужной формы в рамках очень простого технологического процесса», — рассказывает Евгения Шеремет.

Графен поможет

Работа над сопредельными технологиями идет и в других научных центрах страны. Ученые из новосибирского ИФП СО РАН уже не первый год работают над созданием неинвазивных композитных сенсоров на основе графена, способных с высокой точностью воспринимать и передавать параметры человеческого тела.

«Разработанный нами композит благодаря использованию уникальных добавок к графену можно наносить очень тонкими слоями, при этом он отличается очень высокой проводимостью и чувствительностью, — рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН Ирина Антонова. — Сейчас на основе этого композита мы разрабатываем неинвазивные сенсоры глюкозы — поскольку данный материал демонстрирует высокую чувствительность к глюкозе в сочетании с простотой и дешевизной сенсора. Требуется только плотно прижать сенсор к человеческому телу — и за счет анализа пота мы можем не только получить необходимые данные уже сегодня, но и в ближайшем будущем передавать их, например, на мобильный телефон, предоставляя владельцу данные об уровне глюкозы в крови в режиме реального времени».

Подобные сенсоры лежат и в основе материалов для «умной» одежды. Стабильные композиты на основе оксида графена стали основой для «сухих» электродов, которые могут работать без использования геля, а обеспечивающего контакт с кожей. Возможность исключить использование геля — важное преимущество: гель вызывает аллергию примерно у 20% людей, кроме того, он быстро высыхает, что приводит к потере сигнала при долговременном мониторинге. Если эти сигналы используются, к примеру, для управления роботизированным протезом, пользователь просто не сможет его использовать. В первую очередь из-за геля коммерчески доступные электроды требуют смены каждые 24 часа.

Кроме того, «сухие» электроды обладают еще рядом важных свойств — они устойчивы, обладают механическими и электрическими характеристиками, необходимыми для встраивания в одежду. «Эти электроды соответствуют лучшим характеристикам коммерчески доступных электродов на основе хлорида серебра. Это очень важно для их успешного применения. При этом они потенциально дешевле при массовом производстве, их можно наносить на любую подложку», — рассказала Евгения Шеремет.

В направлении будущего

По словам ученых из ТПУ, одежда из инновационного материала может иметь множество применений. «С помощью данной технологии можно обеспечить, например, распознавание жестов, — рассказывает Евгения Шеремет. — Датчики кодируют каждый жест в уникальный сигнал, что можно использовать, к примеру, для перевода с языка жестов. Возможно также производить оцифровку движения. Такие технологии могут пригодиться для обучающих программ, для съемок фильмов или для контроля спортивных тренировок».

Еще одно перспективное направление для использования композитных графеновых датчиков связано с контролем здоровья и состояния человека в формате как «умного» материала, так и носимой электроники, когда датчик(и) на гибкой подложке просто приклеивается к коже человека пластырем или переносится на кожу как татуировка. «Мы, в первую очередь, сосредоточились на проблеме контроля глюкозы, но на основе данной технологии можно изготовить сенсоры, которые будут контролировать кровяное давление, сердцебиение и другие параметры человека», — говорит Ирина Антонова.

Дальнейшая судьба инновационного материала не в последнюю очередь будет зависеть от интереса производителей и потребителей. Однако, если такой интерес будет, вполне возможно, «умная» одежда, разработанная сибирскими исследователями, уже достаточно скоро станет реальностью.