Одежда будущего может оказаться гораздо функциональнее привычной футболки или куртки. Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне разработали текстиль, который одновременно охлаждает человека, распознает его движения и превращает часть механической энергии этих движений в электричество.
Главная особенность разработки заключается в том, что все эти функции удалось объединить в одном материале. Для этого ученые использовали нанокомпозит на основе диоксида циркония (ZrO₂), который можно наносить на ткань методом прямой 3D-печати. Получившийся материал отражает большую часть солнечного излучения, отводит тепло от тела и одновременно генерирует электрический сигнал при движении человека.
Как работает охлаждающая ткань
Обычная одежда защищает кожу от окружающей среды, но сама по себе далеко не всегда помогает организму избавляться от лишнего тепла. Новая ткань действует иначе: она использует радиационное охлаждение — процесс, при котором поверхность отдает тепловую энергию в виде инфракрасного излучения.
В основе материала находится диоксид циркония. Это соединение обладает высоким показателем преломления, поэтому хорошо рассеивает солнечный свет. В результате ткань отражает около 96% поступающего солнечного излучения, не позволяя ему превращаться в дополнительный нагрев.
Но на этом охлаждение не заканчивается. Материал обладает эмиссией в среднем инфракрасном диапазоне около 97%, благодаря чему эффективно излучает наружу тепло, поступающее от тела человека.
В экспериментах под открытым небом поверхность ткани оставалась примерно на 3–6 °C холоднее окружающего воздуха. Для человека это уже вполне заметная разница: обычно мы способны почувствовать изменение температуры воздуха примерно на один градус.
Таким образом, ткань одновременно блокирует значительную часть солнечного тепла и помогает организму избавляться от собственного.
Откуда в одежде берется электричество
Вторая необычная особенность материала связана с трибоэлектрическим эффектом. Именно он отвечает, например, за хорошо знакомое статическое электричество, возникающее при трении разных материалов.
Когда человек двигается, кожа соприкасается с внутренней поверхностью ткани, контакт постоянно возникает и прекращается. В результате накапливается электрический заряд, а материал генерирует небольшие электрические импульсы.
Количество энергии невелико — речь не идет о том, чтобы зарядить смартфон во время прогулки. Максимальная удельная мощность экспериментального материала составила около 47 мВт/м². При этом электрический выход оставался стабильным более чем после 30 000 циклов работы.
Зато такого сигнала достаточно для другой, гораздо более интересной задачи: определения движения.
Ткань превращается в датчик движения
Электрический импульс, возникающий при движении, можно использовать как своеобразный встроенный сенсор. Если человек двигается, материал генерирует сигнал. Причем его характеристики могут сообщать не только о самом факте движения, но и о его интенсивности.
Это открывает сразу несколько вариантов применения. Например, такую ткань можно соединить с электронным контроллером, который будет воспринимать электрический импульс как команду.
Исследователи продемонстрировали эту возможность, создав систему управления температурой. Для эксперимента под «умной» тканью разместили дополнительный проводящий текстильный слой с нагревательными элементами.
Когда человек находился без движения, работало пассивное радиационное охлаждение. Когда он начинал двигаться, возникающий трибоэлектрический сигнал запускал расположенный под тканью нагревательный слой.
На первый взгляд такое поведение кажется парадоксальным: человек двигается, выделяет больше тепла, а система в этот момент включает нагрев. Однако это была демонстрация самого принципа управления, а не готовая система климат-контроля. Сам диоксид циркония тепло не вырабатывал — он лишь формировал управляющий электрический сигнал. Нагрев обеспечивали отдельные элементы, источник постоянного тока, твердотельное реле и микроконтроллер Arduino.
Иными словами, ученые показали, что ткань может одновременно быть частью системы охлаждения, датчиком движения и источником управляющих сигналов.
Почему все функции удалось объединить в одном материале
Создание многофункциональной одежды обычно требует нескольких разных компонентов. Одни материалы отвечают за охлаждение, другие — за регистрацию движения, третьи — за выработку или хранение энергии. Все это приходится объединять в многослойную конструкцию с дополнительной электроникой.
Исследователи из Иллинойса попытались пойти другим путем.
Диоксид циркония оказался удобен сразу по двум причинам. Его оптические свойства позволяют эффективно рассеивать солнечный свет, а диэлектрические свойства способствуют накоплению трибоэлектрического заряда при контакте и разделении поверхностей.
По сути, один и тот же материал выполняет две совершенно разные физические задачи: работает как пассивная система охлаждения и одновременно как элемент генератора электрических сигналов.
Еще один плюс — технология производства. Материал можно наносить методом direct ink writing, или прямой печати чернилами. Это разновидность аддитивного производства, при которой материал послойно выдавливается через сопло и формирует нужную структуру.
Получается интересная комбинация: не просто «умная ткань» с множеством электронных деталей, а печатный материал, чьи собственные физические свойства обеспечивают сразу несколько функций.
Что из этого можно сделать
Пока разработка находится на стадии лабораторного прототипа, но потенциальных применений у нее немало.
Самое очевидное — одежда для жаркого климата, которая помогает уменьшить нагрев тела под прямыми солнечными лучами. Но не менее интересна способность материала самостоятельно регистрировать движения.
Например, одежда с такой тканью могла бы использоваться в системах мониторинга активности, спортивной экипировке или медицинских устройствах. Электрический сигнал может служить своеобразной командой для других электронных компонентов.
В ночной одежде аналогичный принцип можно использовать для регистрации определенных движений и запуска сигнализации. Это лишь один из примеров, приведенных авторами исследования: сама технология не привязана к конкретному типу устройства.
При этом энергетический потенциал материала следует воспринимать реалистично. Получаемой мощности недостаточно для питания энергоемкой электроники. Зато для маломощных датчиков и передачи управляющих сигналов ее может оказаться вполне достаточно.
Одежда как самостоятельная электронная система
Современная концепция носимой электроники постепенно меняется. Пока большинство «умных» предметов одежды представляет собой обычный текстиль, к которому добавлены датчики, аккумуляторы, провода и электронные модули.
Новая разработка демонстрирует другой подход: сделать сам материал частью электронной системы.
В перспективе подобные технологии могут привести к появлению одежды, которая не просто измеряет параметры организма, но и самостоятельно реагирует на окружающую среду и поведение человека. Ткань сможет одновременно отражать солнечное излучение, отводить тепло, регистрировать движения и преобразовывать механическую энергию в электрические сигналы.
До полноценной «электронной одежды», не требующей традиционных компонентов, еще далеко. Но объединение нескольких физических функций в одном печатном материале показывает направление, в котором может развиваться текстильная электроника: вместо набора пришитых к одежде устройств — сама ткань становится устройством.
