Silicon cung cấp giải pháp dệt may thông minh

Dệt may thông minh: Cảm nhận chuyển động, theo dõi sức khỏe ngay trên trang phục

Những chiếc áo thun ôm sát người như da thứ hai, ghi lại từng cử động của học viên pilates mà họ hoàn toàn không hề hay biết. Cảm biến siêu nhạy liên tục truyền dữ liệu qua bluetooth tới điện thoại thông minh, phần mềm sẽ phát hiện những chuyển động sai, bảo vệ người tập khỏi rách cơ hoặc viêm nhiễm - ngay cả khi họ đang tập luyện tại phòng khách, nơi không có huấn luyện viên giám sát liệu họ có thực hiện bài tập đúng cách hay không.

Dệt may thông minh - loại vải tích hợp cảm biến nhằm biến trang phục tương lai trở nên thông minh hơn - đang mở ra những cơ hội tăng trưởng mới trong ngành hàng thể thao, điện tử tiêu dùng và công nghệ y tế. Các nhà nghiên cứu thị trường tại IDTechEx ước tính, tổng doanh số bán công nghệ đeo toàn cầu - trong đó dệt may thông minh chiếm tỷ trọng ngày càng tăng - sẽ đạt khoảng 12 tỷ euro trong năm nay và lên tới khoảng 70 tỷ euro vào năm 2025.

Lợi ích cho bệnh nhân phục hồi chức năng:

Elastomer hoạt tính điện do LEAP Technology sản xuất đang được thử nghiệm: một nguồn điện được gắn vào màng silicone phủ.

Tiềm năng ứng dụng của công nghệ này gần như vô hạn. Đối với game thủ, cảm biến trên cơ thể có thể truyền tải chuyển động lên màn hình, cho phép họ tham gia đấu kiếm với đối thủ ảo. Giống như huấn luyện viên yoga hoặc pilates, các nhà vật lý trị liệu cũng có thể sử dụng cảm biến tích hợp, trong trường hợp này là để xác định xem bệnh nhân phục hồi chức năng có thực hiện các bài tập trị liệu chính xác như quy định hay không.

Loại công nghệ đeo này mang lại một số lợi ích, đặc biệt là trong quá trình phục hồi chức năng hoặc đối với bệnh nhân nằm viện lâu dài. Vật liệu hoạt động 24/7, lặng lẽ theo dõi các quá trình như sưng tấy hoặc hô hấp, và cảnh báo người mặc hoặc bác sĩ điều trị nếu sức khỏe của bệnh nhân bị đe dọa.

Sản xuất elastomer hoạt tính điện: màng silicone được phủ một lớp chứa silicone chứa than đen để dẫn điện và hoạt động như một điện cực.

Cảm biến mini siêu nhạy là cốt lõi của trang phục thông minh. "Dệt may là giao diện giữa cá nhân và môi trường của họ", Tiến sĩ Rahimullah Sarban, người sáng lập LEAP Technology, một công ty Đan Mạch hiện đang sản xuất các thành phần và bộ phận cảm biến cho các nhà sản xuất dệt may thông minh và các ngành công nghiệp khác, giải thích. "Điều đó khiến việc tích hợp các yếu tố cảm biến vào quần áo trở thành cách hoàn hảo để phát hiện chuyển động và chức năng cơ thể của người mặc - sinh cơ học của họ."

Kẹp giữa những điện cực

Loại cảm biến đàn hồi này có thể hoạt động nhờ vào các vật liệu tiên tiến như polymer hoạt tính điện (EAP), được chế tạo dựa trên màng cao su silicone. Những lớp màng siêu mỏng, chỉ dày từ 20 đến 200 micron (để so sánh, đường kính của một sợi tóc người khoảng 70 micron). Màng được kẹp giữa hai điện cực – những điện cực này có thể được làm bằng elastomer silicone cao cấp chứa than đen để dẫn điện. Nói cách khác, cả ba lớp đều được làm bằng vật liệu đàn hồi.

"Nếu bạn ép các thành phần này lại với nhau như một chiếc bánh sandwich hoặc nếu bạn kéo dài vật liệu theo chiều dọc, chuyển động đó sẽ tạo ra một sự thay đổi điện dung có thể phát hiện được. Bộ cảm biến cơ bản không gì khác ngoài một tụ điện đàn hồi", Glowacki cho biết.

Hướng tới thị trường

Nhờ có đặc tính điện môi tuyệt vời, màng silicone cao cấp là sản phẩm ưa thích của LEAP Technology cho các cảm biến của họ.

Công nghệ thực tế đã tồn tại từ những năm 1990. Nhưng bây giờ bước nhảy vọt sang sản xuất công nghiệp đang trở thành hiện thực. Bước nhảy vọt đó đòi hỏi một thị trường và những công ty khởi nghiệp sáng tạo như LEAP Technology.

Danh mjucj màng silicon cao cấp là một vật liệu vượt trội, có thể được sử dụng để sản xuất các cảm biến có độ chính xác cao. Đồng thời, elastomer silicone có khả năng chống lại các xung điện và sốc điện hoặc va chạm vật lý.

Trong quá trình xây dựng các thành phần của mình, các chuyên gia phòng thí nghiệm tại LEAP Technology sử dụng cả màng silicone và một loại cao su silicone khác đã được cải tiến để dẫn điện. Sau đó, các thành viên của nhóm LEAP kết nối bộ phận này với dây điện và một bộ phận gắn cơ học dệt may. "Bước cuối cùng là nhúng toàn bộ bộ phận này vào một loại silicone khác để bảo vệ nó khỏi nhiễu điện và đạt được bề mặt mong muốn", Sarban giải thích. Trước khi các thành phần được gửi đến khách hàng, chúng đều được kiểm tra và hiệu chuẩn tại các phòng thí nghiệm của Leap Technology.

Vô vàn ứng dụng khác

Dệt may thông minh không phải là ứng dụng thú vị duy nhất cho EAP. Cảm biến thông minh cho phép nhân viên sản xuất vận hành đáng tin cậy các quy trình sản xuất công nghiệp dựa trên giao tiếp giữa người và máy. Polymer hoạt tính điện cũng thích hợp để sử dụng làm bộ truyền động trong công nghệ điện tử, ô tô và tự động hóa, hoặc làm máy phát điện - nói cách khác, cho bất cứ điều gì liên quan đến thu năng lượng.

Chìa khóa cho đặc tính vật liệu của chúng nằm ở tính chất hóa học của silicone. "Liên kết chéo thích hợp đóng vai trò đặc biệt", Glowacki lưu ý. Cấu trúc phân tử cho phép các chuỗi polymer riêng lẻ di chuyển tốt, tạo ra màng phim cực kỳ dãn, nhưng có thể khôi phục hình dạng ban đầu - mà không bị hao mòn.

Thiết kế cảm biến và nguyên lý đo

Nguồn điện được gắn vào màng silicone phủ dẫn điện (1). Nếu màng phim bị biến dạng cơ học, bề mặt (2) sẽ thay đổi hoặc tăng kích thước, dẫn đến điện dung thay đổi. Nếu phim giãn lại do áp lực giảm (3), bề mặt - và do đó điện dung - sẽ thay đổi một lần nữa.

Sản xuất màng cao su silicone cần đảm bảo tinh khiết, không bị nhiễm hạt và có thể đáp ứng các yêu cầu truyền động và thu năng lượng của khách hàng. Quy trình này đã được triển khai trong một nhà máy nhỏ, với kế hoạch sản xuất toàn diện trong trung hạn. Bước đầu tiên là áp dụng các hợp chất cao su silicone lưu hóa bổ sung theo cách tạo ra màng siêu mỏng mong muốn với mức độ tinh khiết cao nhất có thể. Một lợi thế lớn ở đây là không cần dung môi. Bước tiếp theo là áp dụng nhiệt, liên kết chéo các chuỗi polymer và cố định hình dạng của màng phim.

Linh kiện không cần bảo trì

Thêm một ưu điểm nữa là các sản phẩm đều có tất cả các đặc tính cần thiết vốn có của silicone: chịu nhiệt, dẻo dai ở nhiệt độ thấp, đặc tính điện môi tuyệt vời và khả năng chống chịu xuất sắc với nhiều tác động vật lý và hóa học. "Đặc tính đàn hồi vượt trội của chúng là một phần lý do tại sao màng silicone không bị hao mòn - ngay cả sau nhiều năm chịu ứng suất cơ học", Glowacki nói thêm. "Và điều đó khiến các thành phần EAP không cần bảo trì."

LEAP Technology vẫn đang sản xuất các thành phần EAP bằng tay hoặc sử dụng các quy trình tự động hóa một phần. "Xử lý những màng silicone siêu mỏng, mềm và dẻo dai này là một thách thức cho các máy của chúng tôi, nhưng chúng tôi đang tiến triển tốt trong việc chế tạo các thành phần hoàn toàn tự động", Sarban giải thích. "Đó là cách duy nhất để chúng tôi đạt được mục tiêu sản xuất đáng tin cậy hàng nghìn đơn vị mỗi tháng", Giám đốc LEAP cho biết.

Minh họa về các cảm biến dựa trên polymer hoạt tính điện do LEAP Technology sản xuất: