کاربردهای فناوری ریز تراشه در منسوجات

فناوری ریز تراشه (Microchip) در منسوجات

پذیرش موفقیت آمیز هر فناوری به هزینه تولید آن بستگی دارد. شاید بتوان آن را با مزایای هزینه ای ناشی از ساخت ماشین های بافندگی در قرن شانزدهم و پیشرفت های فناورانه انقلاب صنعتی مقایسه کرد. منسوجات الکتریکی یا منسوجاتی که در آنها از فناوری ریز تراشه استفاده می شود، امروزه نسبتاً گران هستند؛ اما دلایل زیادی وجود دارند که نشان می دهند با پیشرفت فناوری ها، هزینه ها کاهش پیدا می کنند.
لباس های منسوج همیشه چند منظوره بوده اند. از این رو ممکن است یک پیراهن بدن فرد را گرم نگه دارد، حالت فرد را نشان دهد، یا جایی برای نگهداشتن یک قلم داشته باشد. در طول قرن ها، توسعه فناوری ها باعث ارتقای قابلیت کاربردی آنها شده است. از جمله تحولات مهمی که در این عرصه رخ داده اند می توان به معرفی الیاف مصنوعی، پیشرفت در تولید پارچه های ضد آب قابل تنفس و تولید پارچه هایی با مراقبت آسان که دارای عملکردهای خاصی هستند، مانند پارچه های مقاوم در برابر ضربه یا آتش اشاره نمود.

دانش مبتنی بر منسوجات الکترونیکی

منسوجات الکتریکی و الکترونیکی اولیه، اجزای جداگانه ای بودند که به لباس های موجود اضافه می شدند. بعدها با گنجاندن نخ های رسانا در پارچه ها، کارآمدی آنها ارتقا پیدا کرد و از آنها برای ساخت سنسورها، کلیدها و محرک ها استفاده شد. در طول قرن گذشته، اعطای حق ثبت اختراع در این زمینه با برخی از محصولات الکترونیکی ساده مانند پتوهای برقی آغاز شد. در دهه 1990 میلادی، علاقه به تحقیق در این زمینه افزایش پیدا کرد؛ امری که منجر به توسعه طیف وسیعی از محصولات منسوج الکتریکی به ویژه در دهه گذشته شده است. با این حال بسیاری از این فناوری ها هنوز هم به عنوان اجزای اضافی به لباس های موجود یا محصولات تولیدی خاص اضافه می شوند.

توسعه نخ های الکتریکی حسگر دما (ETS)

برای تولید نخ های الکتریکی حسگر دما (ETS)، ترمیستورهای موجود در بازار با استفاده از روش های توصیف شده در بالا که در آنها تراشه های نیمه هادی و اتصالات به هم پیوسته در الیاف نخی گنجانده می شوند؛ در الیاف نخی ادغام می گردند.
نخ ETS امکان تعیین دما را در یک نقطه مشخص فراهم می کند. از این رو با گنجاندن نخ های ETS در مکان های از پیش تعیین شده در جوراب های بافتنی، دستیابی به نمودارهای توزیع دما امکان پذیر می شود. وضوح توزیع دما به تعداد و موقعیت قرارگیری نخ های ETS در ساختار منسوجات بستگی دارد. اندازه مینیاتوری ترمیستورها باعث می شود تا این تجهیزات الکترونیکی از دید شما پنهان بمانند.

ساختار نخ های الکتریکی حسگر دما (ETS)

برای ساختن این نخ ها، ترمیستورها (Murata NCP15XH103F03RC, NTC) در یک ایستگاه جریان مجدد در یک سیم مسی تک رشته ای با قطر 100 میکرومتر لحیم می شوند. سپس ترمیستورها و اتصالات به همراه نخ حامل پلی استر (دو نخ پلی استری 167 و 48 دسی تکس) کپسوله شده، و با استفاده از یک رزین پلیمری قابل عمل آوری با اشعه ماوراء بنفش، به شکل یک میکرو غلاف در می آیند. سرانجام نخ حامل و اتصالات (سیم مسی ظریف) به همراه میکرو غلاف با الیاف بسته بندی پوشانده شده و سپس در یک مجرای پارچه ای کشباف تاری گنجانده می گردند؛ در انتها یک نخ الکتریکی حسگر دما به اندازه 1.7 میلی متر تشکیل می شود.

ساخت نمونه اولیه جوراب های حسگر دما

با استفاده از فناوری جدید (فناوری ریز تراشه در مواد منسوج) و ماشین بافندگی تخت رایانه ای مدرن Shima Seiki، مدل SWG 091 N3 و 15NPI، نوعی جوراب بافتنی بدون درز ساخته شده که کانال هایی با قطر 2 میلی متر در کف پا داشت. نخ های ETS به صورت دستی در کف پا قرار می گرفتند و این باعث می شد تا ترمیستورها دقیقاً در کف جوراب جای داده شوند. اما لازم بود که روش تولید جوراب های کانال دار توسعه پیدا کند، زیرا در حال حاضر می توان نخ های ETS را در مقادیر کم تولید کرد.
ساختار این جوراب نیز مانند تمام اقلام بافتنی پس از ساخت جمع شده و سایز آن کوچک می گردد، و پس از پوشیده شدن دوباره کش می آید. بنابراین برای اطمینان از قرارگیری صحیح حسگرها در هنگام پوشیدن جوراب، یک پای شبیه سازی شده با داربست های میخی به عنوان یک نشانگر مکانی ساخته شد. برای تولید جوراب های حسگر دما، پنج نخ ETS در کانال های جوراب بافتنی تعبیه می شدند.
مقاومت ترمیستورها با استفاده از یک مدار تقسیم کننده پتانسیل و یک واحد USB 6008 DAQ (National Instruments) متصل به رایانه تعیین می شد. مقادیر مقاومت های مورد استفاده در مدار تقسیم کننده پتانسیل با استفاده از یک مولتی متر دیجیتالی، یعنی Agilent 34410A 6 ½ با دقت 1 اهم ارزیابی می گردید. یک نرم افزار در آزمایشگاه Lab VIEW برای خواندن مقاومت پنج نخ ETS ساخته شد. دمای مربوطه با استفاده از معادلات تبدیل دما- مقاومت ارائه شده توسط سازنده ترمیستور تعیین شد. نهایتاً نتایج در یک صفحه گسترده (به عنوان مثال صفحه اکسل) ذخیره گردید.

کاربردهای بالقوه نخ های کاربردی الکتریکی

بدون شک دمای بدن یکی از چهار علامت حیاتی اصلی است که باید در بیمار اندازه گیری و کنترل شود. طبق گزارش تحلیلگر بازار شرکت Mordor Intelligence پیش بینی می شود درآمد وسایل پزشکی پوشیدنی که در سال 2014 حدود 2.8 میلیارد دلار بوده است، تا سال 2019 به 8.3 میلیارد دلار برسد. مطالعه اخیری که توسط محققان دانشگاه پلی تکنیک مادرید صورت گرفته، نشان می دهد که بیماران تمایل زیادی برای استفاده از ابزارهای پوشیدنی (مانند فناوری های به کار رفته در این پروژه که از دید شخص پنهان می مانند) دارند. 

ریز تراشه	کاربرد	بخش
رطوبت / دما	نظارت بدن	تجهیزات پزشکی، دفاعی، آتش نشانی، ورزشی
نوار قلب (ECG) / نبض	نظارت بدن	تجهیزات پزشکی، دفاعی، آتش نشانی، ورزشی
تجزیه و تحلیل شیمیایی	تشخیص گازهای مضر	تجهیزات دفاع
تشخیص اشعه	تشخیص اشعه یونیزه کننده	تجهیزات دفاع، صنعت انرژی هسته ای
تشخیص اشعه	تشخیص اشعه غیر یونیزه کننده	لباس ساحل، لباس بچه گانه
RFID	ردیابی، ضد جعل و تقلب	تولید، خرده فروشی
فشار	باندها و لباس های فشرده	پزشکی
نیرو / فشار	ریسمان های نظارتی و کامپوزیت ها	تجهیزات دفاعی، ورزش، اتومبیلرانی، هوافضا
نوسان ساز	پنهان کننده های نامرئی	تجهیزات دفاعی
دریافت کننده رادیوئی / انتقال	ارتباطات	تجهیزات دفاعی، امداد و نجات، آتش نشانی، ورزش
MEMها	موقعیت ها و جهت ها	تجهیزات دفاعی، ورزش
LED	استتار	تجهیزات دفاع
LED	مد	خرده فروشی
LED	تعاملات اجتماعی	خرده فروشی

دما در پزشکی یک نشانگر زیستی محسوب می شود که نشان دهنده میزان عفونت زخم هاست. در ضمن می توان از دما برای کنترل وقوع زخم پای دیابتی در بیماران دیابتی پر خطر استفاده کرد. از جمله دستگاه هایی که معمولاً از آنها برای اندازه گیری دمای بدن استفاده می شود، می توان به دماسنج جیوه ای، دماسنج دیجیتال، دماسنج شیمیایی و دماسنج مادون قرمز اشاره کرد که می توان از آنها در شرایط دیگری علاوه بر شرایط طبیعی ثابت نیز برای اندازه گیری دما استفاده نمود، اما این دماسنج ها برای اندازه گیری های مستمر سرپایی مناسب نیستند.
مراقبت از زخم به یکی از چالش های اصلی بهداشتی در قرن بیست و یکم تبدیل شده است و انتظار می رود هزینه های آن در سال های آینده به 20 میلیارد دلار برسد. زخم های مزمن به پانسمان مکرر نیاز دارند؛ کاری که از نظر هزینه های مراقبت های بهداشتی و پرستاری، پیامدهای بیماری و زمان بستری در بیمارستان، بار سنگینی را بر صنعت مراقبت های بهداشتی تحمیل می کند.

آینده فناوری ریز تراشه مورد استفاده در منسوجات

امروزه فرآیندهای تولید منسوجات اکثراً به صورت خودکار انجام می شوند؛ بنابراین هزینه منسوجات الکترونیکی یا فناوری های ریز تراشه به کار رفته در مواد منسوج کاهش قابل توجهی خواهد داشت. در آینده نزدیک محصولاتی تولید خواهند شد که ساختار آنها مبتنی بر تراشه های نیمه هادی بسیار ریزی خواهد بود که به شکل نخ ها یا پارچه های بسیار ظریفی درآمده اند. پیشرفت هایی رخ خواهد داد که امکان ادغام کاربردهای پیچیده تر با هوش بیشتر را در منسوجات فراهم خواهند کرد.
احتمالاً با پیشرفت در تجهیزات الکترونیکی مبتنی بر گرافین، این پیشرفت ها مستمرتر و بیشتر خواهند شد. گرافین ویژگی های الکتریکی قوی و بالایی دارد، و احتمالاً در آینده جایگزین سیلیکون در دستگاه های الکتریکی شود. در حال حاضر شرکت های IBM، سامسونگ و نوکیا مشغول سرمایه گذاری بر روی فناوری گرافین هستند؛ این سرمایه گذاری احتمالاً تا اواخر سال 2020 به ثمر می نشیند. این فناوری پتانسیل کوچک سازی ابزارهای الکترونیکی که در منسوجات ادغام می شوند را فراهم می کند.

پاسخ تمامی سوالات زیر در مقاله فوق داده شده است:

• فناوری ریز تراشه در منسوجات چیست؟
• منظور از استفاده از فناوری ریز تراشه در محصولات منسوج چیست؟
• چرا فناوری ریز تراشه در منسوجات اهمیت دارد؟
• آینده کاربرد فناوری ریز تراشه در مواد منسوج را توصیف کنید.
• نحوه استفاده از فناوری ریز تراشه در منسوجات و کاربرد آن را توضیح دهید.
• چرا فناوری ریز تراشه در صنعت نساجی اهمیت زیادی دارد؟
• مزایای استفاده از فناوری ریز تراشه در صنعت نساجی و پوشاک چیست؟
• برخی از مزایای استفاده از فناوری ریز تراشه در منسوجات را ذکر کنید.
• تاثیرات منفی استفاده از فناوری ریز تراشه در منسوجات را بیان نمایید.
• نحوه توسعه فناوری ریز تراشه در صنعت نساجی را توضیح دهید.