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.
История
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).
Технология
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.
Нынешние разработки
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.
Спектр продукции
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.
Применение
Медицинское
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.
Пикантное
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.
Космос и робототехника
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.
Ручные инструменты
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.
Дешевые текстильные переключатели и датчики
Ранее возможность встраивания в ткани электронных устройств дорого обходились производителям и потребителям, потому только high-end предметы одежды могли оснащаться различного рода переключателями и элементами управления. Компания Ператек (Peratech), ныне лидер в этой отрасли, значительно улучшила тканевые QTC переключатели и сенсоры, сделав возможным и абсолютно доступным подключение любимых вещей к портативным и не только электронным девайсам.
Список их ограничивается только воображением, потому что изделия Ператек (Peratech) могут использоваться в качестве интерфейса для любых устройств, контроль над которыми осуществляется при помощи переключателей, клавиатур и всевозможных кнопок. А на фоне наличия до смешного дешевых продуктов этой компании и прогрессивного увеличения количества продаваемой носимой электроники эта технология будущего уже не просто существует, а еще и стала доступной.
Ее продукция серии Электекс (ElekTex) — это пластик, состоящий из пяти слоев, формирующий прочную сенсорную панель. Наружные и центральный слои – токопроводящие. Помимо них есть еще два изоляционных слоя по обе стороны от центрального. Элемент активируется за счет прикосновения: при касании слои сдавливаются, образуя замкнутую электрическую цепь. Эти воздействия измеряются и интерпретируются при помощи связанных с сенсорами электронных контроллеров, которые преобразуют действие в сигнал для управляемого электронного устройства (плеера, телефона, карманного компьютера и т.д.).
Электекс (ElekTex) датчики способны определять давление во всех трех направлениях: X, Y и в меньшей степени Z.
Измерение по оси Х
Измерение воздействия по оси Х осуществляется посредством воздействия электрического напряжения на нижележащий проводящий слой и измерения выходного напряжения на вышележащем.
Измерение по оси У
Напряжение по оси У воздействует на вышележащий токопроводящий слой и выходное напряжение измеряется на нижележащем.
Они очень легко могут быть подстроены для работы с различными интерфейсами, включая клавиатуры, цифровые клавиши мобильных телефонов, мp3-плееров, регуляторов громкости, виртуальных скроллов. При этом они способны выполнять функцию нескольких устройств, изготавливаются различных размеров для работы с различными устройствами, предусмотрены различные способы и возможные места их фиксации, их тонкость, прочность, гибкость и отсутствие двигающихся механических частей бесспорно являются явными преимуществами.
Принцип работы
Частично токопроводящий центральный QTC-слой становится проводником при сжатии. Возникаемое напряжение измеряется и сигнал направляется на контролируемое устройство через тканевый проводник с низким сопротивлением. Например, пятикнопочный контроллер для iPod запрограммирован регистрировать прикосновения на 5 полях, соответствующих конкретным кнопкам. Каждой кнопке присуща какая-то функция: две из них уменьшают или увеличивают громкость, две – обеспечивают перемещение по плейлисту назад и вперед, последняя пятая выполняет команду играть/пауза и осуществляет включение /выключение плеера.
Когда давление применено к сенсору, генерируется продолжительный выходной сигнал, соответствующий всем изменениям направления воздействия. Он анализируется электронным контроллером, после чего конкретная команда передается подсоединенному устройству (например, увеличить громкость звука). В некоторых сенсорных тканевых изделиях за счет увеличенных размеров и использования материала определенной формы производитель может разместить значительно большее количество кнопок, в том числе для реализации полноценной QWERTY-клавиатуры как средства ввода данных для некоторых портативных устройств, а также для создания панели с большим количеством переключателей.
Один сенсор Электекс (ElekTex) варьирует в размере от самого малого 1 см2 до самого большого 1 м2.
Для генерации сигнала в устройствах Электекс (ElekTex) совершенно не обязательно прикасаться к ним только пальцем кисти. Предусмотрены различные варианты: управление при помощи пальцев стоп, самих стоп, даже посредством помещения датчиков на стул, занимаемый работающим с устройством сотрудником. К тому же сенсоры могут различным образом конфигурироваться посредством контроллера: одно сенсорное поле может отвечать за работу множества устройств, между которым происходит переключение. Так, например, одна и та же чувствительная область способна быть QWERTY-клавиатурой, планшетом для рисования, устройством контроля за мультимедиа. И между всеми этими функциями пользователь может осуществлять переключение даже находясь где-нибудь в дороге. С учетом того, что сенсоры могут быть встроены куда угодно и работать с какими угодно электронными устройствами, компании производитель обладают широчайшими разносторонними возможностями для инноваций.
Физические свойства
Физические свойства изделий Электекс (ElekTex) позволяют использовать их всюду, где применяются обычные ткани, с одним только отличием: они обладают токопроводящими свойствами. Используемый ток обладает очень низкими характеристиками, что позволяет свести к минимуму возможную опасность: напряжение составляет порядка 5 В, а сила тока не превышает 5 мА. Информацию пользователь может получать с встраиваемых дисплеев или за счет дополнительных тактильных устройств.
Легкость встраивания
С этими материалами очень легко работать и они нисколько не сковывают дизайнеров в процессе создания предметов одежды и прочих изделий: они могут быть помещены в изделия из практически любых тканей, включая кожу, нейлон и брезент. После встраивания сенсоры себя фактически не обнаруживают, функционируя под любыми покрывающими их материалами. Их размещение осуществляется посредством обычного пришивания (края каждой выпускаемой сенсорной панели имеют ширину примерно 5 мм, чего как раз достаточно для крепления ниточными швами), приклеивания или даже за счет воздействия высокими температурами.
Прочность
Устройствами успешно пройдено тестирование. включавшее 1 млн нажатий. Они продолжают функционировать при температуре от -10оС до +50оС и различных неблагоприятных условиях окружающей среды. Осуществимо их помещение в защитные чехлы на случай эксплуатации в условиях высокой влажности и запыленности.
Легкость
Толщина сенсорной ткани не превышает 1 мм, потому она чрезвычайно легка и сложно различима после помещения в конечное изделие.
Могут подвергаться стирке
Эти материалы можно стирать в при температуре 40оС и подвергать машиной сушке, а также сухой очистке.
Гибкость
Может образовывать складки и помещаться на изогнутые или изменяющие форму поверхности.
Пример использования
Что необходимо, чтобы разместить сенсорную панель, например, в рюкзак
Необходимо пройти всего три этапа: выбрать тип контроллера, который мы желаем использовать, выбрать место на сумке, где он будет помещен и создать эскиз точного расположения кнопок.
Крепление кабеля
Тканевый кабель прокладывается от сенсорной панели через стенку сумки к месту подключения электронной устройства. В ремне сумки это осуществляется между верхним слоем ткани и мягкой прослойкой. Нужно убедиться, что наполнитель не чересчур жесткий и материал верхнего слоя ремня не слишком сильно натянут, потому что такая ситуация приведет к многократным случайным нажатиям. Конец кабеля фиксируется в виде зигзага в удобном месте для плотного соединения и избегания натяжения.
Крепление контроллера
Производители сумок должны предусматривать кармашки для хранения элементов электронного контроллера сенсорной панели в его пластиковом чехле. С учетом того, что он чрезвычайно легок, в тщательной фиксации абсолютно не нуждается.
Ношение самого устройства
Сами электронные портативные устройства должны быть размещены в кармане или на пластиковом держателе рядом с контроллером сенсорной панели. Наиболее удобное для этого место – вверху, между креплениями обоих ремней рюкзака.
Заключение
Индустрия рынка интерактивной одежды в настоящее время очень активно развивается благодаря живому вниманию потребителей. Прогнозируется рост его объема до миллиарда долларов в течение следующих буквально 2 лет. Если данные предсказания подтвердятся, то по истечении этого времени каждый из нас станет обладателем любимой вещицы, которая будет радовать как симпатичным видом, так и своими безграничными высокотехнологичными возможностями.
