В ткань встроили волокна с изменяемыми свойствами

Американские инженеры научились создавать ткань со встроенными функциональными волокнами. Один вид волокон состоит из сплава с памятью формы и позволяет изгибать ткань, второй содержит в себе сплав с низкой температурой и меняет жесткость ткани, а третий работает как датчик прикосновения. Статья о разработке опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Часть инженеров и исследователей из области материаловедения занимаются разработкой технологий для умной одежды — такой, которая могла бы самостоятельно выполнять роль отдельных носимых устройств. Самый простой подход к умной одежде подразумевает, что в обычную куртку или толстовку встраивается датчик, синхронизируемый со смартфоном. Например, такую куртку разработали Google и Levi’s. Есть и более сложные примеры, в которых существенная часть одежды оснащается необычными для нее компонентами. К примеру, есть разработки, в которых ткань одежды оснащали десятками датчиков температуры и движения или светящимся слоем. Но в большинстве случаев все эти «добавки» не меняют основные свойства ткани.

Инженеры из Йельского университета во главе с Ребеккой Крамер-Ботильйо (Rebecca Kramer-Bottiglio) придумали новые способы встраивания в ткань дополнительных элементов, делающих ее активной. Они предложили три вида волокон с разными свойствами, которые можно либо использовать отдельно, либо вместе друг с другом, чтобы создать многофункциональное устройство или предмет одежды.

Первый вид — это активное волокно из нитинола, сплава с эффектом памяти формы. Инженеры нагревали нити до 390 градусов Цельсия и задавали ему основную форму. Затем его охлаждали и деформировали в форму, которая нужна для конкретного применения. После этого сплав можно нагреть на несколько десятков градусов, пропустив через него электрический ток, и он вернется в основную форму, заданную при высокой температуре. Авторы предложили делать нитиноловые актуаторы не круглыми в сечении, а прямоугольными с соотношением сторон 1:2,5. Это не дает актуатору поворачиваться вне заданной плоскости сгиба. Также они решили встраивать актуаторы в ткань не по одному, а парами с противоположных сторон. Это позволяет после изгиба ткани в одном направлении изгибать ее в обратном, активируя актуатор-антагонист.

Второй вид — это волокно с изменяемой жесткостью. Оно состоит на 46 процентов из сплава Филда и на 54 из эпоксидной смолы и имеет структуру эпоксидной матрицы с металлическими включениями. Также внутри расположена стальная проволока для нагревания током. В диапазоне от 45 до 60 градусов Цельсия у эпоксидной смолы происходит переход между стеклообразным и вязким состоянием, при которых значительно меняется ее жесткость. У сплава Филда фазовый переход происходит при температуре 62 градусах Цельсия. Нагревание током происходит очень быстро, а на остывание ниже температуры стеклования эпоксидной смолы уходит около 20 секунд.

Третий вид — это датчик, состоящий из полидиметилсилоксана и углеродных наночастиц. Он выступает в роли проводника, который сильно меняет проводящие свойства при небольшом растяжении. Его можно печатать или наносить вручную на ткань и использовать в качестве датчика изменения формы или разрушений.

В качестве примера авторы показали три прототипа. Один из них представляет собой активный жгут, надеваемый на руку. Он способен обнаружить повреждение поверхности по изменению показаний сенсорной полоски и в таком случае сжимается вокруг руки при помощи волокон с памятью формы и увеличивает собственную жесткость с помощью эпоксидно-металлических волокон. Второй прототип представляет собой увеличиваемую в объеме подушку, которая после этого фиксирует новую форму волокнами с изменяемой жесткостью и выдерживает вес груза. Третий прототип — это самолет, который может закручивать крыло вокруг фюзеляжа.

В области умной ткани есть и другие примечательные разработки. Например, ранее мы рассказывали о ткани с гибкими микробными топливными элементами и 3D-печатной ткани с кнопками.

Григорий Копиев