Электрон с иголочки: как создают «умные» ткани нового поколения

Современные технологии заставили «поумнеть» многие привычные нам предметы обихода – часы, пластыри, машины, целые дома и даже города. А что насчет одежды? Такой, которая, например, определяет частоту сердцебиения или регулирует температуру в зависимости от погодных условий. Насколько российские ученые продвинулись в этом направлении?

Об этом в интервью порталу наука.рф рассказала заведующая лабораторией полимерных и композиционных материалов SmartTextiles МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта, доцент кафедры инженерного материаловедения и метрологии СПбГУПТД Ольга Москалюк.

 

– Что такое «умные» ткани?

Это материалы, в которые встроена электроника. В данной сфере можно выделить три поколения. Первое – когда электронные компоненты (например, микросхемы, датчики, сенсоры) пришиваются или укладываются в кармашки одежды. Но здесь не хватает важных функций – гибкости и устойчивости к стирке.

Однако сегодня мы можем говорить о наличии второго поколения, когда эти элементы являются частью текстиля. Электронные компоненты могут наноситься по технологии печатной электроники, методом шелкографии (трафаретной печати). Либо вплетаются в структуру ткани.

Конечно, для масштабирования еще нужно решить ряд вопросов: повысить устойчивость к механическим воздействиям, добиться сохранения электрических характеристик при деформациях.

– А какие материалы относятся к третьему поколению?

При их создании используют цифровые технологии. Такие ткани могут собирать и обрабатывать данные, включать элементы машинного обучения и искусственного интеллекта, интегрироваться в виртуальную вселенную. Когда одежда может взаимодействовать с другой техникой в нашем окружении, мы говорим про интернет вещей.

Например, отечественная компания Mircod создала «умную» униформу для суровых условий труда на производстве. Встроенные датчики определяют частоту сердцебиения, температуру, положение тела в пространстве, анализируют концентрацию газов в воздух. Мы также сейчас разрабатываем ткани с интегрированной в них электроникой.

– Благодаря чему удалось прийти к таким инновациям?

Прогресс во многом обусловлен появлением полимерных композитов – материалов на основе термопластичных полимеров, или термопластов. В данном случае мы должны быть благодарны ученым, наработавшим огромный объем знаний о структуре, свойствах полимеров и наночастиц. Они заложили фундамент, благодаря которому на современных станках и другом оборудовании можно быстро создавать образцы с программируемыми свойствами.

– Как выглядит процесс производства? Какая техника для этого нужна?

Объясню на примере электропроводящего текстиля. В основе технологии – те самые полимерные композиты. При нагревании они переходят в текучее состояние. Далее их пропускают через специальное устройство и получают объект нужной формы – пленку, волокно или полифиламентные нити. Далее мы вводим в полимер электропроводящие добавки – углеродные частицы. В зависимости от их формы и размера будет меняться уровень электропроводимости. Представьте обычный кабель, в котором есть проводящая жила, а снаружи диэлектрическая оболочка. Точно так же внутри нашей композитной нити находится проводящий наполнитель.

Для всех этих процедур нужно соответствующее оборудование. В первую очередь, экструдер – прибор, напоминающий бытовую мясорубку с температурой внутри от 200 до 400 градусов Цельсия. Только вместо мяса в ней перерабатывают полимер. Для работы с наноматериалами важна в том числе геометрия внутренней камеры. На выходе расположена специальная фильера, металлическая пластина с отверстиями. С помощью устройства мы получаем нити диаметром от нескольких микрон (один микрон равен одной тысячной миллиметра – прим. ред.) до нескольких миллиметров.

Следующий этап – ориентационная вытяжка. Нить проходит сквозь специальную туннельную печь, нагретую до определенной температуры. За счет разных скоростей на входе и выходе она меняет свою внутреннюю структуру, упрочняясь в десять раз. Такой прием позволяет вытянуть полимеры даже в сто раз. Скажем, один сантиметр нити удлинить до целого метра.

– Впечатляет! А сколько времени уходит на создание новой продукции?

Дело в том, что материалы, полученные в лаборатории, не всегда можно реализовать на промышленном оборудовании. Согласно общемировой статистике, от идеи до выхода продукта на рынок требуется десять, а то и двадцать лет. Сегодня подход серийного технологического предпринимательства помогает сократить этот промежуток до пяти лет.

Занявшись созданием синтетических электропроводящих нитей, мы десять лет находились в лабораторной стадии. Перейдя в экосистему Фонда инфраструктурных и образовательных программ, получив поддержку Северо-Западного центра трансфера технологий, мы за четыре года запустили несколько стартапов, наладили собственное производство и вывели на рынок ряд продуктов.

– Как эти продукты выглядят и в каких областях применяются?

Наше ключевое направление – электропроводящий функциональный текстиль. Его применяют при создании антистатических материалов, обеспечивающих защиту от воспламенения на производстве. Например, в нефтегазовой отрасли или при транспортировке пожароопасных грузов.

Исследования начались как раз с этого направления. Погрузившись в тему, мы поняли, что можно создавать не просто антистатические материалы, но и полноценные электропроводящие композиты для текстильной отрасли, способные заменить металлические проводники. Мы их внедрили в тканевые системы обогрева для технического и бытового применения в сферах воздушного, морского и сухопутного транспорта, строительства, создания бытовой мебели, одежды и т. д.

Кроме того, решения оказались востребованы в условиях сурового климата Арктики и Антарктики. В частности, мы разработали гибкую, эластичную ткань, пригодную для стирки, при этом являющуюся греющим элементом, не содержащим металл. Такие «нагреватели» заряжаются от простого портативного аккумулятора и могут сохранять комфортную температуру тела в экстремальных условиях.

Сейчас реализуем кейсы по новым направлениям. Среди них – антибактериальные, терморегулирующие ткани, текстиль с цветовой индикацией и каркасы для восстановительной хирургии костной ткани.

– Насколько эти материалы гибкие в плане дизайна? Из них можно создать одежду любого цвета и фактуры?

Поскольку мы работаем с углеродными частицами, нити имеют черный цвет. Для их колорирования наносят цветное покрытие или сплетают с нитями нужного цвета. При этом вплетение в обычную ткань электропроводящих нитей позволяет создавать различные визуальные эффекты, например изменение цвета. В отличие от металлов и углеродных нитей, этот материал легко выдерживает многократные деформации и не такой жесткий.

– В прошлом году в Калининграде построили первый завод по производству «умного» текстиля. Как его используют?

Он принадлежит компании AMPERETEX, занимающейся производством полного цикла синтетических нагревательных тканей. Они встраиваются в любые конструкции – от керамических плит, стен, потолков, до дорожного покрытия. В апреле 2022 года состоялось открытие этого завода в индустриальном парке Храброво. Сегодня компания является индустриальным партнером лаборатории SmartTextiles БФУ им. И. Канта.

– Какие трудности, на ваш взгляд, мешают массово внедрять подобные разработки?

К сожалению, в текстильную промышленность и производство новых материалов инвестиции идут не в таком объеме, как в ИТ-сектор. Важен вопрос регулярной и стабильной финансовой поддержки.

Отмечу, что мы создаем технологии, которые, развиваясь, подтягивают другие отрасли. С каждой новой идеей открываем для себя новое направление. Мне повезло работать с талантливыми коллегами-учеными, ведущими университетами и институтами РАН. В нашей команде много молодых ребят, а главное – есть индустриальные партнеры, помогающие масштабировать решения.

Благодаря накопленным знаниям и опыту мы запустим в сентябре этого года в Санкт-Петербургском государственном университете промышленных технологий и дизайна программу дополнительного образования по цифровому моделированию новых полимерных композиционных материалов. Занятия подойдут не только для студентов, аспирантов, но и опытных специалистов. Участники научатся быстро и правильно моделировать продукцию, что в будущем позволит сократить расходы и время на ее разработку.

 

Беседовала Анна Шиховец