Postęp technologiczny jest naturalny i nieunikniony. Jednak dlaczego niby mielibyśmy chcieć go uniknąć, skoro dzięki niemu żyje nam się lepiej, a kolejne odkrycia jedynie poprawiają komfort i jakość naszego funkcjonowania? O ile oczywiste są zalety nowoczesnej opieki medycznej czy bezpieczeństwa narodowego, to na wyobraźnię najlepiej działają innowacyjne przedmioty codziennego użytku, jak np. ubrania. Doskonałym przykładem jest tu kultowy film z lat 80-tych – „Powrót do przyszłości 2”, w którym główny bohater zmienia odzież po podróży w przyszłość. Zakłada on dwa wyjątkowe elementy: samodopasowującą się (i jak się okazało – samosuszącą) kurtkę oraz samosznurujące się buty i „niech pierwszy rzuci kamieniem”, kto oglądając tę scenę nie zapragnął mieć ich w swojej garderobie. I wiecie co? Już możecie, bo przyszłość jest dziś.
Co prawda kurtki nabyć jeszcze nie można, ale obuwie już tak. Nie chodzi tu o wyprodukowane przez Nike repliki filmowych butów, bo z pierwowzoru miały one jedynie diody i wygląd. Firma ta poszła jednak krok dalej i stworzyła linię produktów o nazwie Adapt, które na wzór filmowych odpowiedników, same się sznurują i dopasowują do kształtu stopy. Dodatkowo, część modeli posiada kolorowe diody, których kolor i zachowanie można personalizować z poziomu aplikacji na smartfona.[1] To jednak zaledwie jeden z przykładów na to, że nowoczesne technologie zagościły w przemyśle odzieżowym.
Nowe technologie w materiałach
Podstawą każdego ubrania jest materiał, więc aby otrzymać inteligentną garderobę – potrzebujemy inteligentnych materiałów (tzw. e-tekstylia). Czym one jednak są? Najtrafniejszą definicję sformułował japoński naukowiec Toshinori Takagi[2], który dokonał również rozróżnienia na materiały „inteligentne” i „smart”. Według niego, materiały inteligentne to takie, które odpowiednio reagują na bodźce zewnętrzne (np. temperatura, ciśnienie, naprężenie, substancje chemiczne, itp.) poprzez istotną zmianę swoich parametrów, jak np. zmiana kształtu czy koloru. Zatem materiał inteligentny powinien jednocześnie spełniać funkcję czujnika, procesora oraz elementu wykonawczego. Natomiast materiał smart to taki, który zmienia swoje właściwości w sposób konkretny i zaplanowany, wskutek różnego typu impulsów zewnętrznych. W języku polskim zazwyczaj nie dokonuje się takiego rozróżnienia i dla uproszczenia funkcjonuje jedna, wspólna definicja wraz z podziałem na konkretne grupy, m.in. ze względu na rodzaj właściwości. Biorąc jednak pod uwagę szerokie zastosowanie inteligentnych materiałów, niejednokrotnie zaliczają się one do więcej niż jednej grupy, więc takie rozgraniczenie często ulega zatarciu.[3] Należy także pamiętać, że tekstylia to zaledwie jeden z rodzajów takich e-materiałów, a nowoczesne tworzywa są stosowane m.in. w budownictwie (np. elementy metalowe o zwiększonej odporności), elektronice (np. elastyczne i dotykowe ekrany) czy w przemyśle spożywczym (np. opakowania pozwalające dłużej zachować świeżość produktów).[4]
Jednym z najprężniej rozwijających się kierunków, zajmujących się inteligentnymi materiałami, jest tekstronika. Jest to interdyscyplinarna dziedzina, łącząca w sobie elementy m.in. włókiennictwa, elektroniki, informatyki i automatyki. Jej podstawowym założeniem jest „scalenie przenośnych urządzeń elektronicznych z odzieżą tak, aby sama odzież realizowała funkcje wszystkich tych urządzeń”. Najczęściej chodzi o rozszerzenie podstawowych zadań garderoby (np. ochrona przed gwałtowną zmianą temperatury, takie jak utrata ciepła na mrozie lub gwałtowne ogrzanie w przypadku kontaktu z otwartym ogniem) oraz dodanie nowych funkcji (np. lokalizacji czy prowadzenia różnego rodzaju pomiarów).[5]
Drugim, nie mniej ważnym kierunkiem jest nanotechnologia, polegająca na manipulacji cząsteczkami o wielkości atomów. W wyniku tych procesów powstają nanomateriały o zaplanowanych i pożądanych właściwościach, np. bakteriobójczych, termoprzewodzących czy wodoodpornych.[6] Sama dziedzina jest z kolei mieszanką m.in. fizyki, chemii, biologii, farmacji, informatyki i inżynierii.[7] Tekstronika i nanotechnologia bardzo często współistnieją i współdziałają w obrębie e-tekstyliów, więc niejednokrotnie ubrania stworzone przy zastosowaniu nanotechnologii określa się jako odzież tekstroniczną. Dlatego właśnie, znacznie łatwiej dokonać podziału inteligentnych ubrań ze względu na ich przeznaczenie i właściwości, niż na techniki ich wykonania.[8]
„Człowiek jest miarą wszystkich rzeczy”[9], ale jego też można zmierzyć
Jak wcześniej wspomniałam, przedmioty codziennego użytku wydają się bardziej interesujące niż sprawy medyczne czy wojskowe. Tak się jednak składa, że technologia inteligentnych materiałów obejmuje również te dziedziny.[10] Dzieje się tak m.in za sprawą jednego z głównych jej zastosowań, czyli jako systemu monitoringu i mierzenia funkcji życiowych. Wyroby takie są wyposażone w różnego rodzaju czujniki oraz układ radiowego przesyłania danych do odpowiedniego urządzenia. Umożliwia to zarówno stałą kontrolę wybranych parametrów fizjologicznych, jak i otoczenia osoby monitorowanej. W skład kontrolowanych parametrów mogą wchodzić m.in. tętno, praca układu oddechowego, ciśnienie krwi, a także stężenie gazów czy poziom i rodzaj promieniowania w otoczeniu danego obiektu. Co oczywiste, ma to szerokie zastosowanie w takich zawodach, jak żołnierz, lekarz, ratownik czy strażak oraz w poszczególnych dziedzinach, jak sport czy medycyna ogólna (np. kontrola stanu pacjenta).[11]
Czystość to podstawa
Do istotnych zastosowań e-tekstyliów należy również funkcja sterylizacji. Jest kilka metod nadania takich właściwości materiałom. Może to być zaimplementowanie do tkaniny nanocząsteczek srebra, które mają naturalne właściwości bakteriobójcze, grzybobójcze i konserwujące. Tego typu zabieg jest stosowany w licznych produktach dostępnych na rynku, m.in. w odzieży, kosmetykach czy opatrunkach.[12] Istnieją też inne, bardziej skomplikowane sposoby, jak wplecenie w materiał niewielkich światłowodów, podłączonych do generatora promieniowania ultrafioletowego typu C (UV-C). Przy odpowiednim zastosowaniu, naświetlanie takiej tkaniny za pomocą UV‑C umożliwia redukcję mikrobiologiczną na poziomie nawet 60%. Oczywiście, metody tego typu stosowane są najczęściej w miejscach takich, jak gabinety lekarskie i zabiegowe.[13]
Czystość nie polega jednak tylko na sprzątaniu, ale też na zapobieganiu zabrudzeniom. Plamoodporność oraz odporność na wodę to cechy bardziej niż użyteczne w przypadku ubrań i nikomu chyba nie trzeba tłumaczyć dlaczego. Tego typu działanie wykazują m.in. nanocząsteczki tlenku tytanu, które nie tylko ułatwiają spływanie kropel wody po tkaninie, ale również posiadają właściwości samoczyszczące. Co więcej, jest to metoda wyjątkowo przyjazna środowisku.[14] Dzięki tekstronice tworzone są tkaniny także o innych funkcjach, nie mniej przydatnych w utrzymaniu czystości i świeżości ubrań, jak choćby materiały antystatyczne (nie elektryzujące się) czy antyzapachowe.[15] Cóż, z takimi cechami brudne ubrania nam nie grożą.
E-tekstylia w służbie gadżetów
Poszczególne obszary, zajmujące się nowymi technologiami, bardzo często przenikają się i wzajemnie wspomagają. Nic więc dziwnego, że inteligentne tekstylia również poszły tą drogą i nowe rozwiązania często dotyczą wspierania urządzeń oraz gadżetów codziennego użytku. Dobrym przykładem są choćby, dostępne już na rynku, kurtki muzyczne. Są one kompatybilne z różnymi odtwarzaczami oraz mają wkomponowane słuchawki i panele sterowania, ale są one skierowane raczej do melomanów o większych zasobach finansowych.[16] Powstały jednak też inne rozwiązania, przydatne na co dzień niemal każdemu.
Jednym z częstszych problemów podczas korzystania z przenośnych urządzeń jest m.in. żywotność baterii. W tym wypadku, naukowcy również wykazali się wyjątkową kreatywnością i stworzyli kilka metod, dzięki którym możemy ładować posiadane przy sobie urządzenia elektryczne. Do ciekawszych należą m.in. elastyczne ogniwa słoneczne, instalowane bezpośrednio w ubraniach[17], a także układ, dzięki któremu energia mechaniczna wytwarzana podczas chodzenia jest przekształcana w energię elektryczną[18].
Sport i inne
To, jakie rozwiązania są implementowane do danego elementu garderoby, zależy głównie od ich wykorzystania. W sporcie inteligentne materiały stosowane są już od lat i to nawet podczas zawodów na najwyższym szczeblu, jak np. olimpiady. Dzięki modyfikacjom wprowadzonym w strojach do m.in. pływania czy łyżwiarstwa szybkiego, zwiększono ich opływowość i aerodynamiczność, co przełożyło się na poprawę wyników o około 2%. Natomiast w przypadku sportów zimowych i motorowych, dużą popularność zyskały kurtki, spodnie, kamizelki i rękawiczki wyposażone w nowoczesne systemy grzewcze.[19] Wszystko to umożliwia wykonywanie swoich pasji nawet w niesprzyjających warunkach pogodowych.
Ciekawym pomysłem okazała się też tzw. kurtka podróżnika. Posiada ona wbudowany moduł GPS i zintegrowane czujniki atmosferyczne, a także umożliwia pomiary wysokości oraz temperatury. Coraz popularniejsze stają się także kombinezony narciarskie z wkomponowanymi instalacjami świetlnymi, dzięki czemu jazda po zmroku jest jednocześnie bezpieczna i wyjątkowo efektowna.[20] Z kolei, wspomniane wcześniej systemy monitoringu pozwalają na kontrolowanie reakcji organizmu podczas konkretnych rodzajów ćwiczeń, a w oparciu o otrzymane wyniki możliwe jest tworzenie spersonalizowanych, a tym samym bardziej skutecznych form treningu.[21]
„Co ty masz na sobie?” – czyli zabłyśnij (dosłownie) w tłumie
Jak już wiadomo, inteligentne ubrania mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach. Jest jednak jedna, która w wyjątkowo bezpośredni sposób związana jest z ubraniami – moda. Jak można się domyślić, uzbrojeni w nowoczesną technologię projektanci mogą jeszcze bardziej dać upust swojej wyobraźni i kreatywności… a jest się czym bawić. Wyjątkowo efektowne są m.in. umieszczane w materiale diody led, które można dodatkowo personalizować z poziomu aplikacji[22], a nawet sterować nimi za pomocą głosu czy muzyki. Moda tekstroniczna postanowiła wykorzystać także inne formy emitowania światła przez materiały, jak elektroluminescencję (wskutek działania pola elektrycznego ubrania zaczynają „jarzyć się”) czy popularną od dłuższego czasu fluorescencję. Dzięki takim elementom garderoby można dosłownie zabłysnąć w towarzystwie i stworzyć stylizację bardziej efektowną, niż kiedykolwiek.
Nie mniejsze wrażenie robią ubrania, które pod wpływem różnych bodźców zupełnie zmieniają pierwotny kolor. W tym celu stosuje się tekstylia fotochromowe (materiał reaguje na zmiany natężenia światła), termochromowe (zmiana temperatury) oraz elektrochromowe (za sprawą działania energii elektrycznej). Co istotne, procesy te są odwracalne i można je dowolnie powtarzać.
A co powiecie na zmianę struktury? I nie chodzi tu tylko o zapamiętywanie kształtu, choć to również korzystna i nowatorska technologia.[23] Materiały piezoelektryczne mogą zmieniać swój kształt pod wpływem ładunków elektrycznych, wytworzonych m.in. przez naprężenia mechaniczne,[24] powstałe np. podczas ruchu. Obecnie prowadzone są intensywne prace nad funkcjonalnym zaimplementowaniem tego procesu w ubraniach, co otworzy kolejne możliwości dla świata mody oraz naszej kreatywności.[25]
Technicznie
Ok, wiemy już co nieco o inteligentnych tekstyliach, na czym jednak polega trudność ich tworzenia i co do tego ma 5G? Po pierwsze, nowa generacja sieci zapewni znacznie większą moc obliczeniową i pozwoli na tworzenie ogromnych baz danych. W połączeniu z możliwością przechowywania tych informacji oraz przeprowadzania procesów bezpośrednio w chmurze, przyczyni się to do rozwoju nauki i samej tekstroniki. Należy bowiem wiedzieć, że tworzenie materiałów tekstronicznych wiąże się z wieloma przeszkodami. „Już na etapie projektowania należy wziąć pod uwagę zarówno wymagania towarzyszące produktom elektronicznym (np. zakres pomiarowy, dokładność), jak i zalecenia dotyczące wyrobów włókienniczych (np. elastyczność, niewielka waga) oraz obowiązujące zasady automatyki i materiałoznawstwa.”
Choć rozwiązania implementowane w e-materiałach są ciekawe i funkcjonalne, to w przypadku ubrań kluczowa jest wygoda. Jednym z największych obecnie problemów jest zapewnienie odpowiedniego zasilania dla układów elektronicznych w takiej garderobie. W tym celu korzysta się najczęściej z baterii lub akumulatorów, które są stosunkowo ciężkie i sztywne. Rozwój badań i prac naukowych w tej dziedzinie, pozwoliłby na opracowanie elastycznej baterii o wystarczającej pojemności lub zintensyfikowanie prac nad wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii, wykorzystujących m.in. procesy cieplne, piezoelektryczne czy fotoelektryczne.[26]
Jeśli chodzi o ubrania, niebagatelną rolę odgrywa również odporność na konserwacje i czyszczenie (np. na pranie). Póki co, częściowo rozwiązuje się to poprzez umieszczanie układów i linii sygnałowych w demontowanych podpinkach, nie jest to jednak wyjątkowo wygodne rozwiązanie. Kolejnym aspektem zmniejszającym komfort obecnych wyrobów tekstronicznych są same elementy elektroniczne, połączone za pomocą konwencjonalnych przewodów. Odpowiedzią na to, będzie sfinalizowanie wieloletnich badań nad zastąpieniem tradycyjnych linii sygnałowych tzw. elektroniką włóknistą. Polega ona na nanoszeniu części elektronicznych bezpośrednio na włókna materiału, do czego w znacznym stopniu przyczyni się również rozwój nanotechnologii.[27]
A teraz najważniejsze – co 5G ma do zaoferowania tekstronice, czyli kilka słów o bezprzewodowej transmisji danych. Wybór rodzaju przesyłu informacji to kolejna wielka bolączka współczesnych inteligentnych ubrań. Przewodowa transmisja jest łatwiejsza do zaimplementowania, ale jak wspomniałam, jest także niekomfortowa w użytkowaniu oraz podatna na uszkodzenia mechaniczne. Z kolei komunikacja bezprzewodowa (za pomocą Bluetooth, ZigBee, WiFi, GSM itp.), „dzięki swoim małym wymiarom, wadze oraz bardzo dobrej elastyczności może być stosowana w wyrobach tekstronicznych, nie wywołując jednocześnie uczucia dyskomfortu.”[28] Główną przeszkodą w skupieniu się na tej formie transmisji są jednak ograniczenia i zawodność obecnej sieci 4G. Jedynym rozwiązaniem jest tu wprowadzenie nowej generacji bezprzewodowej, która będzie stabilniejsza (mniejsze opóźnienia i szybszy przesył danych), oraz będzie w stanie obsłużyć jednocześnie dostateczną ilość urządzeń (nawet milion na jeden kilometr kwadratowy). Ostatecznie, przezwyciężenie powyższych trudności będzie skutkowało zwiększeniem komfortu użytkowania, a tym samym, zwiększy popularyzację e-odzieży.
Jak więc widać, nowoczesne tekstylia mogą zarówno pomagać w dbaniu o zdrowie oraz bezpieczeństwo, jak i dostarczać rozrywki, interesująco wyglądać czy wspierać nasze sprzęty. Jednak, aby o było możliwe, niezbędne jest wprowadzenie 5G, które otworzy nowe możliwości dla tej niesamowitej dziedziny.
Źródła:
[1]https://www.nike.com/pl/adapt
[2]https://www.researchgate.net/scientific-contributions/68235262-Toshinori-Takagi
[3]http://www.proakademia.eu/gfx/baza_wiedzy/211/inteligentne_tekstylia_2_2.pdf
[4]https://www.ssw-sopot.pl/wp-content/uploads/2018/07/3.-Nanonauki-i-nanotechnologie-niezb%C4%99dnym-przedmiotem-nauki.pdf
[5]https://core.ac.uk/download/pdf/53097147.pdf
[6]http://www.medycynawet.edu.pl/images/stories/pdf/pdf2015/012015/201501018023.pdf
[7]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf
[8]http://www.bioenergiadlaregionu.eu/gfx/baza_wiedzy/60/tekstronika_i_materialy_nowej_generacji-wyzwanie_dla_producentow_odziezy.pdf
[9]https://pl.wikipedia.org/wiki/Cz%C5%82owiek_jest_miar%C4%85_wszechrzeczy
[10]http://www.proakademia.eu/gfx/baza_wiedzy/211/inteligentne_tekstylia_2_2.pdf
[11]https://core.ac.uk/download/pdf/53097147.pdf
[12]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf
[13]http://pe.org.pl/articles/2018/12/44.pdf
[14]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf
[15]http://www.bioenergiadlaregionu.eu/gfx/baza_wiedzy/60/tekstronika_i_materialy_nowej_generacji-wyzwanie_dla_producentow_odziezy.pdf
[16]http://www.bioenergiadlaregionu.eu/gfx/baza_wiedzy/60/tekstronika_i_materialy_nowej_generacji-wyzwanie_dla_producentow_odziezy.pdf
[17]http://www.bioenergiadlaregionu.eu/gfx/baza_wiedzy/60/tekstronika_i_materialy_nowej_generacji-wyzwanie_dla_producentow_odziezy.pdf
[18]http://www.proakademia.eu/gfx/baza_wiedzy/211/inteligentne_tekstylia_2_2.pdf
[19]http://www.proakademia.eu/gfx/baza_wiedzy/211/inteligentne_tekstylia_2_2.pdf
[20]http://www.bioenergiadlaregionu.eu/gfx/baza_wiedzy/60/tekstronika_i_materialy_nowej_generacji-wyzwanie_dla_producentow_odziezy.pdf
[21]https://core.ac.uk/download/pdf/53097147.pdf
[22]http://www.proakademia.eu/gfx/baza_wiedzy/211/inteligentne_tekstylia_2_2.pdf
[23]http://www.bioenergiadlaregionu.eu/gfx/baza_wiedzy/60/tekstronika_i_materialy_nowej_generacji-wyzwanie_dla_producentow_odziezy.pdf
[24]https://pl.wikipedia.org/wiki/Piezoelektryk
[25]http://www.bioenergiadlaregionu.eu/gfx/baza_wiedzy/60/tekstronika_i_materialy_nowej_generacji-wyzwanie_dla_producentow_odziezy.pdf
[26]http://www.proakademia.eu/gfx/baza_wiedzy/211/inteligentne_tekstylia_2_2.pdf
[27] https://core.ac.uk/download/pdf/53097147.pdf
[28]http://www.proakademia.eu/gfx/baza_wiedzy/211/inteligentne_tekstylia_2_2.pdf