Na razie jak ulał pasuje do niej określenie haute couture. Niezbyt tania, trudno dostępna, a przy tym na wskroś ekstrawagancka. Bo, czy ktoś odważy się założyć marynarkę, która w klapie ma interfejs telefonu komórkowego, a w rękawie monitor? Modowi inżynierowie, zajmujący się odzieżą inteligentną, nie mają jednak wątpliwości – tak właśnie będą wyglądały ubrania przyszłości. Mają, jak dotychczas, pełnić funkcje ochronne, estetyczne, a dodatkowo – być ze wszech miar użyteczne. Tak, aby zarówno panna młoda mogła pójść do ślubu w sukni zmieniającej kolor i zapach, jak i ktoś inny – założyć „zwykłą” koszulę mierzącą temperaturę i tętno.

Już w tej chwili jesteśmy „ubrani” w elektronikę od stóp do głów. Nosimy ze sobą aparaty, telefony komórkowe, odtwarzacze mp3, iPhone’y, iPady i masę innych gadżetów. Można je w każdej chwili wyjąć z kieszeni i odłożyć na półkę. To tzw. elektronika noszona. Nie należy utożsamiać jej z tekstroniką, bo ta ściśle wiąże mobilność urządzeń elektronicznych i wszelakiego rodzaju sensorów z ubiorem, w który zostały one zaimplementowane.

– O ileż wzrósłby komfort ich użytkowania, gdyby na trwałe zintegrować je z odzieżowym włóknem – przekonuje prof. dr hab. inż. Krzysztof Gniotek z Politechniki Łódzkiej, uruchamiając tym samym moją wyobraźnię. Otwarta głowa w tej branży to warunek sine qua non sukcesu. Wyobraźmy więc sobie kombinezon do joggingu, który rejestruje bicie serca i w zależności od tego, czy jest ono szybkie, czy wolne, dobiera i odtwarza biegaczowi odpowiedni gatunek muzyki. Albo kurtkę narciarską z wbudowanym układem nawigacji GPS, urządzeniem alarmowym oraz systemem komunikacji między narciarzami. Lub też inną, która zawierałaby w sobie telefon z giętką klawiaturą oraz mikrofon. Zaraz, zaraz, ale po co to sobie wyobrażać, skoro takie rozwiązania… już istnieją?

Wygodne i bezpieczne

Opracowano je na początku poprzedniej dekady, kiedy tylko pojawiły się tekstylia interaktywne, zwane też smart. Działają one w dwójnasób: albo – jak biustonosze czy odzież sportowa dopasowująca się do sylwetki – zmieniają swój kształt pod wpływem pola elektrycznego, temperatury, światła czy pH, albo na skutek tych samych czynników generują sygnał elektryczny, wysyłając tym samym pożądane informacje. Te innowacyjne produkty łączą w sobie zatem włókiennictwo, elektronikę i informatykę. W Politechnice Łódzkiej, gdzie od początku tego wieku na poważnie zajmują się tekstroniką, postanowiono uzupełnić ją o elementy związane z fizjologią człowieka oraz metrologią. Jakkolwiek by to nie zabrzmiało, ubrania mogą dzięki temu zadbać o… ludzkie zdrowie. Przeczuwając moje niedowierzanie, prof. Gniotek niewiele myśląc sięga do szafy po ubranie strażackie nowej generacji. Na pierwszy rzut oka – zwykły kombinezon.

– Tyle tylko, że wyposażony właśnie w tekstroniczny system monitorowania parametrów fizjologicznych. W trakcie akcji ratowniczych, gdy strażacy wchodzą w trudno dostępne, niebezpieczne miejsca, pełne gryzącego dymu, taki strój może im pomóc – tłumaczy mój rozmówca.

Ubranie wyposażone jest w czujniki, rozmieszczone w jego strukturze, m.in. w nogawkach, bieliźnie czy kieszeniach. Jeden z takich sensorów monitoruje akcję serca, drugi – temperaturę skóry, kolejny – temperaturę pododzieżową, jeszcze inny – stan ruch/bezruch. Wszystkie sygnały za pomocą tekstylnej anteny przekazywane są np. do wozu strażackiego, gdzie znajduje się centrum dowodzenia akcją. W przypadku przekroczenia wartości dopuszczalnych jakiegokolwiek parametru system natychmiast reaguje wysyłając sygnały alarmowe. W ten sposób na bieżąco kontroluje się stan zdrowia uczestniczących w akcji.

– To ubranie to swoisty obwód, który na początku zamknęliśmy w pudełku i tam trafiały dane z poszczególnych czujników. Ponieważ taka sztywna rzecz mogłaby krępować ruchy, musieliśmy pomyśleć o innym rozwiązaniu. Testujemy więc teraz nanoszenie warstw półprzewodnikowych na materiał włókienniczy .

Nie myli się ten, kto myśli, że strój taki musi być upstrzony różnymi czujnikami, przewodami, nadajnikami… Wielofunkcyjność w tekstronicznej odzieży uzyskiwana jest poprzez połączenie elektrycznych detali przewodzących, optycznych elementów pomiarowych, części usztywniających oraz usuwających ładunki statyczne. Da się ją w ogóle nosić? A jakże, co więcej – jest to zupełnie bezpieczne. Nad zoptymalizowaniem wszystkich funkcji pracuje się w laboratorium długie miesiące.

– O to nie ma się co martwić, wszak w tych urządzeniach stosowane są rozwiązania ledwie kilkuwoltowe, takie jak w ręcznej latarce. Można więc nawet językiem sprawdzić, że jest to bezpieczne pod każdym względem .

Z podobnego systemu, za który zresztą zespół z Politechniki Łódzkiej otrzymał złoty medal na Międzynarodowej Wystawie Wynalazków w Brukseli Eureka 2008, korzystać mogą również inne służby ratownicze, a także… pacjenci. Chcąc zmierzyć wilgotność skóry czy tętno, muszą udać się teraz do gabinetu lekarskiego. A mogliby robić to samodzielnie, nadal będąc pod stałą „obserwacją”. Wykorzystywane czujniki, np. termistory czy tensometry, przetwarzają bowiem mierzony parametr na sygnał elektryczny, a ten jest przez odpowiednie siłowniki włókniste – polimery elektroaktywne, elastomery dielektryczne czy nanorurki węglowe – zamieniany na wielkość sterującą. Taki monitoring może być prowadzony na odległość, bo większość opracowywanych dziś rozwiązań koncentruje się na bezprzewodowym przesyłaniu danych. W ten sposób można też mierzyć rytm oddechowy.

– Pod wpływem ruchu klatki piersiowej końcówki światłowodów przesuwają się względem siebie, co powoduje zmianę natężenia promieniowania, które oświetla światłowód odbiorczy sprzężony optycznie z fotodiodą. Dioda emitująca promieniowanie podczerwone oraz fotodioda są elementami składowymi układu elektronicznego, który zlicza liczbę oddechów w czasie jednej minuty. Wynik można odczytać na cyfrowym wyświetlaczu – opisuje dr inż. Michał Frydrysiak z Katedry Odzieżownictwa i Tesktroniki PŁ.

Dywanowy alarm

Niekonwencjonalnych pomysłów opatentowano tam już kilka. Rzadko kiedy są one efektem nagłego i niespodziewanego olśnienia. Prof. Krzysztof Gniotek przyznaje, że w jego podejściu kluczowe znaczenie w dochodzeniu do celu mają metody heurystyczne. A punktem wyjścia do pracy nad tego typu innowacjami są zawsze ludzkie potrzeby. To właśnie na rozwiązaniach tekstronicznych oparte są choćby tzw. wojskowe mundury kameleonowe czy odzież sportowa wyposażona w układy pomiarowe. Przydają się też ratownikom wodnym, którzy zakładają odzież aktywną, chroniącą przed zimnem. Ale tekstronika nie ogranicza się tylko do odzieży. Z powodzeniem wykorzystywana jest np. w tapicerkach samochodowych wyposażonych w czujniki umożliwiające identyfikację kierowcy. Ciekawe jest również jej użycie w… firankach czy dywanach.

– W tym przypadku stanowi system zabezpieczeń przed niepożądanymi gośćmi. Kiedy wyjeżdżamy na dłużej i zostawiamy puste mieszkanie, po wtargnięciu intruza uaktywnia się alarm. Jego zaletą jest to, że pozostaje niewidoczny dla włamywacza .

Z takich właśnie różnorakich potrzeb rodzą się pomysły, które w kolejnym etapie przenosi się na papier. Bo potrzeba to jedno, ale wiedza do jej zaspokojenia – to drugie. Jako żywo przypomina to pracę kreatora mody, dążącego wpierw do stworzenia wizji swojego projektu. Z jedną różnicą – modowi inżynierowie nie muszą szukać nośnika, na którym idea zostanie zrealizowana. On jest niejako narzucony. Materiał na kombinezony, kurtki czy koszulki już przecież jest, trzeba go tylko „doposażyć”. To prawdziwe przekleństwo. Kiedy bowiem przychodzi do zelektryzowania tego nośnika, liczyć się należy z ograniczeniami wynikającymi z właściwości tych materiałów. Pokonanie ich niedoskonałości to nie lada wyzwanie. Struktury włókniste są porowate, mają różną powierzchnię i opracowanie uniwersalnej technologii jest wręcz niemożliwe. W przypadku cienkich tkanin stosuje się nadruki atramentami elektroprzewodzącymi bądź napylenia. Wielowarstwowa dzianina z kolei to materiał, w którym łatwiej umieścić elektronikę w środku.

– Moim zdaniem tekstronika potrzebuje zupełnie innych materiałów, dostosowanych ściśle do jej wymagań. Ich jeszcze nie ma, nikt ich nie wymyślił, ale sądzę, że to tylko kwestia czasu – prognozuje prof. Gniotek, który, nie oglądając się na tego typu przeszkody, próbuje wraz z zespołem je pokonać. Ot, choćby metalowe elektrody zastępując włóknistymi. Przydadzą się do odzieży stymulującej mięśnie. To najnowszy wynalazek łódzkich inżynierów. Na jego opracowanie otrzymali ponad milion złotych. Narzędziem elektrostymulującym będzie tutaj matryca składająca się z pojedynczych elektrod. Działanie każdej z nich będzie niezależne od innych. Oznacza to, że odpowiednie sterowanie umożliwi skierowanie prądu nie w jedno, ale naprzemiennie w kilka miejsc. Dzięki temu będzie można dla każdego pacjenta indywidualnie dobrać odpowiednie powierzchnie stymulacji. Chodzi głównie o mięśnie kończyn.

– Kiedy noga czy ręka jest długo unieruchomiona, np. w gipsie, mięśnie muszą być cały czas pobudzane, żeby nie doszło do ich przykurczu. Teraz wygląda to tak, że do leczonego miejsca przykładane są w gabinecie sztywne elektrody, powodujące jednak pewien dyskomfort. W naszym rozwiązaniu, które otrzyma postać skarpety i opaski, chory nawet tego nie poczuje. Użyjemy bowiem tzw. elektroniki polimerowej .

Haftowane elektrody

Parametry stymulacji pozostaną przy tym niezmienne. Oznacza to, że napięcie, a także kształt i częstotliwość impulsów będą takie same, jak w standardowych generatorach. Tymczasem elektrody zostaną wyhaftowane cienką nitką na elastycznej dzianinie. W planach są też elektrody tkane, dziane i włókninowe. Będą one wówczas tak zintegrowane z materiałem, że mało kto zorientuje się w ich obecności. Do ich wytworzenia łódzcy inżynierowie wykorzystają srebro. Oprócz tego, że jest ono o wiele tańsze od złota i wykazuje doskonałe właściwości przewodzenia prądu, to jeszcze działa bakteriostatycznie – hamuje rozwój i wzrost szkodliwych mikroorganizmów. Eksperymenty prowadzone są na specjalnie skonstruowanym do tego celu fantomie.

– Jest to zabudowany przezroczysty model kończyny, w którym zastosowaliśmy żel elektroprzewodzący, mający postać gęstego kisielu. W środku znajduje się imitująca kości rura, w której płynie woda. Zachowaliśmy tym samym odpowiednią temperaturę ludzkiego „ciała”. W kilku otworach umieściliśmy elektrody .

Ta karkołomna, wydawałoby się w pierwszej chwili, konstrukcja daje całkiem obiecujące efekty. Trzeba zaznaczyć, że człowiek i odzież to dość trudne elementy do eksperymentalnego sterowania. Modeli tekstronicznych, które uwzględniałyby takie czynniki, jak wydzielanie potu czy pary wodnej i ich przenoszenie przez tekstylia, nie ma. A to są właśnie problemy, z którymi tekstronika musi sobie poradzić. Zresztą nie jedyne. Równie zagadkowa pozostaje kwestia czyszczenia i przede wszystkim prania odzieży elektronicznej. Trudno też przewidzieć jej odporność na zakłócenia elektryczne. Wreszcie, kwestia zasilania – nikt nie będzie chodził z akumulatorem, bo byłoby to całkowicie niepraktyczne. Jedynym wyjściem jest więc pozyskanie energii z niekonwencjonalnych źródeł, np. światła słonecznego czy ruchu człowieka.

– Tekstronika to zupełnie nowy obszar myślenia inżynierskiego, w który wkroczyliśmy świadomie i teraz stawiamy mu czoło. Cały czas udoskonalamy opracowane przez nas rozwiązania, tworzymy kolejne tak, by zaradzić tym wszystkim problemom. Trzeba jednak wiedzieć, że przeniesienie pomysłów laboratoryjnych do produkcji na skalę masową, nie nastąpi tak szybko – przestrzega prof. Krzysztof Gniotek, dodając do tego niesprzyjającą sytuację polskiego przemysłu włókienniczego.

W Łodzi zachowują jednak optymizm, bo w końcu gdzie jak gdzie, ale tam tekstronika ma solidne podstawy do dalszego rozwoju. Nie przypadkiem idea ta zakiełkowała w stolicy przemysłu włókienniczego, a konkretnie – w tamtejszej politechnice, jedynej uczelni w Polsce, gdzie można jeszcze studiować włókiennictwo. ☐