توسعه تکنولوژی هوشمند برای منسوجات و پوشاک
1- مقدمه
از قرن نوزدهم ، تغییرات تحول گونه با سرعتی غیر قابل انتظار در بسیاری از حوزه های علم و تکنولوژی صورت گرفته است که اثرات عمیقی بر زندگی بشر گذاشته است. اختراع چیپ های الکترونیکی، رایانه‌ها، اینترنت، کشف و تکمیل نقشه ژنوم انسانی و بسیاری موارد دیگر کل جهان را تغییر داده است قرن گذشته پیشرفت های فوق العاده ای نیز دز صنعت منسوجات و پوشاک بوجود آورده که دارای تاریخ چندهزار ساله است. شالوده های اساسی درک علوم طراحی شده است تا راهنمای کاربرد بهینه و پردازش تکنولوژی الیاف طبیعی و تولید الیاف سنتزی باشد. ما چیزیهای زیادی از طبیعت آموخته‌ایم. رایون ویسکوز، نایلون، پلی استر و سایر الیاف سنتزی در ابتدا براساس تقلید از همتاهای طبیعی آنها ابداع گردید. این تکنولوژی به گونه ای پیشرفت کرده است که الیاف سنتزی و محصولات آنها در بسیاری از جنبه ها از آنها فراتر رفته است.
روش های بیولوژیکی برای سنتز کردن پلیمرها یا منسوجات بیانگر یک روش دوستانه محیط زیستی و انعطاف پذیر برای بکارگیری منابع طبیعی است. طراحی و پردازش به کمک رایانه ها ، اتوماسیون با کنترل راه دور متمرکز یا پراکنده و سیستم های مدیریت تأمین زنجیره ای متمرکز اینترنت محور بیش از پیش مشتری ها را به ابتدای زنجیره نزدیک می‌کند.
با نگاه به جلو درمی‌یابیم که در آینده این وضعیت بیشتر هم خواهد شد. در نتیجه توسعه های بعد ما باید انتظار چه ظرفیت های جدیدی را داشته باشیم؟ این ظرفیت ها حداقل باید شامل مقیاس نانو، پیچیدیگ، شناخت و کل گرایی باشد. توانایی جدید مقیاس ترا سه درجه اهمیت را علاوه بر هدف کلی حاضر و ت وانایی های محاسباتی قابل دسترسی کلی به ما می دهد. در یک زمان کوتاه ما به میلیون ها سیستم و بیلیون ها اطلاعات موجود در اینترنت متصل خواهیم شد. تکنولوژی هایی که امکان بیش از یک تریلیون عمل در ثانیه را می دهند در دستور کار پژوهش است. تکنولوژی در مقیاس نانو سه درجه اهمیت پایین تر از اندازه بیشتر ابزار انسان ساخته امروزی را به ما می دهد. این تکنولوژی به ما امکان می دهد تا اتم ها و مولکول ها را به گونه ای کم هزینه و با بیشترین روشهای ممکن از نظر قوانین فیزیکی چینش کنیم. این تکنولوژی به ما اجازه می دهد تا ابررایانه هایی بسازیم که روی سر یک الیاف و دسته ای از نانوروبوت های پزشکی کوچکتر از یک سلول انسان قرار بگیرد تا سرطانها، عفونت ها ، شریانهای مسدود شده و حتی سن پیری را درمان کند. تولید مولکولی دقیقا مشخص می کند که چه چیزی باید ساخته شود و هیچ ماده آلوده کننده‌ای تولید نمی‌گردد.
ما در این دوره هیجان انگیز زندگی می کنیم و تأثیرات بزرگ تکنولوژی بر صنعت نساجی و پوشاک سنتی که دارای یک چنین تاریخ طولانی است حس می کنیم. به لحاظ سنتی بسیاری از حوزه های علم و مهندسی تفکیک و متمایز شده اند. اخیراً حرکت قابل توجه و همگرایی بین این حوزه های تلاشگری صورت گرفته و نتایج آن خیره کننده بوده است. تکنولوژی اسمارت برای مواد اولیه و ساختارها یکی از این نتایج است.
ساختارها و مواد هوشمند چه هستند؟ در طبیعت مثال های زیادی از ساختارهای هوشمند وجود دارد. یک موجود زنده تک سلولی ساده میتواند مبانی موضوع را روشن کند. همانگونه که در شکل 1-1 نشان داده شده شرایط متنوع زیست محیطی یا محرک ها روی لایه بیرونی عمل می کنند. این شرایط با محرک ها ممکن است به شکل نیرو، درجه حرارت، تشعشع ، واکنش های شیمیایی و میدانهای مغناطیسی و الکتریکی باشد.
حسگرهای موجود در لایه بیرونی این اثرات شناسایی می کند و اطلاعات حاصله برای تفسیر و پردازش سیگنال به نقطه ای متصل می شود. که در آن سلول نسبت به این شرایط زیست محیطی یا محرک ها به روشهای متعددی مانند حرکت، تغییر ترکیب شیمیایی و کنش های باز تولیدی، واکنش نشان می دهد. طبیعت بیلیون ها سال و یک آزمایشگاه وسیع در اختیار داشته تا زندگی را توسعه دهد، در حالیکه نوع انسانی تازه شروع به خلق ساختارها و مواد هوشمند کرده است.
ساختارها و مواد هوشمند را میتوان به صورت مواد و ساختارهایی تعریف کرد که محرکها یا شرایط محیطی، مانند آنچه از منابع مکانیکی، گرمایی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی یا سایر منابع حاصل می‌شود، را حس کرده و نسبت به آن واکنش نشان می‌دهد. بر طبق حالت واکنش میتوان آنها را به مواد هوشمند منفعل ، هوشمند فعال و بسیار هوشمند تقسیم کرد. مواد هوشمند منفعل فقط میتوانند شرایط محیطی یا محرک ها را حس کنند؛ مواد خیلی هوشمند خودشان می توانند حس کرده، واکنش نشان دهند و سازگار شوند. حتی سطح بالاتری از هوش را میتوان از ساختارها و مواد هوشمند کسب کرد که قادرند پاسخ داده یا برای اجرای یک عمل در یک حالت دستی یا از پیش برنامه ریزی شده فعال شوند.
در اینگونه مواد سه جزء ممکن است وجود داشته باشد: حس گرها، محرک ها و واحدهای کنترل. حسگرها یک سیستم عصبی را برای شناسایی سیگنال ها تأمین می کنند. بنابراین در یک ماده هوشمند منفعل، وجود حسگرها ضروری است. محرک ها به طور مستقیم از یک واحد کنترل روی سیگنال های شناسایی شده کار می کنند. آنها نیز به همراه حسگرها عناصر ضروری برای مواد هوشمند فعال می‌باشند. حتی در سطوح بالاتر، همانند مواد هوشمند یا خیلی هوشمند، نوع دیگری از واحد ضروری است، که همانند مغز از طریق شناخت، استدلال و فعال سازی ظرفیت ها عمل می کند. اینگونه ساختارها و مواد منسوج در نتیجه ترکیب موفق تکنولوژی پوشاک و منسوجات سنتی با علم مواد، مکانیک های ساختاری، حسگرها و تکنولوژی محرک ها، تکنولوژی پردازش پیشرفته، ارتباطات، هوش مصنوعی، بیولوژی و غیره، درحال تبدبل شدن به یک امر ممکن است.
2- توسعه تکنولوژی هوشمند برای منسوجات و پوشاک
ما همیشه تحریک شده ایم که به منظور خلق مواد پوشاک خود که دارای سطوح بالاتری از کارکرد هوشمندی باشند از طبیعت تقلید کنیم. توسعه میکروفیبرها (ریزالیاف ها) مثال خوبی است که ابتدا از مطالعه و تقلید ابریشم آغاز می‌گردد، سپس با ایجاد محصولات دقیق تر و از بسیاری جهات بهتر ادامه می‌یابد.
اما تا به حال بیشتر منسوجات و پوشاک بیجان بوده اند. این موضوع جالب است که پوشاکی مانند پوست خود داشته باشیم که یک لایه از ماده هوشمند است. پوست دارای حسگرهایی است که فشار، درد، دما و ... را شناسایی می کد. این پوست به همراه مغز ما میتواند به صورت هوشمند با محرکهایی محیطی برخورد کند. پوست مقدار زیادی تعریق انجام می دهد تا بدن را هنگامی که داغ است خنک کند و هنگامیکه سرد است گردش خون را تحریک می‌نماید. پوست هنگامی که در معرض نور خورشید قرار گیرد (مدت زیاد) ، رنگ خود را تغییر می دهد تا از بدن ما محافظت کند. پوست نفوذپذیر است و اجازه می دهد رطوبت به داخل نفوذ کند و در عین حال از ورود مواد ناخواسته جلوگیری می‌نماید. پوست میتواند پوست اندازی کرده و خود را بازسازی نماید. پس مطالعه در مورد ساخت یک ماده هوشمند مانند پوست یک مقوله بسیار چالش دار است.
در دهه قبل، پژوهش و بررسی درباره ساختارها و مواد هوشمند به ایجاد گستره وسیعی از محصولات هوشمند جدید در هوا فضا، حمل و نقل، ارتباطات راه دور، خانه ها، ساختمانها و فوق ساختارها منجر شد. اگر چه این تکنولوژی بطور کلی جدید است اما بعضی عرصه ها به مرحله‌ای رسیده اند که کاربرد صنعتی برای منسوجات و پوشاک هم امکانپذیر است و هم ماندنی.
بسیاری از کاربردهای مهیج نمایش جهانی داشته است. پارچه ها و الیاف تولید کننده و نگهدارنده گرما که از برنامه فضایی توسعه یافت. اکنون در لباس اسکی، کفش، کلاههای محافظ ورزشی و ابزارهای عایق کاری مورد استفاده قرار گرفته است. از منسوجات و اجزای مرکب به همراه حسگرهای فیبر نوری برای نظارت بر سلامت پل ها و ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرد. اولین نسل مادربوردهای پوشیدنی تولید شده است که دارای حسگرهایی درون لباس بوده و قادر به شناسایی زخم و اطلاعات سلامت فرد می‌باشد و این اطلاعات را از راه دور به بیمارستان منتقل می کند. از پلیمرهای حافظه شکل برای منسوجات به شکل الیاف، فیلم و فوم استفاده شده است که نتیجه آن گستره ای از لباس ها و پارچه های دارای عملکرد بالا به ویژه لباسهای مربوط به دریا می باشد. حسگرهای الیاف که توانایی اندازه گیری دما، کشش و فشار، گاز، گونه های بیولوژیکی و بو را دارند، الیاف هوشمندی هستند که میتوان از آنها مستقیماً در منسوجات استفاده کرد. محرکهای پلیمر محور رسانا به سطوح خیلی بالایی از چگالی انرژی دست یافته اند. پوشاکی که خود دارای احساس و مغز باشد، مانند کفش ها و بارانی هایی که دارای سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) و تکنولوژی تلفن همراه هستند میتوانند موقعیت فرد را به او داده و جهت را برایش مشخص کنند. ارگانها و بافتهای بیولوژیکی ، مانند گوش و بینی را میتوان از کالبدهای منسوج که از الیاف زیست تجزیه پذیر ساخته شده، پرورش داد. منسوجات ترکیب شده با نانو مواد می تواند از ظرفیت جذب خیلی زیاد انرژی و دیگر تابع ها مانند آزمایش نمونه، مقاومت جذب، تابش نور و غیره بهره ببرد.
چالش هایی که پیش روی ما قرار دارد، مانند پژوهش و توسعه تکنولوژی هوشمند و سازگاری آن با صنایع وابسته بکار تیمی چند وجهی، که مرز انضباطهای سنتی در آن نامشخص می شود با چنان سرعت زیادی رخ می دهد که قبلا دیده نشده است. بعضی از عرصه های پژوهش را میتوان به صورت زیر گروه بندی کرد.
برای حسگر ها / محرک ها
- مواد حساس به نور - غشاء / پوشش هوشمند
- الیاف نوری - پلیمرهای حساس به مواد شیمیایی
- پلیمرهای رسانا - مواد حساس به اعمال مکانیکی
- مواد حساس به گرما - میکروکپسول ها
- مواد نانو و میکرو
برای انتقال، پردازش و کنترل سیگنال
- شبکه عصبی و سیستم های کنترلی
- نظریه شناخت و سیستم های آن
برای فرایندها و محصولات مجتمع
- مواد الکترونیک و فوتونیک قابل پوشیدن
- ساختارهای حساس و انطباقی
- بیومیمتیک ها (تقلید کننده های زیستی)
- پردازشگری زیستی
- مهندسی بافت
- رهاسازی دارو / مواد شیمیایی
فعالیتهای مربوط به پژوهش و توسعه با گستره ای جهانی هم در مؤسسات پژوهشی آکادمیک و هم در شرکتها صورت گرفته است. تیم های پژوهشی در آمریکای شمالی، کشورهای اروپایی و آسیایی بطور فعال کار انجام داده اند که نتایج قابل توجهی به شکل محصولات تجاری یا انتشارات پژوهشی به دست آمده است.
3-رئوس مطالب
هدف این مجموعه ویرایش شده، که یک بازبینی و بررسی آخرین توسعه های تکنولوژی هوشمند مربوط به منسوجات و پوشاک است. مخاطبین این ؟؟ دانشگاهیان، پژوهشگران ، طراحان، مهندسان عرصه توسعه محصولات منسوج و پوشاک و فارغ التحصیلان و دانشجویان کالج ها و دانشگاهها می‌باشند.
همچنین این مجموعه میتواند آخرین بینش های مربوط به توسعه تکنولوژیک را به مدیران شرکتهای منسوجات و پوشاک بدهد.
این مطالب با مشارکت هیئتی از کارشناسان بین المللی در این زمینه تهیه شده و بسیاری از جنبه‌های توسعه و پژوهش را پوشش می‌دهد. تحقیق متشکل از 17 فصل می باشد که میتوان آن را به چهار بخش تقسیم کرد. بخش اول (فصل 1) اطلاعات زمینه‌ای مربوط به تکنولوژی هوشمند برای منسوجات و پوشاک و خلاصه ای از مرور بر تولیدات و ساختار پروژه را به دست می دهد. بخش دوم شامل موضوعات مربوط به الیاف یا مواد است که از فصل 2 تا 3 می‌باشد. فصل 2 به موضوعات مربوط به مواد پلیمری فعال شونده به وسیله برق و کاربردهای الاستومرها و ژل پلیمر غیریونی برای ماهیچه های مصنوعی می‌پردازد. فصل 3 و مربوط به پارچه ها و الیاف حساس به گرما است.
در بخش سوم تمرکز بر فرایندهای مجتمع سازی و ساختارهای مجتمع است و خود شامل فصلهای دیگر است. فصل 4 مروری بر تولید و جریان های کلیدی ترکیبات هوشمند فیبر نوری است. فصل 5 بیان کننده غشاءهای فیبرتوخالی برای جداسازی گاز است. فصل 6 قلاب دوزی را به عنوان یک روش مجتمع سازی اجزاء تشکیل دهنده فیبر در ساختارهای منسوج توصیف می کند.
بخش چهارم روی کاربردهای زیست شناختی تمرکز دارد. فصل 7 فرآیندهای زیست شناختی مختلف برای پوشاک و منسوجات هوشمند را توضیح می دهد. ما فقط بخش کوچکی از تکنولوژی ظهور را از طریق پنجره این تحقیق دیده ایم . امکانپذیری های ارائه شده بوسیله این تکنولوژی هوشمند بسیار زیاد گسترده است. حتی در حالیکه کتاب در حال آماده شدن بود، بسیاری از پیشرفت های جدید از سراسر جهان جمع آوری گردیده است. ما امیدواریم که این تحقیق بتواند به پژوهشگران و طراحان پوشاک و منسوجات الیاف هوشمند در آینده جهت واقعیت بخشیدن به رؤیاهایشان ، کمک کننده باشد.
1- مقدمه
تلاش های زیادی برای کاربردی کردن مواد پلیمری که مواد «هوشمند» نامیده میشوند صورت گرفته است ( شکل 1-2) . ماهیچه مصنوعی یا محرک هوشمند یکی از اهداف اینگونه تلاش ها است. از لحاظ تاریخی مواد محرک اساساً در تکریبات غیر آلی مورد بررسی قرار گرفته است. بطور خاص، ماشه های بکار رفته برای تحریک، معمولاً در یک حوزه کاربردی الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته اند که علت آن سهولت کنترل می‌باشد. مواد پلیمری بررسی شده از این منظور خیلی محدود بوده و برای ایجاد کشش خیلی کوچکتر از مواد غیرآلی می باشد.
از سوی دیگر، مواد پلیمری مانند ژل های پلیمر معلوم شده که کشش های بسیارزیادی را ماشه های مختلف مانند تبدیل حلال، پرش PH ، پرش دما و غیره ایجاد می کند، اگر چه که واکنش و دوام نسبتاً ضعیف تر هستند و از آنها در محرک های عملی استفاده نشده است.
در زمینه مهندسی مکانیک، توسعه فرایند براده برداری میکرو با نیازمندی های تکنولوژی های ساخت میکرو و مونتاژ ابزار میکرو مواجه است و انتظارات زیادی از ظهور مواد هوشمند می رود که بتواند فرایند ساخت و تولید میکرو را تا حد زیادی ساده کند.
