Сегодня в нашей жизни присутствует множество «умных» устройств — от «умных» гаджетов до целых систем управления домом. Но ученые идут дальше: члены группы TERS-Team Томского политехнического университета работают над созданием текстильной электроники — материала для «умной» одежды, в который можно интегрировать электронные датчики с функциями записи мышечной активности, сердцебиения, голоса, считывания жестов и т.д.
Справка
Евгения Сергеевна Шеремет — PhD (кандидат наук в области экспериментальной физики, технический университет г. Хемница, Германия), профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета (ТПУ). Профессор Евгения Шеремет — один из основателей и лидеров команды TERS-team, которая фокусируется на гибкой электронике, наноматериалах и передовых методах нанохарактеризации.
Что такое электропроводящий текстиль для «умной» одежды и зачем нужны такие технологии? Об этом рассказывает профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Евгения Сергеевна Шеремет.
— Как вы начали работать над текстилем для «умной» одежды, что лежит в основе технологии?
— Мы двигались к этой теме с двух направлений. Когда началась пандемия COVID-19, у профессора Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, соруководителя TERS-Team Рауля Родригеса возник вопрос, можно ли сделать умную маску — улучшить эффективность фильтрации, сделать маску стерилизующийся. Нам не удалось изменить фильтрующие свойства, зато мы смогли сделать на текстиле датчики деформации и нагревательный элемент.
Второе направление, с которого мы начинали работы над умным текстилем: мы ранее создали биоэлектроды, те элементы, которые необходимы для записи электрокардиограмм, и у нас возник вопрос, как их крепить. Поэтому эти два направления вылились в необходимость создать такие элементы, которые можно было бы интегрировать в одежду.
— Когда вы начали работу?
— Мы разработали технологию лазерной обработки наноматериалов, а затем на основе этого подхода в 2019 г. опубликовали работу по биоэлектродам. Они обладали существенным преимуществом — могли работать дольше, чем обычные электроды, которые, как правило, используются в медицинском кабинете у кардиолога. Тогда у нас возник вопрос: как крепить их на тело человека? Ведь он не будет несколько дней носить на себе провода и коробку.
Уже в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» у нас появились успехи, которые вылились в публикации о датчиках деформации на текстиле.
— Как вы думаете, почему «умная» одежда сейчас в тренде? С чем связан интерес к таким разработкам?
— «Умная» одежда в том или ином виде была в фантастических произведениях. Много лет назад компания PUMA интегрировала компьютер в обувь, но это далеко не современные разработки, первые подобные попытки были сделаны десятилетия назад.
Современные технологии сильно изменились, электронные устройства стали миниатюрнее, быстрее, требуют меньше энергии. То есть их можно «упаковать» в какое-то компактное устройство, это ни для кого не секрет. Появились технологии машинного обучения. Наша «умная» одежда генерирует большое количество данных, и обрабатывать их — непростая задача. Врач не сможет круглосуточно следить за вашим сердечным ритмом. Очевидно, что нужны алгоритмы, которые смогут справиться с этим потоком данных и будут подавать сигнал в случае какой-то проблемы. Специальные алгоритмы должны уметь обработать эту информацию, чтобы помочь человеку принять решение на основе полученных данных.
С появлением таких технологий возникло два важных вопроса. Первый — комфорт пользователя. Если взять коробочку с электроникой, не каждый будет готов обвешиваться проводами и носить ее на себе. Второй вопрос связан с количеством данных, которые мы можем получить. Например, врач даже при базовой диагностике запросит несколько показателей здоровья: глюкозу, холестерин и т.д. И тут возникает вопрос: что еще мы можем измерить, если для сбора всех этих значений нам нужно поднести это устройство максимально близко к телу человека? То есть нужно понять, как пользователь будет взаимодействовать с этими устройствами. Поэтому сейчас «умная» одежда активно развивается в разных направлениях — и в направлении биосенсоров, устройств, которые могли бы проводить анализы буквально в кабинете врача. И второе направление — непосредственно то, что называют «умной» одеждой.
Профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Евгения Шеремет
Источник: Юрий Савич / Фото предоставлено Евгенией Шеремет
— Как это все выглядит со стороны пользователя? Как это носить?
— Большинство коммерческих разработок представляют собой проводящие компоненты, электроды или датчики информации (как в нашем случае), которые непосредственно служат частью текстиля. Они могут быть напечатаны на поверхности либо выполнены в виде ниток, из которых изготавливается такой текстиль. Но сейчас эти технологии пока не позволяют заменить все электронные компоненты.
Если посмотреть на коммерческие решения, то, например, у Xiaomi есть футболка со встроенным ЭКГ-монитором, в саму футболку интегрированы проводящие нити. Мы не все знаем о том, как это работает, потому что технология — часть коммерческой тайны. Но если посмотреть на это устройство, к этим электродам присоединяется коробочка. И эта коробочка — то, что текстильная электроника все еще не может заменить. Там располагаются батарейка, которую пользователь должен заряжать, а также модули передачи данных — Bluetoothили Wi-Fi. Соответственно, отсоединив коробочку, футболку можно стирать. И сейчас это — современное состояние того, что сегодня делают различные производители «умной» одежды.
Наша разработка и есть этот электропроводящий текстильный компонент. Нам тоже нужна коробочка, но мы предлагаем другую технологию создания электропроводящего компонента самой ткани. Технология сама по себе отличается, она основана на лазерной обработке и позволяет создать механически стабильное покрытие.
— Как в этом помогает графен?
— Мы работаем не с графеном, а с восстановленным оксидом графена. Этот материал более технологичен, его проще наносить. Графен в отличие от многих металлов не только электропроводящий, но и легкий, химически стойкий и при контакте с кожей не выделяет токсичных веществ.
С металлами проблема заключается в том, что не все материалы способны выдержать такие агрессивные среды, как человеческий пот. Если мы говорим о материалах, используемых в направлении, это также могут быть углерод, серебро, золото. Но делать одежду из золота может себе позволить далеко не каждый.
Нанесение оксида графена методом дроп-кастинга
Источник: Юрий Савич / Фото предоставлено Евгенией Шеремет
— Какие устройства уже могут быть внедрены в такой текстиль, какие сферы применения находит разработка?
— Мы видим два важных направления. Одно — считывание биопотенциалов человека, электрокардиограммы и электромиограммы в том числе. Второе — датчики деформации, например оцифровка движения человека. Это может быть интересно для тренеров, профессиональных спортсменов.
— Что уже сейчас может ваш текстиль? Что уже показывает себя в работе?
— Нам удалось реализовать детектирование движения, пульса и речи.
— Есть ли какие-либо ограничения, связанные с использованием электропроводящего текстиля?
— К электропроводящему текстилю предъявляется много требований: он должен быть комфортен, как обычная одежда, его нужно стирать, чистить, использовать в быту — ходить в нем в спортзал, потеть, а материал при этом должен продолжать работать и получать стабильный сигнал. Сейчас необходимо проверить безопасность материала, и при этом он должен быть по карману пользователю.
Проблема, которая остается в любом случае, — необходимость интегрирования чувствительного элемента с внешними устройствами, которые будут передавать сигнал или подавать энергию для работы устройств. Это дополнительные электронные схемы, усилители. И этот контакт тоже должен быть стабилен, комфортен и безопасен для пользователя.
— Вы как разработчик видите интерес научного сообщества к текстильной электронике? Кто-то из ваших коллег ведет подобные разработки?
— Эта тема активно развивается, в России тоже есть такие группы — над «умным» текстилем работают в Северо-Восточном федеральном университете им. М.К. Аммосова, в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН в Новосибирске. И это не единственные примеры.
— С чем связан интерес к «умному» текстилю? Это новая ступень эволюции гаджетов или больше медицинское направление? В какую сторону движется технология?
— Эти направления совершенно не независимы. Данные о дыхании и сердечно-сосудистой деятельности будут интересны как врачу, так и самому спортсмену. Есть, конечно, более специализированные показатели, но большинство существующих сейчас датчиков фокусируются именно на этих параметрах — акселерометры, ЭКГ.
Есть датчики, предназначенные для определенных пациентов, например датчики для диабетиков. Но это уже особый класс устройств, который, как правило, уже не относится к «умной» одежде.
Современная «умная» одежда выходит на рынок как спортивное решение. Но я считаю, что с развитием направления оно наверняка перейдет в медицинский профиль.
— На каком этапе находятся ваши разработки и каковы дальнейшие планы по развитию?
— Сейчас технологии находятся в стадии лабораторных образцов. Мы показали принципиальную возможность создания таких чувствительных элементов, а далее возникает такой важный для многих монументальных исследований вопрос: есть ли существенный интерес у общества и рынка, чтобы разработка продолжалась? На данном этапе наша главная задача — понять, насколько технология востребована на рынке. Это вопрос к заинтересованным промышленным и коммерческим партнерам.
— Можете ли вы рассказать о других проектах группы TERS-Team, в которой работаете? Чем особенно гордитесь?
— Наша научная группа приехала в Томский политех шесть лет назад из Германии. Лазерная обработка оксида графена стала той тематикой, с которой мы начали работу. И результаты, которых нам удалось добиться, — процесс обработки оксида графена с помощью лазера — это то, чем мы можем гордиться. Наши результаты выделяются на фоне многих работ в этой области. Это особенно заметно по тем публикациям, которые появились. Но мы работали с разными материалами.
Второе большое направление — мы разрабатываем и исследуем методы анализа наноматериалов.
Установка для характеризации образцов четырехзондовым методом
Источник: Юрий Савич / Фото предоставлено Евгенией Шеремет
Сегодня ключевые проекты — создание биодеградируемых устройств. Мы работаем над тем, чтобы электронный мусор после создания устройств не оставался в качестве экологического загрязнения, то есть свалок. Мы также хотим создать такие биодеградируемые датчики, которые в течение короткого периода смогут существовать в теле человека, а затем разрушаться.
Реализация подобных датчиков находится на самых начальных этапах. Пока мы исследуем, как их создать, как они будут функционировать, когда разрушаются, и т.д., и расширяем диапазон тех устройств, которые можно создать на основе таких технологий.
Интересно, можем ли мы таким образом заменить батарейку — то есть вместо коробочки, которую используют все существующие технологии умной одежды, создать технологию, которая могла бы или генерировать энергию, или хранить ее в самой одежде. Это бы существенно дополнило то, что мы уже сделали.
Это не только междисциплинарные фундаментальные исследования, требующие для дальнейшего развития специалистов и партнеров из разных областей, но и сложные продукты, для разработки которых нужна разносторонняя команда. Поэтому мы находимся в постоянном поиске новых людей.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.
Автор: Марианна Еркнапешян
Заглавное фото: предоставлено Евгенией Шеремет
