ابتكار في الأقمشة الميكانيكية: شحن لاسلكي، استشعار حركة، وردود فعل لمسية في نسيج واحد
حقق الباحثون تقدمًا ملحوظًا في تطوير أقمشة ميكانيكية ذكية قادرة على توفير ثلاث وظائف تقنية في نسيج واحد، تشمل الشحن اللاسلكي، استشعار الحركة البيوميكانيكية، وتقديم ردود فعل لمسية حسّاسة. هذا الابتكار يعتمد على تقنية الحياكة الميكانيكية الرقمية التي تسمح بدمج الألياف المغناطيسية والملفات الكهرومغناطيسية في وحدة نسيجية متكاملة وليست مجرد طبقات منفصلة.
التحديات المعاصرة في الإلكترونيات القابلة للارتداء
في مجال الإلكترونيات القابلة للارتداء، تسعى الأنظمة إلى تقديم وظائف متقدمة دون التأثير على حرية حركة الجسم أو راحة المستخدم. تكمن الصعوبة في دمج مكونات إلكترونية متخصصة ضمن أقمشة مرنة، من دون زيادة الكتلة أو الصلابة التي قد تقلل من مرونة الملابس.
الأنظمة التقليدية تعوّض عن ذلك باستخدام مكونات منفصلة، مما يتطلب عمليات تصنيع معقدة ويزيد من تعقيد التوصيل والتكامل بين الوظائف المختلفة. لذلك، كان الهدف تطوير نسيج قادر على دمج الوظائف الثلاث – الشحن اللاسلكي، استشعار الحركة، وتوفير ردود فعل لمسية – بشكل متكامل في بنية نسيجية واحدة.
تصميم وتصنيع الألياف والنسيج الممغنط
قام الفريق بتطوير ترانزستور نسيجي مغناطيسي نشط عن طريق دمج ألياف مصنوعة من مزيج سيليكوني مرن مع جزيئات مغناطيسية مصنوعة من نيوديميوم-حديد-بورون (NdFeB). تم تحضير هذه الألياف باستخدام عملية خلط متقدمة تعتمد على خلاط كوكبي، متبوعة بضخ الخليط في جهاز طباعي ثلاثي الأبعاد، ومن ثم معالجتها حراريًا.
نُفذت عملية الحياكة للملفات الكهرومغناطيسية عبر ماكينة حياكة مسطحة رقمية، ضمن تصميم محكم يُمكّن من توزيع سلك نحاسي ملفوف بمقاس 34-AWG داخل الأقمشة بطريقة يُعتبر فيها السلك كقطعة واحدة. هذا النسيج ذو طبقتين: طبقة صلبة تحتوي على الملفات، وطبقة داعمة من نخيل الأكريليك لتحسين الثبات والراحة.
آلية التشغيل
- الشحن اللاسلكي يتم عبر الحث الكهرومغناطيسي، حيث تعمل الملفات على نقل الطاقة إلى الألياف المغناطيسية.
- استشعار الحركة يعتمد على القياسات الناتجة عن الاهتزازات والتغيرات في المجال المغناطيسي المحيط بالألياف.
- الردود اللمسية تُقدم عن طريق توليد موجات كهرومغناطيسية تُشغل الألياف لتوليد اهتزازات محسوسة باللمس.
يتحكم النظام الإلكتروني المرفق من خلال لوحتي دوائر مطبوعة متراكبة، تنتقل بشكل سلس بين الحالات الثلاث خلال جزء من الثانية، ولكن لا تعمل الوظائف بشكل متزامن، بل بالتتابع.
تقييم الأداء والخصائص الميكانيكية
إن نسبة جزيئات النيوديميوم في الألياف بلغت حوالي 89% من وزن المادة، لتنتج مجالًا مغناطيسيًا قوياً ضمن ألياف قطرها 1.5 ملم. هذا الكم من الجزيئات لم يؤثر سلبًا على مرونة السيليكون، حيث بلغت قدرة التمدد حتى الانقطاع أكثر من 200% مع صلابة ملائمة تعادل 5.3 كيلو باسكال، مما يجعل الألياف مناسبة للتطبيقات القابلة للارتداء.
تم موازنة إنتاج المجالات الكهرومغناطيسية مع التحكم في درجة الحرارة، حيث حافظت الأسلاك النحاسية على حرارة أقل من 36 درجة مئوية مع تيار مستمر قدره 1 أمبير، وهو مهم للسلامة والراحة خلال الاستخدام.
هيكل الحياكة المثالي الذي أُنجز تضمن 8 صفوف من الحلقات (courses) وعمودين (wales)، ما منح توازنًا جيدًا بين حساسية الاستشعار وكفاءة الشحن اللاسلكي وقوة ردود الفعل اللمسية.
تطبيقات عملية على النماذج القابلة للارتداء
تم اختبار النسيج في ثلاثة أدوات قابلة للارتداء:
- عقد ذكي يُلف حول الحنجرة يكتشف اهتزازات الأحبال الصوتية لتصنيف الإشارات الخاصة بالمستخدم في تنفيذ أوامر مختلفة عبر نماذج تصنيف ذكي، مع تقديم ردود لمسية تؤكد استلام الأوامر.
- قفاز لإعادة التأهيل يحتوي على خمسة وحدات استشعار على الأصابع لتقييم سرعة النقرات وتحفيز تفعيل ردود لمسية لتحسين الأداء في تمارين المهارات اليدوية.
- غطاء سوار للساعد يُستخدم لتعقب حركة المعصم أثناء التدريب على العزف على آلة الكمان، مع تقديم ردود لمسية لتصحيح التوقيت الموسيقي.
هذه النماذج التجريبية أثبتت جدوى التقنية، مع الاستدلال الأولي على إمكانيات استخدامها في التواصل الصوتي، تحسين المهارات الحركية، والتدريب الموسيقي، رغم الحاجة لتوسيع الدراسات والاختبارات السريرية لاحقًا.
مستقبل الأنظمة الميكانيكية التفاعلية في الملابس
يشير هذا البحث إلى إمكانات كبيرة في دمج عدة وظائف إلكترونية في بنية نسيجية واحدة قابلة للارتداء، مما يقلل من تعقيد تصنيع الملابس الذكية ويعزز الراحة والمرونة. ومع ذلك، لا يزال يتطلب النظام وحدة طاقة ومكونات إلكترونية صلبة خارج النسيج ذاته.
يطرح هذا العمل أسسًا لتطوير أجهزة إلكترونية مدمجة ضمن الأقمشة يمكنها التكيف مع أشكال وتصاميم مختلفة حسب الاستخدام المطلوب، ويمهد الطريق لتطبيقات أوسع في مجالات عدة مثل التفاعل بين الإنسان والآلة، التدريب الحركي، ورعاية الصحة.
المصدر: موقع AZoM.com
📚 مقالات ذات صلة
اكتشاف المزيد من Mohdbali
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
تطبيقاتنا على أندرويد
