Die coole neue Erfindung von Cambridge: Rollen Sie ein Stück Stoff zusammen und es wird zu einem Bildschirm!

Geschrieben von: Wu Tingting

Herausgeber: Kou Jianchao

Eines Morgens werden Sie vom fünften Wecker geweckt, den Sie letzte Nacht gestellt haben. Die Vorhänge vor Ihnen zeigen Ihnen das Wetter, den Verkehr und andere Informationen des Tages. Bevor Sie aus dem Bett steigen, können Sie die auf der Bettdecke angezeigten Schlaf- und Gesundheitsindikatoren überprüfen. Sie können Ihr Telefon aufladen, indem Sie es auf den Teppich legen. Sogar Ihre Kleidung kann als Touchscreen fungieren, sodass Sie jederzeit und überall arbeiten können ...

Klingt das wie eine Szene aus einem Science-Fiction-Roman?

Nein, nein, nein! Ein Forschungsteam der Universität Cambridge könnte dies nun Wirklichkeit werden lassen:

Sie haben einen textilbasierten intelligenten Bildschirm entwickelt, bei dem intelligente Sensoren, LED-Anzeigen sowie Stromerfassung und -speicherung direkt in das Textil integriert sind. Es kann nicht nur grafische Informationen in Echtzeit anzeigen und interaktiv berühren, sondern lässt sich auch beliebig biegen und falten. „Ein Stück Stoff ist ein Bildschirm.“

Abbildung | Smartes Textildisplay lässt sich beliebig falten, biegen und aufrollen (Grafikquelle: Nature Communications)

Mit dieser Technologie, so heißt es, lassen sich erstmals skalierbare, großflächige komplexe Systeme durch ein vollständig faserbasiertes Herstellungsverfahren in Textilien integrieren. Es birgt großes Potenzial für die Integration in Alltagsgegenstände und die direkte maschinelle Produktion im großen Maßstab.

Die entsprechende Forschungsarbeit mit dem Titel „Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications“ wurde im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Wenn Textilien = elektronische Displays

Mit der Popularisierung von Konzepten wie „Smart Home“ und „Internet der Dinge“ sind intelligente Textilien mittlerweile in den Fokus der Wissenschaftler gerückt.

Wenn die Textilien, die man überall auf den Straßen und Gassen findet, als verschiedene elektronische Geräte dienen können, wird unser Leben sicherlich bequemer und cooler.

Allerdings sind die Funktionen, Größen und Formen intelligenter Textilien derzeit noch durch die Herstellungsverfahren begrenzt und können diesen Bedarf nicht decken.

In den letzten Jahren haben einschlägige Studien gezeigt, dass bestimmte spezielle „intelligente Fasern“ durch traditionelle Web- oder Strickverfahren direkt in Textilien integriert werden können. Bei Erfolg bedeutet dies, dass sie zu Alltagsgegenständen verarbeitet werden können, was die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten intelligenter Textilien erheblich erweitert.

In dieser Studie gelang es dem Forschungsteam, ein intelligentes Textilsystem namens F-Devices herzustellen. Das Prototypgerät ist ungefähr 46 Zoll groß. Obwohl es sich optisch nicht von gewöhnlichen Stofftextilien unterscheidet, kann es als elektronischer Anzeigebildschirm verwendet werden, um Hochfrequenzsignale, Temperatur, Licht, Berührungsinformationen und Biosensorinformationen in Echtzeit zu überwachen und anzuzeigen. Es kann auch automatisch Strom sammeln und speichern.

Abbildung ｜ Intelligente Textilanzeige (Grafikquelle: Nature Communications)

Da es direkt unter Verwendung kommerzieller Textilherstellungstechnologie hergestellt wird und die Rohstoffe Textilfasern sind, kann es gleichzeitig beliebig gerollt und gefaltet werden und verfügt über eine Flexibilität und Robustheit, die mit früheren intelligenten Textilien nur schwer zu erreichen war.

Abbildung | Textilbasiertes Smart Display (Quelle: Nature Communications)

Das Forschungsteam sagte, dass der diesmal hergestellte Display-Prototyp den Weg für die nächste Generation elektronischer Textilanwendungen ebne, die Bereiche wie intelligente und energiesparende Gebäude umfassen könnten. Beispielsweise können Gebäude mithilfe intelligenter Textiltechnologie selbstständig Energie erzeugen und speichern.

Darüber hinaus werden das Internet der Dinge, verteilte Sensornetzwerke und flexible und tragbare interaktive Displays, die in Textilien integriert sind, einen großen Schritt nach vorne machen.

Mehrere Funktionen in einer, so cool!

Wie wird dieses System also implementiert?

Zunächst integrierte das Forschungsteam sechs wichtige Faserkomponenten: F-RF-Antenne, F-Fotodetektor, F-Berührungssensor, F-Temperatursensor, F-Biosensormodul und F-Energiespeichermodul und verwendete RGB-Faser als Rohmaterial, um die vielfältigen Funktionen des Anzeigebildschirms zu realisieren.

Abbildung | a) Sechs in F-Geräten eingebettete Schlüsselkomponenten; b) Das System wird mithilfe der mechanischen Textiltechnologie direkt in der Werkstatt gewebt. c) Prototyp eines intelligenten Textilsystems (Quelle: Dieses Dokument)

Unter anderem werden zur Umweltüberwachung fotoelektrische Detektoren und Temperatursensoren eingesetzt. Nach dem Empfang von Eingangssignalen (z. B. durch Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen) zeigt der Smart-Display-Bildschirm die aktuellen Informationen in Echtzeit an.

Abbildung | Das Forschungsteam beleuchtete den optischen Sensor mit ultraviolettem Licht und gab die entsprechenden Informationen auf dem Bildschirm wieder (Grafikquelle: Nature Communications).

Abbildung | Smartes Textildisplay überwacht in Echtzeit und stellt aktuelle Temperaturveränderungen grafisch dar (Grafikquelle: Nature Communications)

Biosensoren werden verwendet, um verschiedene Indikatoren des menschlichen Körpers zu erfassen.

Während des Experiments nutzte das Personal das System, um seinen eigenen Herzschlag abzulesen, und auf dem Display wurde das Elektrokardiogramm in Echtzeit angezeigt.

Abbildung | Intelligentes Textildisplay überwacht den Herzschlag und zeigt ein Elektrokardiogramm in Echtzeit an (Grafikquelle: Nature Communications)

Der Berührungssensor ist für die Bedienung jedes Glasfasergeräts ausgelegt und zeigt bei einer Berührung eine Reihe vorcodierter Anweisungen auf dem Textildisplay an. Um reale Anwendungen zu erreichen, fügte das Forschungsteam außerdem 30 Ausführungsbegriffe hinzu, die sich auf intelligente Geräte und das Internet der Dinge beziehen (Tabelle links in der Abbildung unten):

Abbildung | Wenn der Berührungssensor unterschiedliche Eingangssignale empfängt, löst er die entsprechenden Anweisungen aus und zeigt sie auf dem Display an (Grafikquelle: Nature Communications)

Darüber hinaus hat das Forschungsteam in dieses intelligente Textildisplay auch ein Stromsammel- und -speichermodul integriert, um sicherzustellen, dass das Display 5 Minuten lang unabhängig mit Strom versorgt werden kann.

Abbildung | Das Energiespeichermodul versorgt den Bildschirm mit Strom, der etwa 5 Minuten lang anhält (Grafikquelle: Nature Communications).

Es könnte in Zukunft großartige Dinge geben

Um das Smart Display perfekt in den Webprozess zu integrieren, hat das Forschungsteam neben der hervorragenden funktionalen Umsetzung auch jede Faserkomponente mit einem Material beschichtet, das ausreichender Dehnung standhält, sodass sie direkt in Textilherstellungsmaschinen eingesetzt werden kann.

Um die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Smart Displays zu verbessern, hat das Forschungsteam außerdem einige faserbasierte Komponenten eingewebt. Nach 1.000 mechanischen und elektrischen Stabilitätstests sowie Wasserdichtigkeitstests wurde festgestellt, dass die Glasfaserkomponenten keine mechanischen Schäden aufwiesen und die Leistungsabweichung in einem stabilen Bereich blieb.

Abbildung | Das Forschungsteam testete die Wasserdichtigkeit von F-Geräten (Grafikquelle: Nature Communications)

Schließlich verwendete das Forschungsteam leitfähige Klebstoffe und Laserschweißtechniken, um mehrere Glasfaserkomponenten miteinander zu verbinden, und integrierte mithilfe standardmäßiger, skalierbarer Textilherstellungsprozesse erfolgreich mehrere Funktionen in ein großes Stück Robotertextil.

In diesem Zusammenhang sagte Jong min Kim, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Cambridge und einer der Leiter dieser Studie:

„Unser Ansatz baut auf der Konvergenz von Mikro- und Nanotechnologie, fortschrittlichen Displays, Sensoren, Energie und industrieller Textilherstellung auf und ist ein wichtiger Schritt hin zur vollständigen Nutzung nachhaltiger und praktischer elektronischer Fasern und E-Textilien für alltägliche Anwendungen.“

Derzeit untersucht das Forschungsteam weiterhin, wie die Nachhaltigkeit der Technologie verbessert und auf Alltagsgegenstände angewendet werden kann. Außerdem arbeitet es an der Integration nachhaltiger Materialien in Faserkomponenten, um ein neuartiges textilbasiertes Energiesystem vorzuschlagen.

Aus diesen flexiblen und praktischen intelligenten Textilien können letztendlich Batterien, Superkondensatoren, Solarmodule und andere Geräte hergestellt werden.

Ein weiterer Studienleiter, Luigi Occhipinti, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Cambridge, sagte:

Durch die Integration faserbasierter elektronischer, photonischer, sensorischer und energetischer Funktionen können wir eine völlig neue Klasse intelligenter Geräte und vernetzter Systeme ermöglichen. Diese Forschung untersucht eingehend das Potenzial der Textilherstellung, wodurch wir bald energieautarke, intelligente IoT-Geräte erleben werden, die sich nahtlos in unsere Alltagsgegenstände und viele andere Industrieanwendungen integrieren lassen.

Was halten Sie von intelligenten Textilien? Teilen Sie es gerne im Kommentarbereich ~

Quellen:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28459-6#Abb4

https://www.techexplorist.com/fully-woven-smart-display/44664/

https://techxplore.com/news/2022-02-scientists-fully-woven-smart.html

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