دانلود تحقیق اثر گیج پارچه حلقوی پودی بر سیگنال تنفسی لباس هوشمند

انسان از ابتدای خلقت تا کنون، تنوع پوشش خود را از برگ درخت تا منسوجات هوشمند امروزی، اختیار نموده است.

در گذر زمان با فهم و کشف تکنولوژی های جدید و نیز شناسایی مواد خام موجود در طبیعت، توانسته است تا با بکار گیری دانش و امکانات موجود همواره رفاه بیشتر خود را فراهم سازد شاید روزگاری بافت منسوجی از جنس پنبه که بسیار لطیف باشد و بتواند به عنوان پوشش برای ادمی بکار رود، چندان قابل تصور نمی نمود و شاید افکار زمانهای قدیم برگ درختان را به عنوان پوشش خود به طور دائم متصور می شدند، یا شاید اگر ایده تولید و دست یابی به منسوج جدید، نیز به ذهن می رسید، باز این سئوال که حال چگونه میتوان برای مصرف کنندگان بسیار زیاد روی کره زمین این محصول را تولید کرد، تعللی در اوج گرفتن ایده های جدید ایجاد می نمود.
بشر در طول زمانهای گذشته همواره با اعجاز تجربه، بر ناباوری خود بر مسائل فایق آمده و همچنان در رشته های مختلف علمی و در سطوح مختلف، انقلابهای علمی ، دست باور را بر سبد دانشهای تحقق نیافته زده است.

در حوزه نساجی دیری نگذشته است که الیاف نوری، الیاف میکرو، الیاف نانو ، ...و به تازگی منسوجات هوشمند، حوزه های جدید کاری را برای محققین باز نموده¬اند.

بدیهی است اگرچه در بررسی هر کدام از این تکنولوژیها و کسب محصولات ناشی از هر کدام، همواره سئوالاتی چون آیا میتوان تعداد کثیر مصرف کنندگان را با این مصنوع جدید تامین نمود؟(همانگونه که انسانهای اولیه نیز به سختی می توانستند متصور شوند که روزی با احداث کارخانجات بافندگی بسیار زیاد، آدمیان را بتوان از پوشش برگ رهایی بخشید).
پس از اختراع ماشین بافندگی ژاکارد، ذخیره کردن داده ها و مکانیزه شدن آن پذیرفته شد و امروزه پس از گذشت 200 سال، ارتباط بین نساجی و کامپیوتر، ملموس شده است، و تولید منسوجاتی که قابلیت درک حرکات بدن و یا قابلیت گزارش دهی داشته باشند، در این راستا مظهر مشارکت این دو صنعت می¬باشند.
به منظور آگاه نمودن مردم از وضعیت سلامتی شخصی¬شان، پشتیبانی و اطلاع رسانی و سپس پیشرفتهای تکنولوژیکی باید در این راستا به¬کار برده شود، برای این منظور باید براحتی بتوان وسایل واسطه ای بین انسان و این ابزار را به¬کار گرفت.

با به¬کار گرفتن پارچه های چند منظوره،(که بطور متداول به الکتروتکستایل ها یا منسوجات هوشمند معروف هستند)، کسب یک زندگی سالم، ایمن، و راحت تر میسر می¬گردد.

لذا چنانچه هوشمندی منسوجات، با ویژگی پوشانندگی آن ترکیب شود، می¬تواند یک محصول سودمند را تولید نماید.
به¬طور خاص ، لباس هایی با قابلیت کشش و جمع شدگی، امکان پیگیری حرکات را دارند.

حس کننده ها و فعال کننده ها که در نساجی استفاده می شود، ممکن است به واسطه جریان برق کنترل شوند.
این ابزار تحت نظر داشتن بیمار در منزل از راه دور و یا کنترل فضانوردان، افراد کهنسال، و ارتباط کنترلی از طریق تلفن را به ما می¬دهد.

تکستایل های الکترونیکی می¬تواند مسیرهای جدیدی از بیومانیتورینگ ، توانبخشی و ....

را برای ما باز نماید.

در این مطالعه ارتباط متقابل نساجی و کامپیوتر و معرفی التزامات الحاق آنها در تولید منسوجات هوشمند بررسی خواهد شد.

منسوجات الکترونیکی E-textile یا smart fabrics نامیده می¬شوند، که نه تنها قابلیت پوشش (مانند سایر منسوجات) را دارد، بلکه امکان نمایش و یا پردازش شبیه سیستمهای ارتباطی بدون سیم را دارند.
در این مطالعه ارتباط متقابل نساجی و کامپیوتر و معرفی التزامات الحاق آنها در تولید منسوجات هوشمند بررسی خواهد شد.

منسوجات الکترونیکی E-textile یا smart fabrics نامیده میشوند، که نه تنها قابلیت پوشش (مانند سایر منسوجات) را دارد، بلکه امکان نمایش و یا پردازش شبیه سیستمهای ارتباطی بدون سیم را دارند.

فصل اول منسوجات هوشمند و بررسی تحقیقات انجام شده منسوجات هوشمند و علائم حیاتی بدن انسان معرفی منسوجات هوشمند منسوجات هوشمند، پارچه هایی هستند که ابزارهای الکترونیکی در آنها به کار رفته است.

اجزای الکترونیکی و وسایل ارتباط دهنده این اجزا (به همدیگر)، جزیی از پارچه هستند، و به همین دلیل کمتر قابل رویت میباشند.

بعلاوه اینکه، این منسوجات خیلی برای مالش و پیچ خوردن و یا درگیری با وسایل محیط مستعد نیستند.

نتیجتاَ این منسوجات می توانند در کاربردهای روزمره و به ویژه در جاهایی که حضور کامپیوتر برای انسان دست و پاگیر است، به کار روند.

در منسوجات هوشمند با توجه به نیاز مصرف کننده، قابلیت لازم در آن ایجاد میشود.

تعداد و موقعیت سنسورها و اجزای پردازشگر، با توجه به نیاز کاربر، در نظر گرفته شده و به ندرت در موقع طراحی ثابت فرض میگردند.

فضای کاری برای منسوجات هوشمند بسیار گسترده است و انتخاب هایی از قبیل نوع و ساختار نخ، بافتها، اجزای بهکار رفته، سیستم های نرم افزاری، تنوع شبکه اتصالات، میدان کاری گسترده ای را بوجود آورده است.

تهیه لباسی که سنسور به آن دوخته شده باشد و یا با تبحر در آن جاسازی شده باشد، بسیار گران است، در این راستا باید توجه داشت که : برای مصرف، اندازه های متفاوت مورد نیاز است.

هر منسوج با توجه به نوع کاربرد آن، استفاده خاص خود را دارد.

یافتن ناحیه مناسب برای نصب سنسور، روی سایز های متفاوت، کار مشکلی است.

در تولید لباسهای هوشمند، امروزه، جایابی سنسورها با سعی و خطا انجام میشود.

در بعضی ازمقالات سعی شده است[1] ، که یک قالب برای ارزیابی منسوجات هوشمند، (بدون ساخت قالب و لباس) طراحی شود.

یک منسوج هوشمند، یک شبکه اتصال را برای حس کردن و پردازش اجزا، با میزان کمتر مصرف انرژی (نسبت به روش بدون سیم) فراهم میکند.

البته خود پارچه هم میتواند به عنوان حس گر عمل نماید.(و این بسته به نوع الیاف به کار گرفته شده در منسوج است.) مواد بکار برده شده برای اینگونه منسوجات هوشمند باید دارای وزن کم، قابلیت تغییربه شکل های مختلف(به ویژه به شکل لیف)، و راحت بودن در تن، را داشته باشند.

اغلب این خواص عموماَ در سنسورهای استفاده شده، فعالگرها، اجزای الکترونیکی و منابع برقی به همراه حجم کوچک وجود ندارد.

چنین پارچه هایی، از قبیل حسگرهای اولیه، فعال کننده ها، الکتروتکستایل ها، به عنوان پارچه های جدید که از دانش بالا برخوردارند، مطرح هستند.

یک حوزه وسیع و کاربردی برای منسوجات هوشمند، تشخیص محیط کاربر و فعالیت های آن میباشد.

بنابراین طراحی یک قالب خاص برای منسوجات هوشمند، باید با لحاظ کردن محیط فیزیکی، به ویژه ماهیت سنسور، باشد.

با توجه به کاربرد چند جانبه آنها، قابلیت پوشش و انعطاف برای بدن را دارند، الکترو تکستایل ها برای خلق زندگی با کیفیت بالاتر مناسب هستند، و در بیودرمانی به عنوان ابزار بیومانیتورینگ ، توانبخشی، تلفن درمانی،و ...بهکار میروند.

امروزه منسوجات هوشمند در جایگاههای مختلف، نقش های مختلفی اجرا نمودهاند.

میتوان با توجه به نوع استفاده، تمامی منسوجات هوشمند را به دو دسته زیر تقسیم نمود: منسوجات قابل پوشش (منـــسوجات هوشمند قابل پوشش) این منسوجات در قالب لباس انسان طراحی شده اند و طبیعتاَ کاربرد آنها نیز در ارتباط با انسان و یا عملکرد انسان و یا برآورد شرایط اطراف انسان است.

منسوجاتی که برای ثبت حرکات سه بعدی بدن انسان (در استودیو های فیلم سازی ) به کار میرود، منسوجاتی که برای گزارش گرفتن از نیرو ها و نوع و زمان حرکات بدن فضانوردان در فضا استفاده میشود و لباسهایی که گزارش علائم سلامتی بدن انسان را بر روی یک گیرنده ثبت نمایند، همه مثالهایی از این نوع لباس هستند.

1-1-1-2- منسوجات صنعتی غیر قابل پوشش (منسوجات هوشمند غیر قابل پوشش ) منسوجاتی از قبیل فرشهای هوشمند که قابلیت گزارش دهی حرکات بدن بر روی فرش، (و یا وزن قرار گرفته بر روی فرش) را دارند، منسوجاتی که در بدنه هواپیما جهت گزارش دهی میزان فشار جوی وارد به بدنه و سایر پارامترهای مفید در هدایت هواپیما بکار میروند، منسوجاتی که در بدنه سدها برای گزارش دهی میزان فشار وارده بر سد بهکار میروند، منسوجاتی که در اعماق زمین جهت محاسبه نیروهای زمین لرزه ای به کار میروند، همه نمونه هایی از کاربرد منسوجات هوشمند در مصارف علمی صنعتی گوناگون هستند.

1-1-2- علائم سلامتی بدن مهمترین علائم مهم حیاتی بدن انسان که در سالهای اخیر مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند، عبارتند از : 1-1-2-1- ضربان قلب در واحد زمان 1-1-2-2- تعداد تنفس در واحد زمان 1-1-2-3- دمای بدن در زمانهای مختلف همچنین بررسی بر روی نحوه حرکت و یا میزان جابجایی اعضای بدن در مدت زمان درمان، خود از فاکتورهای مورد علاقه متخصصین مهندسی پزشکی می باشد.[2] 1-2- معرفی انواع سنسورها سنسورها ابزارهایی هستند که بر مبنای علمی خاص خود عمل نموده و میتوانند در اثر انجام یک عمل خاص ، واکنش متناسبی داشته باشند.

برای مثال یک سنسور میتواند در اثر اعمال فشار، میزان میلی ولت مشخصی را از خود ساطع نماید، که این میزان میتواند با پردازش و انجام محاسبات خاص، بیانگر یک پارامتر باشد، همانگونه که به وضوح مثال عینی این نمونه از سنسورها را میتوان در ترازوهای متداول مشاهده نمود.

در شناخت سنسورها آنچه مهم است پایداری نتیجه و یا به عبارتی تکرار پذیری نتیجه آزمون می باشد، البته باید توجه داشت که برای استفاده از سنسورها معمولا از روشهای مختلفی استفاده مینمایند، که یک روش متداول برای بکارگیری سنسورها ساخت مدار الکتریکی است که با قرار دادن سنسور در یک پل وتستون، بتوان از تغییرات ولتاژ حاصل شده در پل وتستون ، پارامتر مد نظر را بدست آورد.

بکارگیری سیگنال میتواند طبق الگوریتم زیر انجام شود: الف: دریافت سیگنال ب: تقویت سیگنال ج: نویز گیری سیگنال به روش سخت افزاری د: تیدیل آنالوگ به دیجیتال ه: دریافت توسط پردازشگر ی: نویز زدایی توسط روشهای پردازش سیگنال م: بکارگیری داده های حاصله بطور کلی با توجه به ضعیف بودن سیگنال خروجی از مدار، نیاز به تقویت سیگنال بوده، و پس از آن سیگنال را توسط یک کارت مبدل (آنالوگ) به دیجیتال، تبدیل نموده و از داده های بدست آمده استفاده میشود.

همانگونه که در سه الگوریتم فوق به وضوح ذکر شده است، عملیات نویز زدایی با توجه به سیستم الکترونیکی اعمال شده و نیز هدف از کاربرد سیستم، میتواند به شیوه نرم افزاری و یا نرم افزاری و سخت افزاری انجام شود.

اغلب سنسور های مفید برای سیستم های مجهز به سنسور به دو گروه تقسیم میشوند: الف) سنسورهای فعال ب) سنسورهای موثر یا اثر پذیر گروه اول سنسورهایی هستند که طبیعتاً انرزی ورودی را به یک اختلاف پتانسیل الکتریکی تبدیل میکنند.[2] گروه دوم سنسورهایی هستند که یک منبع جریان خارجی لازم دارند تا ورودی خود را به یک خروجی مفید (قابل استفاده) تبدیل نمایند.

این گروه عموماَ بر مبنای میزان تغییرات مقاومت در برابر عامل محرک (نیروی محرک) کار میکنند.

در واقع این گروه، همان سنسورهایی هستند که در نگاه کلی برای ایجاد تعادل در پل وتسون نیاز به یک منبع تغذیه اولیه دارد.

سنسورها از مواد مختلفی از قبیل پلیمرهای فعال شونده و یا فلزات حساس ساخته میشوند.

جدول(1-1) لیستی از پلیمرهای فعال شونده و کاربردهای عمومی آنها را نشان میدهد.

جدول 1-1- پر کاربرد ترین الکترواکتیوپلیمرها و ماکرومولکول های ارگانیک ونظیر غیر ارگانیک آنها برای سنسورهای اثرپذیر عوامل فیزیکی و وسایل مرتبط برای سنسورهای اکتیو در جدول (1-2) اورده شده است.

جدول (1-2) سنسورهای فعال مواد زیستی و غیر زیستی و توابع حساسیتی آنها در جدول آورده نشده است، و در مباحث بعدی به همراه مزایای کاربردشان در منسوجات هوشمند ذکر خواهند شد.

نمایش چندین پارامتر مورد نظر، به واسطه (روش های) استفاده از سنسورهای فعال و غیر فعال که در جدول(1-1) و جدول (1-2) آورده شده است در کاربرد منسوجات هوشمند مفید است.

همچنین محافظت در برابر عوامل مضر شیمیایی (گاز و مایعات مضر)، با استفاده از سنسورهای حساس به مواد شیمیایی، در پارچه ها، میتواند در هنگام مواجه شدن با ماده خطرناک مفید باشد.

(کاربرد این پارچه ها در آزمایشگاههای شیمی بسیار زیاد است.) به همین نحو، منسوجات حساس به دما، ترموالکتریک، یا پلی الکتریک میتوانند اندازگیری مداوم دما را انجام دهند، در حالیکه سنسورهای فتوالکتریک میتوانند میانگینی از مقدار خیلی زیاد یا خیلی کم تابش الکترومگنتیک را گزارش نمایند.

بکارگیری این سنسورها و سنسورهای جدید، مطمئنا برای درمان مفید است.

بنابراین بررسی و مطالعه روی زمینه هایی است که قابلیت تشخیص حرکات فیزیکی(و علائم حیاتی) بدن را به شکل سیگنال داشته باشد.

(که در اولین ستون از جــدول(1-3) آورده شده اند.) جدول 1-3- سیگنالهای بدن یا متغیرهای مورد نظر در منسوجات الکترونیکی، و وسایل حسگر پیشنهادی و بستر نساجی برای اجراسازی آنها مانیتورینگ پیوسته، به عنوان یکی از راهکارهای تشخیص و درمان موثر، یکی از کاربردهای این نوع وسایل در دارودرمانی و کسب سلامتی است.

سه گروه از ابزارهای حس کننده که ارتباط بیشتری با این بررسی دارند، عبارتند از: سنسورهای پیزورزیستیو سنسورهای پیزوالکتریک سنسورهای بیوالکترود گروه اول و دوم با توجه به کاربرد بیشتر در منسوجات هوشمند مورد بررسی قرار میگیرد.

اگرچه امکان کاربرد انواع مختلف سنسورها برای حس کردن وجود دارد، اما این دو گروه در حال حاضر خیلی زیاد و بطور موثر برای نشان دادن علائم بدن و تغییرات این علائم بکار میروند .(جدول1-3) در واقع دلیل استفاده از اینگونه وسایل به ویژه این نوع سنسورها، امکان سازگاری آنها با EAPs و ترکیب بندی مناسب برای کاربرد در منسوجات هوشمند میباشد.

بطور کلی تقسیم بندی زیر را برای سنسورها میتوان در نظر گرفت: 1-2-1- سنسورهای بر پایه الکترواکتیو پلیمر این سنسورها را میتوان به سه گروه اصلی زیر تقسیم بندی نمود.

1-2-1-1- سنسورهای پیزورزیستیو که پایه پلیمر های فعال دارند به منظور قابلیت تشخیص نیرو و ازدیاد طول وارد شده به یک منسوج، یا به منظور تشخیص میزان و حرکت اندام بدن، پیزورزیستیو ها که به استرین گیج ها معروف هستند به طور فراوان بکار گرفته میشوند.

پارچه هایی که ازسنسورهای پیزورزیستیو ساخته میشوند، از کربن پلیمری ساخته میشوند.

1-2-1-2- سنسورهای پیزو الکتریک که پایه پلیمر های فعال دارند در جدول(3-3) نمونه هایی از پیزوالکتریک های مفید در الکتروتکستایل ها ذکر شده است.

به عنوان یک نمونه پیزوالکتریک، میتوان استرس بین دو محور را که مبنای تولید قطبیت است، نام برد.

اختلاف پتانسیل الکتریکی مابین دو محور الکترود مبنای سنجش است.

متداول ترین پیزوالکتریک های ارگانیک و غیر ارگانیک، که برای کاربرد های تجاری بکار میروند، سرامیکهای تیتانیوم از قبیل PZT یا PVDF هستند که به طور متداول در صنعت بکار میروند.

در شکل (1-1) زیر نمونه ای از پیزوالکتریک ها نشان داده شده است.

شکل1-1- پیکربندی سطر و ستون با الیاف PVDF 1-2-1-3- سنسورهای بیو مدیکال این سنسورها، برای ECG و EMG (که در جدول 2-3 ذکر شده اند) برای نمایش سیگنالهای علائم حیاتی بدن استفاده میشوند.

الکترودهای متداولی که برای نمایش بیوالکتریک استفاده میشوند، معمولا شامل الکترودهایAG/AGCI هستند که با ژل همراه شده اند تا تطبیق پذیری بهتری با پوست پیدا کنند.

در جدول (1-3) پرکاربرد ترین پیزو رزیستیو ها و پیزوالکتریک ها برای مصارف الکتروتکستایل ها معرفی شده است.

فعال کننده ها گروههای مختلف فعال گرها در حال حاضر تحت بررسی هستند،که در جدول( 2-4 ) تعدادی از آنها لیست شده است.

جدول 1-4 - پرکاربردترین الکترواکتیوپلیمرها و ماکرومولکولهای ارگانیک و نظیر غیر ارگانیک آنها برای فعالگرها در شکل های(1-2) و (1-3) نمونه هایی از فعالگرها نشان داده شده است.

شکل1-2- نمای شماتیک الیاف پلیمری فعالگر رسانا شکل1-3 نمونه ای از فعالگرها-ساخته شده توسط کمپانی سانتا[3] 1-2-3- سنسورهای بر مبنای اجزای الکترونیکی جایگزینی اجزای متداول الکترونیکی با پلاستیک های کاربردی از قبیل صفحه کلید های قابل پوشش و یا ترکیب این وسایل قابلیت های ویژه را به منسوج میدهد.

1-2-4- منابع جریان تامین انرژی الکتریکی لازم برای منسوجات هوشمند، یکی از عمده ترین مشکلات است.

[4].

دو مورد از جدیدترین تکنولوژی ها، برای تامین منبع جریان الکتریکی، باتری های پلیمری لیتیم و میکرو سل های سوختی هستند.

شکل1-4- پیل های سوختی نور خورشید، دمای بدن و حرکت بدن، انرژی های پیشنهادی دیگری هستند، که میتوانند به شکل انرژی الکتریکی تبدیل و مورد استفاده قرار گیرند.

به علاوه، به دلیل تمایل به انعطاف منبع انرژی تلاش هایی در راستای اینگونه منابع جریان توسط کمپانی Infineon [2] در بکار گیری اختلاف دمای درونی و خروجی (درون لباس و بیرون لباس)، انجام شده است، که جریانی در حد میکرو وات به ازای سانتیمنر مربع تولید مینماید.

فیلم های ضخیم سل های خورشیدی، میتواند روی سطوح قابل انعطافی از قبیل پلاستیک ساخته شود.

شکل1-5-تولید الکتریسیته از حرارت بدن [5] تکنولوژی سل های خورشیدی به سمت انطباق و سازگاری با الیاف حرکت میکند.

بازده انرژی های پیشنهادی باید افزایش یابد.

طراحی و ساخت اجزایی که برق به شکل وایرلس از یک میدان مغناطیسی محیطی تامین میگردد، یکی از روش های مورد علاقه است.

Lunar Design با ژاکت آبی خود، آینده نزدیک را با لباسهای نازک، ارزان، نوید داده است.[5] در مورد دیگری که توسط and Allen طراحی شده است، طراح تلاش نموده تا لطافت در حد پوست را با سختی سیم ها ترکیب نماید.

[5] منسوجات هوشمند اغلب تعدادی انباره یا مخزن شارژ نیاز دارند.

ذخیره داده ها یا انرژی متداولترین است.

حس کردن، پردازش داده ها، فعالگرها، ارتباطات آنها، انرژی نیاز دارند، و اغلب این نیاز انرژی الکتریکی است.

مدیریت کارآمد انرژی شامل، ترکیب صحیح تامین کننده انرژی و انباره کننده انرژی است.

همانگونه که ذکر شد، تامین کننده انرژی باید با یک ذخیره کننده ترکیب شود.

باطری ها کوچکتر و قویتر (کارا تر) میشوند.

حتی نسل بسیار منعطف آنها هم تولید شده اند، اگرچه که هنوز کارایی بالایی ندارند.

فعلاً باتری های lithium-ion در بسیاری از پروژه ها استفاده میگردد.

هر نوع از سنسورهای EAP ، اکچویتورها، یا اجزای الکترونیکی که در حال حاضر بکار برده میشوند، برای استفاده نیاز به انرژی الکتریکی دارد.

از دیــــــدگاه توسعه منسوجات قابل پوشش "all-organic paradigam" دلالت ضمنی بر این دارند که تولید انرژی الکتریکی و ذخیره آن باید بوسیله موادی که هنوز هم بر پایه پلیمرها هستند انجام شود، بنابراین EAps با منابع برقی مورد تقاضا هستند.

در حال حاضر ، اعمال فیزیکی ، وسایل و مواد ارگانیکی و غیر ارگانیکی ، برای تولید انرژی الکتریکی و ذخیره آن بکار میرود و پتانسیل مفیدی برای الکتروتکستایل ها دارند که در جدول های (2-5)و (2-6) آورده شده اند و جداگانه شرح داده میشوند.

جدول (2-5)پرکاربرد ترین الکترواکتیو پلیمرها و ماکرومولکولهای ارگانیک و نظیر غیر ارگانیک آنها برای تولید انرژی الکتریکی جدول (2-6) پرکاربرد ترین الکترواکتیو پلیمرها و ماکرومولکولهای ارگانیک و نظیر متداول غیر ارگانیکی آنها برای تولید انرژی الکتریکی سل های الکتروشیمیایی سل های الکترو شیمیایی نزدیکترین وسایل برای تولید انرژی الکتریکی از انرژی شیمیایی است.

در متداولترین کاربرد از دو الکترود(کاتد و آند) که درون الکترولیت قرار گرفته اند و در بین آنها یک رسانای یونی (مثل پل نمکی)، تشکیل شده اند.

پیزو الکتریک های مولد مواد پیزو الکتریک (جدول 3-5)، قادرند تا انرژی مکانیکی مواد را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند، که میتوانند برای تبدیل انرژی اعمال انسان به کار روند.

مبدل ها نیز از اینگونه مواد ساخته شده اند، در حقیقت افعال و حرکات روزانه بدن را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.

در واقع یکی از راههای سنجش حرکات بدن، داخل کردن پیزوالکتریک ها در منسوجات و لباس ها هستند.

مثالهای کاربردی نشان داده اند که پیزوالکتریک ها مناسب تر از پیزو سرامیک ها هستند، زیرا انعطاف بالاتری دارند.

1 -2-4-3- الاستومرهای دی الکتریک یک نوع دیگر سنسور با استفاده از الاستومرهای دی الکتریک ساخته میشوند.

برای مثال ضربه پاشنه پا انرژی اولیه را تولید میکند، به این صورت که فشار پا موجب میشود، که تحریک اولیه برای مدار ایجاد شود، و در نتیجه یک مولد خارجی، ولتاژ بالایی را اعمال کند، که این جریان موجب شارژ الکترودها می گردد، و بعد از حذف نیروی مکانیکی، فیلم بر اثر حالت الاستیک به ابعاد اولیه خود بر میگردد.

مؤسسه تحقیقاتی Stanford Research Institute ، درحال بررسی و مطالعه سنسورهای تغذیه شده از این روش هستند.

1-2-4-4- مولد های جنبشی برای اینکه بتوان قطعات مختلف از حرکت بدن انسان را پشت سر هم گذاشت، میتوان از لباسهای هوشمند استفاده کرد، در واقع توجه در این قسمت روی وسایلی است که قادرند انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.

به عنوان مثال، این نوع مولد ها در ساعت های مچی بکار رفته است، که انرژی خود را از حرکت بازو، در طول فعالیت های روزانه میگیرد.

در این ساعت ها از یکسری اجزای مکانیکی کمک گرفته شده است، که جرم مغناطیسی یک اسپیندل چرخان که ناشی از حرکت دست است، موجب میشود تا مقداری جریان الکتریکی تولید گردد.

1-2-4-5- مولد های ترموالکتریک مبدلهای ترموالکتریکی، که به عنوان ترموکوپل شناخته میشوند، وسایلی هستند که قابلیت تولید الکتریسیته از یک اختلاف دما را دارند.

تولید یک اختلاف پتانسیل الکتریکی با یک مدار متشکل از دو فلز یا دو نیمه رساناست، که در نقطه تقاطع آنها در دمای بالا قرار میگیرد، اغلب کاربردهای مواد ارگانیک و ترموکوپل ها در جدول(3-5) آورده شده اند.اثر ترموالکتریک در مواد ارگانیک اغلب در تولید پلیمر مورد مطالعه قرار گرفته است.

دمای بدن انسان نیز میتواند منبعی از انرژی الکتریکی باشد.

این دما وابسته به فعالیت روزانه انسان در زمان خواب میتواند w80 و در هنگام دویدن تا w 1500 باشد.

ساعت مچی سیکو اولین تولید کننده ای بود که انرژی ساعت مجی خود را از تبدیل دمای پوست به انرژی الکتریکی استفاده کرد.

این مثال ها تولید انرژی الکتریکی را از دمای بدن انسان شرح میدهند ، که میتواند در لباسهای هوشمند مورد استفاده قرار گیرند.

1-2-4-6- مولد های پیروالکترولیک یک فلز که "pyroelectric" نامیده میشود، مبنای ساختاری این مولدهاست.

1-2-4-7- مولد های فتوالکتریک اثر فتوالکتریک میتواند از سل های فتوالکتریک که قادرند انرژی الکتریکی را از تابش الکترو مغناطیس کسب نمایند، ساخته میشوند.

سل های خورشیدی مثالهای متداول از سل های فتوالکتریک است که برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی بکاربرده میشود.

اغلب نیمه هادی های فتوالکتریک در جدول (3-5) آورده شده اند.

شکل1-6- نمونه ای از سل های تابشی 1-2-4-8- سوپر خازنها در این نوع سنسورها، انرژی به شکل باطری های قابل شارژ و یا خازن ها ذخیره میگردند و تغییرمیزان این انرژی مهم است.

1-2-5- مواد سیمی الکتریکی به منظور ارتباط الکتریکی بین وسایل بکاربرده شده در الکتروتکستایل ها، چندین روش بکارگیری رسانا ها در حال حاضر تحت بررسی است.

البته این مسیرها باید رسانا باشد و تاحد ممکن نیز انعطاف پذیر، تا حدی که قابلیت پوشانندگی داشته باشند.

خصلت ذاتی پلیمرهای هادی مانند pan وppy این است که آنها را برای این امر مـــناسب میسازد.

ترکیب الاستومرهای کربنی روی آستانه نفوذ میتواند مفید باشد، به عنوان مثال فقط برای حس کردن ازدیاد طول نیستند، و به عنوان مواد الکتریکی برای سنسورها نیز بکار میروند.

با وجود این، اغلب برای سیم های الکتریکی نیز استفاده میشوند.

در حالت های خاص، چندین منسوج که بر مبنای هدایت الکتریکی کار میکنند به عنوان رابط بین وسایل برای انتقال داده ها و جریان الکتریکی استفاده میشوند.

شکل1-7- نمونه ای از فعالگرهای الاستومر دی الکتریک a) رول b )تیوب c )ساختار جدید در شکل(1-9) پارچه های silk organza نخهایی که فویل نازک مس دارند، نشان داده شده است.

بافت نخهای پلی استر (که سیم های نازک مس به آن تابیده شده است)، برای بکارگیری در USB، مناسب است.

]2[ با توجه به آنچه که تاکنون در مورد لباسهای هوشمند انجام شده است، دو مورد ذیل بسیار مورد استفاده هستند: 1) تیوب های نانوکربنی که میتواند به عنوان الیاف رسانا بکار روند.

2) سیم های فلزی پیچ و خم دار، که قابلیت کش آمدن بالایی دارند و مثل فنر ولی رسانا هستند.

شکل1-8- تصویری از دو لیف نانوتیوب کربن(سوپر خازن)[6] شکل1-9- نمونه ای از سیمهای ارگانزا بافته شده اگرچه دسته بندی کامل سنسورها، ارائه شده ولی باتوجه به اینکه شرح تمامی این سنسورها بسیار گسترده میباشد و از طرفی در این مقوله بحث پیرامون پیزورزیستیوها بیشتر صورت میگیرد، لذا از توضیح بیشتر در مورد سنسورها و مولدها خودداری نموده و علاقمندان میتوانند اطلاعات بیشتررا در مرجع شماره[2] پیگیری نمایند.

CLR Sensors نیز یک نوع سنسور است که قابلیت بالایی در پوشش نخ و پارچه دارد، نوعی از این سنسورها شامل یک مجموعه سلیکونی با بلاک های پودر کربنی می باشد.

در شکل(1-10)مقایسه نرخ تنفس توسط CLR sensors (که با خطوط توپر نشان داده شده است)، با نتیجه بدست آمده از سنسورهای متداول، مقایسه شده است.

شکل1-10- مقایسه نمودار تنفس با استفاده از سنسورهای متداول (خط نقطه چین) و سنسورهای CLR (خطوط توپر) معمولاً در بکارگیری سنسورهای پلیمری، این نوع سنسورها روی منسوج لایکرا و پنبه از طریق آغشته کردن لایه ایجاد می شوند.

پلیمرهای رسانای مشابهی به عنوان ماده رسانا برای انتقال داده از سنسور تا مرکز گیرنده استفاده میشوند، که سختی سیم های فلزی متداول را ندارد.

پارامترهای شبه استاتیکی از پارچه های پوشش شده با PPy گیج فاکتور 12 و ضریب مقاومت حرارتی در حد 0.018 را نشان داده اند.

مقدار مطلق گین فاکتور گزارش شده برای بکارگیری استرین گیج مناسب است، ولی دو مشکل اساسی روی سنسورهای موجود بر روی پارچه پوشش داده شده، تاثیر می گذارد.

زمان مقاومت آن ناپایداری بالایی دارد.(ناپایداری شیمیایی) زمان واکنش آنها طولانی است.

به دنبال کاربرد در تحریک ناگهانی، مقاومت سنسور در چند دقیقه به یک حد پایدار میرسد و این عامل محدود کننده کاربرد این گونه وسایل است.

به علاوه، سنسورهای هادی پلیمری، به سادگی قابل کاربرد در تکنولوژی نساجی نیستند.

در حقیقت، آنها یک پروسه مشکل جایسازی در داخل منسوج را دارند، چه جایسازی شوند و چه روی پارچه پوشش داده شوند.

سنسورها، الکترودها، و شیارهای رسانا(که ارتباط بین سنسور و واحد پردازش را برقرار می کنند) روی پارچه با استفاده از تکنولوژی بافت تخت حلقوی و روش های عمومی و متداول نساجی ایجاد میشوند.

1-3- طراحی بافت برای منسوج هوشمند قابل پوشش طریقه نصب اجزای الکترونیکی به منسوج به گونه ای که در مقابل شستشو و چروک شدن مقاوم باشد، از نکات ظریف در تولید منسوج است.

از طرفی مکان نصب سنسور خود از مهمترین نکات تولید این منسوج است، گاهی اوقات محققین حدوداً سی نمونه از یک منسوج را بافته اند تا بهترین نقطه برای نصب سنسورها را پیدا نمایند.

این نمونه های بافته شده (شکل 1-11) ترکیبی از اجزای الکترونیکی و ارتباطی در منسوج هستند که با یک برق استاندارد 9 ولت ، برای یک مدت مشخص کار میکنند.

همچنین محققین بررسی هایی روی مواد جدید، از قبیل فیلمهای کلفت پیزوالکتریک، در منسوجات انجام داده اند.

شکل 1-11- دستکش تشخیص دهنده حالت دست ، آرایه ای از LED ها، ذخیره کننده داده ها (از شرکت ویرجینیا) دیدگاههای آینده، استفاده از الیافی است که در پارچه بافته شده باشد و بتواند مواد شیمیایی را تشخیص دهند و به عنوان باطری عمل کند و یا رنگ آنها به طور دینامیکی تغییر نماید.

تلاش های جهت ساخت منسوجاتی که بتواند موقعیت شخص داخل ساختمان را نشان دهد، و یا نشان دهد که شخص چه کاری را انجام میدهد، یا در اطراف شخص چه چیزهایی وجود دارد، انجام شده است.

عمده تحقیقات در این زمینه، بر روی نوع سنسور بکار برده شده متمرکز شده است، برای مثال استفاده از نور، شتاب، میدان مغناطیسی، درجه حرارت، برای نمایش موقعیت کاربر در داخل یک ساختمان بکار برده شده اند.

نکته مهم دیگر چگونگی جاسازی سنسور در بدن شخص میباشد، تا ضمن بدست آمدن بهترین نتیجه، کیفیت لباس مطلوب و قابل پوشش باشد.

سیستمهایی که با استفاده از سنسورهای جداگانه کار میکنند، نیاز به ایجاد راحتی و کیفیت دارند.

بعلاوه ، تعداد حالتهایی که برای قرارگیری سنسور،نوع سنسور، موقعیت قرار گیری در بدن و الگوریتم پردازش وجود دارد، مورد بررسی قرار می گیرد.

به منظور سبک کردن این مشکل، داده های حرکات بدن آنالیز میشود، و بطور همزمان این پارامترها در شبیه سازی بررسی میشود.

به علاوه، قابلیت کنترل حرکات ورودی برای ارزیابی نوع سنسور مورد استفاده، با توجه به قد، وزن، سن، جنسیت، عمومی سازی، یک صفت ذاتی است که در این فاز به آن توجه میشود.

مطلب عمده برای طراحی منسوجات قابل پوشش، اینست که مراحل مختلف طراحی شامل: محیط فیزیکی رفتار سنسور حرکات بدن انسان افتایش لباس قابلیت تولید شبکه ای بودن مصرف برق اجرای نرم افزار باید مد نظر قرار گیرد، که این مراحل در سه گروه زیر قرار میگیرند: 1-3-1- متغیرهای طراحی(design variable) 1-3-1-1- (نوع/تعداد/موقعیت) سنسورها 1-3-1-2- (نوع/تعداد/موقعیت) پردازشگرها 1-3-1-3- توپولوژی شبکه ارتباطی 1-3-1-4- سیستم و نرم افزار مورد استفاده 1-3-1-5-)نوع/تعداد( الیاف (حساس) و موقعیت الیاف در پارچه 1-3-1-6- شکل و موقعیت قطعه پارچه در منسوج 1-3-2- متغیرهای ارزشی 1-3-2-1- (افتایش/جابجایی) پارجه روی بدن 1-3-2-2- فیزیک حرکات بدن 1-3-2-3- تولید لباس از قطعه های پارچه 1-3-2-4- فیزیک محیط بررسی شده 1-3-2-5- رفتار سنسور 1-3-2-6- سیستم ارتباطی و محاسباتی 1-3-3- متغیرهای اجرایی 1-3-3-1- هزینه مواد خام 1-3-3-2- هزینه های تولید 1-3-3-3- میزان راحتی کاربرد 1-3-3-4- میزان مصرف برق 1-3-3-5- تلورانس طراحی و خطاهای تولید 1-3-3-6- دقت تشخیص در زمینه کاربردی متغیّرهای طراحی، شامل آنهایی که در زمان بافت بوجو د می آیند، مثل نوع و شیوه قرار گیری الیاف در بافت، الیافی که میتوانند به عنوان سنسور عمل نمایند، باتریها، و سیم ها می باشد.

برای مثال شبیه سازی پخش صدا از یک منبع به یک میکروفون مثالی از "فیزیک و رفتار سنسور" است.

برای مناسب بودن این شبیه سازی، باید به دقت اختلاف زمان را که هر میکروفون دریافت مینماید، مدل نموده، و برای مدل کردن محیط، رفتار سنسور ها باید مدل شود.

در مدل نمودن سنسورها، باید به تبدیل داده ها از آنالوگ به دیجیتال، با نرخ نمونه برداری خاص توجه نمود.

برای مدل ها باید قابلیت تحت پوشش قرار گرفتن، موقعیت، سرعت و شتاب عکس العمل آنها در زمان تحریک تحت بررسی قرار گیرند.

در مقوله منسوجات قابل پوشش، باید به دو نکته توجه نمود: اندازه بدن حرکات بدن اندازه بدن یک فاکتور استاتیک است، (در زمان طراحی لباس باید به آن توجه شود)، اما حرکت بدن یک حرکت دینامیک (غیر ارادی) است.

در صورتیکه پوشاک چسبان به بدن باشد، شکل سنسور و نقطه بکار گیری آن در قدرت تشخیص بسیار مهم است، و در صورتیکه پوشاک چسبان به بدن نباشد، معمولا موقعیت سنسورها نشاندهنده حرکت بدن خواهد بود.

شبیه همه سیستم های کامپیوتری ، منسوجات هوشمند هم به معماری شبیه آنها نیاز دارد.

لذا شبکه و نحوه اتصال اجزا، برق مصرفی، نرم افزار اجرایی، اتصال بین پارامتر تشخیص داده شده و اجزای دخیل در پردازش در لباس را بر عهده دارند.

بافت از درهم رفتن تار و پود، حاصل میشود.

این امر خود توپولوژی شبکه را تا حدی (از جهات خاص) محدود می نماید.

جزء دیگر باتری بکاررفته در منسوجات هوشمند است، که باید ابعاد کوچک و قابل جاسازی داشته و مصرف آن بهینه و کم باشد، و در انتها همه این داده ها باید توسط یک نرم افزار پردازش گردد.

1-4- دستاوردها در منسوجات هوشمند 1-4-1- خلاصه ای از جدیدترین دستاوردها در منسوجات هوشمند با توجه به اینکه اغلب منسوجات هوشمند، از اضافه کردن ابزارهای الکتریکی و الکترونیکی در دسترس، و ترکیب آنها با لباس، از قبیل میکروکنترلرها، ال ای دی ها، الیاف نوری، پیزوالکتریک ها، و غیره بهره گرفته اند، لذا این رویکرد، به وسیله خوب و ساده بکار گرفتن وسایل الکترونیکی متداول موجود روی البسه نساجی رونق گرفته است.

بعلاوه بکار گیری تکنیک های نساجی برای اتصال و بافتن نخهای متالیک در لباسها، به بکارگیری وسایل الکترونیکی به عنوان وسایل مفید و برقرار کننده ارتباط روی منسوجات کمک نموده است.

اکنون سیستم هایی که توسط چندین گروه محقق انجام شده را ارائه نموده وتا حدی میزان کیفی آن، نتیجه قابلیت پوشش آن، و نحوه اجرای آن شرح داده خواهد شد.

1-4-1-1- در ژاپن اقای Elek Sen صفحه کلید پارچه ای را تولید نموده است.

تستهای بررسی مقاومت پارچه (در برابر کار کردن) نشان داده که منسوجات هوشمند میتواند بالغ بر میلیونها بار تحت حرکات تکراری دوام داشته باشد.