Учёные NUS встроили в рукав сенсорный экран из волокон, он выдержал 50 стирок

Исследователи Национального университета Сингапура (NUS) под руководством доцента (Assistant Professor) Турала Худиева разработали сенсорный экран, встроенный прямо в одежду. В основе, электронные волокна, в которых совмещены светодиоды (LED) и датчики касания. В прототипе рукава использованы 54 таких волокна: получился гибкий дисплей, который показывает изображения и видео, реагирует на нажатия пальцем и беспроводно связывается с цифровыми устройствами. При этом ткань сохраняет воздухопроницаемость и гибкость обычной одежды.

Главная идея: обычные носимые устройства крепят экран или электронный модуль к телу, а здесь функции дисплея и касания встроены в сами нити. Каждая нить толщиной около миллиметра содержит соединённые между собой микроэлектронные компоненты, поэтому ткань работает как интерактивный экран без жёсткой панели.

Сложность в том, что электронные схемы обычно делают на плоскости, а нить узкая и цилиндрическая, места для сложной разводки почти нет. Команда придумала архитектуру соединений, позволяющую подключить тысячи микроэлектронных элементов вдоль одного волокна. Сначала берут тонкие изолированные провода; лазер оголяет на них нужные точки, а управляемое смачивание направляет расплавленный припой только в эти места, не замыкая лишнее. Так удалось интегрировать больше 5000 чипов через более чем 20 000 электрических соединений. Затем светодиоды вводят в многослойное волокно методом термической вытяжки. Получившаяся нить имеет диаметр около миллиметра и длину порядка 10 метров; в ней отдельные слои отвечают за изображение и за распознавание касаний. Сенсорный слой лежит под светодиодами: при нажатии контакт замыкает электрическую цепь, система определяет место касания и зажигает ближайший пиксель.

В прототипе 54 пиксельных волокна вшиты в предплечье рукава. В каждом по 96 светодиодов, вместе они дают дисплей 96 на 54 пикселя размером 168 на 105 мм. Частота обновления, 30 кадров в секунду, поддерживается 8-битная глубина цвета. Разрешение скромное по сравнению со смартфоном, но экран умеет больше, чем показ статичных картинок: воспроизводит видео, показывает фото, работает как калькулятор и компас. Изображения можно получать по Bluetooth, управлять голосом, а поворот экрана и яркость подстраиваются автоматически. В рукаве есть и дополнительные волокна с микрофоном, динамиком и датчиками движения, температуры, магнитной ориентации и освещённости. Например, волокно-термометр под рукой измеряет температуру тела и выводит значение на рукав. У каждого пиксельного волокна свой канал управления, так что неисправность одной линии не обязательно останавливает остальные. Система различает несколько одновременных касаний.

По словам исследователей, прототип почти не изменил яркость свечения и отклик на касания после 50 циклов машинной стирки с моющим средством и 1000 изгибов вокруг радиуса пять миллиметров. Сообщается также, что дисплей так же воздухопроницаем, как хлопок, полиэстер и деним, и укладывается в установленные нормы безопасности при контакте с кожей.

Как одно из возможных применений команда называет здравоохранение: волокна с физиологическими датчиками могли бы непрерывно собирать данные и показывать их прямо на одежде. В сочетании с искусственным интеллектом, предполагают исследователи, такие системы со временем могли бы обеспечить персонализированный мониторинг и обратную связь, но пока это лишь направление на будущее, а не продемонстрированная возможность прототипа. Следующие шаги, повысить разрешение, добавить сенсорные функции и опробовать ИИ на самом устройстве.

Исследовательская группа: Турал Худиев, Хэн Фу, Цзян Ли и Светика Чатурведи (Колледж дизайна и инженерии NUS; Худиев, Department of Materials Science and Engineering).

Ключевые факты

В рукав вшиты 54 электронных волокна со светодиодами и датчиками касания; по 96 светодиодов в каждом, итого дисплей 96 на 54 пикселя размером 168 на 105 мм.
Экран обновляется 30 раз в секунду, поддерживает 8-битный цвет, показывает видео и фото, работает как калькулятор и компас, принимает изображения по Bluetooth и голосовые команды.
По данным исследователей, после 50 машинных стирок с моющим средством и 1000 изгибов вокруг радиуса пять миллиметров яркость и отклик на касания почти не изменились.
Волокна делают лазерным оголением проводов, пайкой с управляемым смачиванием и термической вытяжкой: более 5000 чипов и свыше 20 000 соединений; нить около 1 мм в диаметре и 10 м длиной.
Это лабораторный прототип: ИИ-мониторинг здоровья назван будущим направлением, ближайшие шаги, повышение разрешения, новые датчики и ИИ на устройстве.

Почему это важно

Носимая электроника обычно сводится к уменьшенным устройствам, закреплённым на теле. Здесь экран и сенсор касания встроены в нити, и ткань остаётся воздухопроницаемой и гибкой. Отдельно примечательно, что по заявлению исследователей прототип пережил машинную стирку. Заметный технический приём, размещение тысяч компонентов вдоль одного тонкого цилиндрического волокна: более 5000 чипов через свыше 20 000 соединений.

Кому это важно

Разработчикам носимых устройств и электронного текстиля, исследователям материалов и гибкой электроники, а также тем, кто следит за медицинскими носимыми системами: здравоохранение названо командой одной из возможных областей применения. Для обычных пользователей это пока далёкая перспектива.

Как это применить

Готового продукта нет: это прототип рукава из лаборатории NUS. Сроков коммерциализации, цены и масштаба производства источник не называет, говорит лишь, что технология «со временем» может превратить одежду в интерфейс для информации, считывания показателей среды и контроля здоровья. Ближайшие шаги команды, улучшить разрешение, добавить больше сенсорных функций и исследовать ИИ, работающий на самом устройстве.

Можно ли доверять

Материал, пересказ на сайте designboom, прямых цитат исследователей в нём нет, независимые эксперты не привлечены. Данные о стойкости к стирке и изгибам, а также о воздухопроницаемости и безопасности подаются как заявления исследователей. Название журнала или научной статьи в тексте не указано, поэтому проверить результаты по первоисточнику по этому материалу нельзя. Результат стирки описан как «почти не изменился» без количественных показателей.

Риски и подводные камни

Разрешение дисплея скромное по сравнению со смартфоном. Испытания ограничены 50 стирками и 1000 изгибами; что будет при большем числе циклов, в источнике не сказано. О питании, батарее и энергопотреблении в тексте не упоминается, как и о стоимости. Идея персонального ИИ-мониторинга здоровья остаётся лишь предположением и в прототипе не продемонстрирована.