لباس‌هایی با قابلیت تولید انرژی

به عبارت دیگر همان لباسی که به‌عنوان پوشش از بدن ما در برابر سرما و گرما و تابش نور خورشید محافظت می‌کند همزمان با داشتن ویژگی‌های ذکر شده از عملکردها یا قابلیت‌های جدیدی برخوردار می‌شود که ممکن است یکی از آنها تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز قطعات یا حسگرها و ابزارهایی باشد که برای کار کردن به انرژی الکتریکی نیاز دارد. این قابلیتی است که در آینده‌ای نه‌چندان دور در نسل جدید لباس‌ها که به‌عنوان لباس‌های هوشمند مطرح شده‌اند دیده می‌شود. گروهی از محققان پژوهشکده مواد و فناوری‌های پیشرفته در نساجی دانشگاه صنعتی امیرکبیر در یک طرح تحقیقاتی موفق به تولید نوعی نخ نانو ساختار شده‌اند که می‌تواند انرژی مکانیکی حاصل از تحرکات معمول بدن را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.

از نخ مبدل انرژی تا لباس هوشمند

این طرح با هدف تولید نوعی نخ نانوساختار مطرح شده است که می‌توان از آن برای تولید پارچه‌های مبدل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی استفاده کرد.

دکتر روح‌الله باقرزاده عضو هیات علمی پژوهشکده مواد و فناوری‌های پیشرفته در نساجی دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی امیرکبیر مجری این طرح تحقیقاتی در گفت‌و‌گو با جام‌جم می‌گوید: در حقیقت این فناوری یک پایه مهندسی برای تولید پارچه و لباس‌های هوشمندی است که توانایی تولید و تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز برای استفاده از ابزارهای الکتریکی همراه مانند تلفن همراه، تبلت یا دستگاه پخش موسیقی را داشته باشد.

اکنون این منابع انرژی از طریق باتری‌ها تامین می‌شود در حقیقت این فناوری به حذف باتری و کاهش وابستگی وسایل الکترونیکی به ابزارهای جانبی مانند باتری‌ها یا شارژرها منجر می‌شود. بنابراین افراد با استفاده از تحرک‌های معمول خود انرژی مکانیکی را که در لباس ایجاد می‌شود از طریق فناوری تعبیه شده در لباس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند که می‌توان آن را به صورت مستقیم در زمینه‌های مورد نظر استفاده کرد یا در داخل خازن‌هایی این انرژی را ذخیره کرد و در صورت نیاز در ابزارهایی که به انرژی الکتریکی نیاز دارند از آن استفاده کرد.

وی درباره ویژگی‌های این فناوری این‌طور توضیح می‌دهد: می‌توان از این فناوری در همه صنایع یا محصولاتی که به تامین‌کننده انرژی الکتریکی نیاز دارد، استفاده کرد. باتری‌ها به شارژ مجدد نیاز دارند بنابراین می‌توان گفت عمر استفاده از این فناوری در مقایسه با باتری‌ها که عمر محدودی دارند، بسیار بالاتر. این فناوری یک ویژگی بارز دارد و این ویژگی خود شارژ شوندگی است. یعنی تحرکات معمول بدن انسان که اجتناب‌ناپذیر است را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. افق کاری که ما برای این فناوری متصور شده‌ایم ـ که ممکن است اکنون در کشورهای پیشرفته نیم‌نگاهی به این موضوع و صنعتی شدن آن داشته باشند ـ این است که در آینده‌ای نه‌چندان دور در تولید نسل جدیدی از لباس‌ها که همان لباس‌های هوشمند است از این فناوری استفاده خواهد شد. البته باید تحقیقات و کارهای بیشتری در این زمینه انجام شود تا بتوان این طرح را تجاری‌سازی کرد. ایده اولیه و مباحث فنی اولیه در این طرح به دست آمده است که می‌تواند افق‌های گسترده‌ای را پیش روی ما قرار دهد.

ژنراتورهایی از نوع پوشیدنی

این عضو هیات علمی دانشکده مهندسی نساجی درباره کاربردهای متنوع این نخ نانوساختار می‌گوید: عمده مصارف و متقاضیان این محصول می‌تواند در محصولات جانبی صنایع الکترونیک، صنایع نظامی، تولید‌کنندگان البسه ورزشی، لباس‌های هوشمند، لباس‌های فضانوردان یا لباس‌های نسل آینده باشد که فقط قابلیت پوشش به‌عنوان یک لباس را ندارد و می‌تواند برطرف‌کننده بسیاری از دیگر نیازهای بشر باشد.

در کنار این طرح به دنبال طرحی هستیم که بتوانیم همین انرژی الکتریکی محدود را که حدود چهار تا پنج ولت است در خازن‌ها یا منابع ذخیره‌کننده انرژی الکتریکی که آنها نیز قابلیت پوششی دارند، ذخیره کنیم. یعنی منابع ذخیره‌کننده انرژی تولید کنیم که از جنس پارچه و لباس است تا بتوانیم خروجی این ژنراتور پوششی یا نانوژنراتور الیافی را به گونه‌ای در داخل لباس ذخیره کنیم. به این ترتیب که همه یا بخشی از لباس شما قابلیت تولید انرژی دارد که با استفاده از مدارهایی که در داخل لباس یا داخل الیاف پارچه تعبیه شده انرژی الکتریکی تولید شده در قسمتی دیگر از لباس (به‌عنوان مثال در جیب لباس یا هر جای دیگری که نقش خازنی دارد)‌ جمع شده و این مانند یک باتری همیشه همراه است که خود شارژ‌شونده است و خروجی آن را می‌توان به‌عنوان مثال با یک USB به وسایل الکترونیکی همراه خود متصل کرد. بنابراین در آینده نه‌چندان دور افقی را می‌توان تصور کرد که لباس‌های آینده بتوانند نیازهای متعددی را برای مصارف روزمره یا نیازهای کاری تامین کند که یکی از آنها تامین انرژی الکتریکی است.

باقرزاده درباره لزوم استفاده از فناوری نانو در تولید نخ‌هایی با قابلیت تولید انرژی الکتریکی این‌طور توضیح می‌دهد: یکی از دلایل استفاده از فناوری نانو در این طرح این است که بتوانیم ویژگی تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی را مواد تشکیل‌دهنده این نخ را بدون نیاز به عملیات تکمیلی دیگری داشته باشیم.

در سایر روش‌ها یا روشی که در آن از نانو فناوری استفاده نمی‌شود، به مجموعه‌ای از عملیات‌ تکمیلی نیاز داریم. برای مثال شاید لازم باشد این ماده در میدان‌های الکتریکی قوی قرار گیرد یا ضرورت داشته باشد از روش‌های دیگری استفاده کنیم که بتواند این ویژگی را در این ماده اضافه کند. در این روش (روش الکتروریسی)‌ نه‌تنها توانسته‌ایم ابعاد این محصول یا فناوری را به ابعاد نانو کاهش دهیم، بلکه توانسته‌ایم به ویژگی‌ها یا قابلیت‌هایی که فقط در مقیاس نانو به آن دسترسی داریم در این طرح دست پیدا کنیم که از این قابلیت‌ها می‌توان به امکان تولید موادی با سطح مخصوص بالا و قابلیت ساخت محصولاتی در مقیاس کوچک از این فناوری اشاره کرد.

برای مثال در نظر بگیرید اگر قرار باشد حسگری در بدن کاشته شود که علائم حیاتی بدن را ثبت کرده و این اطلاعات را در اختیار پزشک خانواده قرار دهد، باید در حالت معمولی این حسگر به یک باتری متصل باشد که انرژی الکتریکی مورد نیاز آن را تامین می‌کند. با این فناوری می‌توان در مقیاسی کوچک‌تر انرژی مورد نیاز این حسگر را با استفاده از تحرکاتی که به‌عنوان مثال در شبکه عروقی بدن انجام می‌شود تامین کرد. علاوه بر این با گسترش کاربرد امضای الکترونیک در آینده‌ای نه‌چندان دور، برای تشخیص امضای الکترونیک با مشکلات و محدودیت‌هایی در زمینه اطمینان از صحت امضای الکترونیک ثبت شده از سوی فرد مورد نظر مواجه خواهیم بود. تاکنون مکانیسم‌های مختلفی برای شناسایی و تائید صحت آن به وجود آمده که هریک مزایا و معایب خاص خودش را دارد.

یکی دیگر از کاربردهای این فناوری مبتنی بر خواص پیزوالکتریک، مواد تهیه پروفایل نحوه اعمال تنش یا اعمال فشار فرد در حین امضای الکترونیک است که می‌تواند توسط این فناوری شناسایی و ذخیره شود. هیچ دو نفری نمی‌توانند در حین امضای پروفایل فشار یکسانی را به کاغذ یا پارچه اعمال کنند. می‌توان با این فناوری از صحت یک امضا یا لمس لباس اطمینان حاصل کرد. این از دیگر کاربردهای این فناوری است که در حوزه پوشاک قرار نمی‌گیرد.

به گفته مجری طرح نانو، نخ‌های مبدل انرژی، کاهش مقیاس و اندازه و ابعاد مواد با ایجاد ویژگی‌های بارز و قابل توجهی همراه است. در حقیقت کاهش ابعاد موجب جهش در خواص مواد می‌شود. برای مثال این الیاف در مقایسه با الیاف معمولی سطح خواص بالاتری دارند. یعنی نسبت سطح به حجم بالاتر است که این تغییرات می‌تواند ویژگی‌های بارزی را همراه داشته باشد.

وی می‌افزاید: در ادامه قصد داریم با هدف ذخیره انرژی تولید شده نوعی خازن‌های پارچه‌ای تولید کنیم. باتری‌ها و خازن‌هایی که استفاده می‌شود خشک و شکننده است. ما دنبال این هستیم پارچه‌ای تولید کنیم که نقش خازن داشته باشد تا به این ترتیب بتوان در این پارچه‌ها انرژی را ذخیره کرد. زیرا ممکن است همیشه به انرژی الکتریکی تولید شده نیاز نداشته باشیم.

اگر بتوانیم به‌عنوان پایه مهندسی از این دستاورد استفاده کنیم، افق جدیدی ایجاد می‌شود و به این ترتیب می‌توان باتری را از بسیاری از ابزارهای الکترونیکی همراه حذف کرد که در نهایت موجب کاهش وزن این ابزارها می‌شود این فناوری در لباس‌های نظامی و لباس‌های فضانوردان بسیار کاربردی است. بخصوص این که در این حوزه‌ها دسترسی به ابزارهای شارژ و تامین انرژی محدودیت بزرگی به شمار می‌آید.

اکنون این طرح در مرحله امکان‌سنجی تولید انرژی از پارچه است. البته اکنون خروجی انرژی در حدود چند ولت است و این قابلیت را دارد که تعدادی لامپ ال.ای.‌دی را روشن کند. به عبارت دیگرمقدار انرژی تولید شده کم است که در ادامه می‌توان بازده تبدیل انرژی را در این فناوری افزایش داد. اکنون گروه‌هایی از محققان در دیگر کشورهای دنیا به طور موازی در این زمینه کار می‌کنند.

این کار در قالب یک تیم پژوهشی به سرپرستی آقایان دکتر مسعود لطیفی و دکتر علی‌اکبر مرآتی از اعضای هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر آقایان و محمد باقری‌مطلق پاشاکی، علی غیبی و محمد سجاد سرایانی بافقی از دانشجویان دانشکده تحصیلات تکمیلی دانشکده مهندسی نساجی انجام شده است.

لباس‌هایی شبیه لباس‌های معمولی

از این نخ نانوساختار می‌توان در تولید پارچه و لباس‌های هوشمند استفاده کرد. دکتر باقرزاده ضمن تائید این مطلب می‌گوید: هیچ محدودیتی در نوع و رنگ لباسی که با این نخ تهیه می‌شود وجود ندارد. مهم‌ترین ویژگی این نخ این است که قابلیت استفاده از آن در بافت پارچه وجود دارد و با نخ‌های معمولی که در تهیه لباس از آن استفاده می‌شود، هیچ تفاوتی ندارد.

تنها تفاوت آن نانوساختار بودن و قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی است. البته این طرح هنوز صنعتی نشده و نیازمند تکمیل مطالعات و پژوهش‌های مورد نیاز برای تولید صنعتی است. لباس‌های تهیه شده از این نخ قابل شست‌وشو است و هیچ سیم یا قطعه فلزی در این لباس استفاده نشده است. پلیمری که در تهیه این پارچه از آن استفاده شده پلیمری است که ویژگی‌های خاصی به آن داده شده است.

از نظر رفتاری کاملا شبیه الیاف معمولی است، اما از ویژگی پیزوالکتریک برخوردار است. از نظر وزنی هم هیچ تفاوتی ندارد و محدودیت حرکتی برای فرد ایجاد نمی‌کند.

فرانک فراهانی‌جم ‌/‌ گروه دانش