Телемедицина. "Умная" одежда

• детектировать опасные изменения в окружающей среде, в себе самом и организме человека;
• передавать сигнал бедствия (опасности) внешним приемным устройствам;
• в случае возникновения серьезных опасностей реагировать на них.

В число опасных внешних  изменений входят перегрев, переохлаждение, химические атаки, газы, радиация, а  также состояние здоровья человека (сердечный приступ, инсульт), излишний алкоголь или наркотики в организме. Сенсоры в одежде могут передавать сигнал на компьютер автомобиля, и  он не заведется. Реакция одежды на опасности может реализоваться  в определенной окраске текстиля (как лакмусовая, индикаторная бумага) и сам пользователь одежды и окружающие увидят это (полицейский, жена и т.д.). Окружающие по цвету одежды увидят, что с человеком плохо (опьянение, сердце, давление и т.д.).

Защитная одежда пожарников должна умно поддерживать комфортный климат внутри одежды при высокой  температуре окружающей среды.

Необходимо сочетать необходимый  баланс между защитным эффектом и  комфортностью. Это весьма непростая  задача, поскольку эти две функции  обычно направлены друг против друга.

Для комфортных условий работы защитной одежде необходимо обеспечить следующие требования:

• климат (температура, влажность, вентиляция) в пододежном пространстве;
• освещение;
• запах (отсутствие);
• шум (отсутствие);

Защитная одежда должна выполнять  следующие функции:

• сенсорные;
• запись и хранение информации;
• выполнение своих непосредственных функций;
• коммуникативность.

К этому следует добавить удобство, устойчивость функций во времени в условиях эксплуатации (стирка, химчистка). «Умный» текстиль – должен включать в себя следующие элементы: сенсоры (датчики), внутреннюю связь, память, анализатор, передатчик, антенну, автономный источник питания.

3. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СЕНСОРЫ ДЛЯ ТЕКСТИЛЯ

Текстиль, одежда контактирует с большей частью нашего тела, его  кожей. Это позволяет размещать  сенсоры в различных очень  важных точках поверхности тела и  мониторить параметры организма. Кроме того одежда (текстиль) может замерять параметры внешней среды.

Основные параметры, которые  могут детектировать датчики  одежды:

• температура;
• электромагнитные сигналы (биопотенциал, кардиограмма, электростатическое поле и др.);
• акустические и ультразвуки;
• движение человека;
• химикаты (жидкость, газы);
• электрические свойства кожи;
• механические свойства кожи (давление, напряжение, натяжение);
• радиация (УФ, ИК, видимая, радиоактивность и др.);
• запах.

При использовании сенсоров вообще и текстильных сенсоров в  частности сталкиваются со следующими проблемами:

• гибкость и устойчивость сенсоров к деформации;
• сигнал имеет относительно низкую амплитуду;
• устойчивость к длительному нагреванию (отделочное и швейное производство, стирка, химчистка).

Первоначально для «умной»  одежды использовали обычные сенсоры, но постепенно перешли к специальным  сенсорам для текстиля, органически  встроенным в структуру текстиля.

Основной упор был сделан на слежение за параметрами организма (кардиограмма, скорость дыхания, движение, температура, давление крови, движение). Такую одежду выпускают фирмы ANBRE (B), Smart shirt, Life shirt, Wealthy, Intellitex, Vtam. Область использования: медицина, спорт, космонавтика, армия.

Сигналы сердца – один из основных параметров организма. Основа сердца – его мышцы, управляемые  мозгом через электрические импульсы. Электропроводящий текстиль детектирует  эти сигналы, которые затем анализируются, из них извлекаются необходимые  параметры (частота, фаза и др.) и  анализируются. В обычной практике при снятии электрокардиограммы  используют токопроводящий гель для  лучшего контакта электрода (датчика) и кожей. Но он после 24 часов вызывает раздражение кожи, поэтому в диагностической  одежде его применять нельзя.

Но из-за не очень хорошего контакта, даже трикотажной майки (ткань  не годится) с кожей сигнал получается слабый, возникают электроимпульсы. Датчики необходимо совершенствовать, повышая их чувствительность.

Сенсоры растяжения

Текстильный материал можно  создать как сложную сеть электропроводящих  волокон – дорожек, способных  иметь множество контактов с  кожей. При деформации тканей могут  возникать следующие явления:

• изменяется число контактов в текстиле;
• волокна растягиваются;
• поперечные связи между нитями, пряжей ослабевают, уменьшаются.

Число точек контакта изменяется радикально даже при слабом натяжении. Деформация волокон имеет место  при сильном натяжении. Увеличение число контактов снижают электрическое  сопротивление, в то время как  натяжение волокон и снижение точек переплетения ведет к повышению  электрического сопротивления. Изменение  электросопротивления при деформации зависит от структуры текстиля. Возникают  пьезоэлектрические эффекты, что используется для создания текстильных датчиков деформации. По сигналам этих датчиков можно извлечь информацию о движении и позиции человека. Однако тут  возникают проблемы. На эти сигналы  могут влиять изменения в структуре  текстиля при его эксплуатации (стирка, химчистка и др.), что приводит к изменению пьезоэлектрических свойств.

«Умная» диагностическая  майка измеряет не только сердечные  функции, но и скорость дыхания. Для  этого используют трикотажный «ремень» из стальных волокон. При дыхании  нагрудный ремень деформируется, так  грудная клетка (объем) расширяется  и сокращается, изменяется электропроводимость  и, соответственно, сигнал. Такое изделие  должно быть стабильно в условиях эксплуатации, и все равно его  нужно калибровать на электрические  свойства. Информация о кинетике (изменениях) в организме при нагрузках  важна для больных, спортсменов, танцоров, в эргономических исследованиях.

CEA-LETI произвела 3D-ориентированную  дорожку на основе обычных  акселерометров (датчики скорости), магнитометров. На тело надевается  «скелетон», позволяющий двигать  руками. Замеряется изменение сигнала  по мере усталости. Дополнительно  «умные» перчатки фиксируют дополнительную  информацию.

Датчики давления

Существует два типа текстильных  сенсоров давления. Первый - это чувствительный к давлению текстиль на основе использования  принципа «квантового туннелирования композитов» (QTC). Такой композит с характерными свойствами работает в нормальных условиях как изолятор, а при давлении становится проводником, наподобие металла. Подобный текстильный материал может найти широкое применение. Можно нанести специальную полимерную композицию на различные виды текстиля, который при растяжении будет проявлять эти электрические свойства, основанные на QTC. Такие материалы уже появились на рынке под название «Softswich™».

Второй вид сенсоров давления и материалов на их основе – это  композитный текстиль. Он состоит  из двух слоев карбонизированного токопроводящего  текстиля, разделенных слоем непроводящим ток. Два токопроводящих слоя имеют  разную электропроводимость. При нажатии  на верхний более токопроводящий слой происходит его электрический  контакт через дырочки сетки  со вторым слоем. Сильнее давление –  сильнее контакт, сильнее ток. Здесь  играет роль размер ячеек и толщина  непроводящей сетки. Основной материал сенсорной ткани состоит из комбинации токопроводящих волокон и полиамидных  волокон. Из такой ткани можно  сконструировать 3D-конструкцию (дешевые, можно стирать, широкий спектр областей использования). На рынке имеется  сенсорная ткань Ekektex™ (Англия, Elexsen).

Оптоволокна – мультифункциональные сенсоры

Сенсорные волокна, основанные на использовании оптических свойств  решетки Брэгга (FBG) – это вид  оптоволокон, используемых для мониторинга изменений в структуре композитов, конструкций и других материалов.

«Политех» Гонконга разработал оптоволокна, способные измерять изменения в напряжении и температуре в композитах и текстильных структурах. FBG-сенсоры подобны нормальным оптоволокнам, но внутри, в определенном месте имеют дифракционную решетку, способную преломлять лучи определенной длины волны в зависимости от типа и размеров решетки. Текстиль, покрытый подобным слоем, способен детектировать напряжения, температуру, а также токсичные вещества и микроорганизмы.

Сенсоры, изменяющие цвет

Текстиль, изменяющий окраску, цвет, интенсивность, оттенок под  действием различных физических и химических факторов – это потенциальный  сенсор. Такие свойства колорист обычно рассматривает как отрицательные  и стремится их избегать, но для  «умного» текстиля это полезная функция.

Специальные термо-, хемо-, фото-, механо-, электро-, магнито-, радиоционно- и другие хромные красители используют для производства такого сенсорного текстиля. Области использования очень широкие: сенсоры всех этих импульсов, а также камуфляж.

Сбор, интерпретация и оперирование информацией

Сбор, интерпретация и  оперирование информацией необходимы в случае активного использования  информации (активный «умный» текстиль). Первая проблема интерпретации информации состоит в том, что различные  импульсы требуют разного уровня интеллекта для интерпретации сигналов. Так сигналы о температуре, наличии  токсичных химикатов и микроорганизмов  в окружающей среде интерпретировать проще, чем сигналы о состоянии  организма человека, которое все  время меняется. При этом алгоритм интерпретации разный и во втором случае очень сложный, способный  отслеживать и оценивать изменения, вызывающие необратимые изменения  состояния здоровья.

Для сбора и интерпретации  полученных данных необходим компьютер. Это самая сложная и до конца  нерешенная проблема, так как компьютер  должен быть миниатюрным, гибким, устойчивым в условиях эксплуатации и ухода  за одеждой. В этом направлении ведутся  работы с целью придания самому текстилю функции компьютера.

Актуаторы (исполнительные механизмы)

Актуаторы – устройства системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной от сенсоров или через устройство (компьютер), собирающие и анализирующие информацию от сенсоров.

Актуатор может производить механические манипуляции, шумовой сигнал, нагрев или охлаждение, изменять окраску и много других манипуляций. 
Примеры исполнительных устройств:

• В технике, исполнительные устройства представляют собой преобразователи, превращающие входной сигнал (электрический, оптический, механический,  пневматический и др.) в выходной сигнал (обычно в движение), воздействующий на объект управления. Устройства такого типа включают:  электрические двигатели,  электрические,  пневматические или гидравлические приводы, релейные устройства, электростатические двигатели (англ. Comb drive), DMD-зеркала и электроактивные полимеры, хватающие механизмы роботов, приводы их движущихся частей, включая соленоидные приводы и приводы типа «звуковая катушка» (англ. Voice coil), а также многие другие.
• Виртуальные (программные) приборы используют исполнительные устройства и датчики для взаимодействия с объектами реального мира. С помощью датчиков сигнал передаётся в виртуальный прибор, обрабатывается и выдаётся в реальный мир с помощью различного вида исполнительных устройств.

Рис.4. Исполнительное устройство в контуре простейшей следящей системы: сигнал рассогласования ε (разность задающего сигнала r и сигнала обратной связи u) с помощью управляющего устройства преобразуется в сигнал управления v, который передаётся на объект управления.

Механические актуаторы

Механические актуаторы делают волокна в текстиле подвижными и, тем самым, изменяют свойства текстиля (теплоизоляция, проницаемость и др.). Более интересно придание текстилю (волокнам) свойства, которое можно назвать - «мускул». Если такие волокна интегрировать в текстиль, то он приобретает функции «второй кожи и мышц», увеличивая мышечную силу. Такие волокна внедряют в их определенном физическом состоянии в текстиль, что обеспечивает исполнение необходимого движения определенной силы. Эти волокна должны быть электроактивным материалом, способным реагировать на электрические сигналы, сильно сокращаться, обладать большой силой сокращения и коротким временем реакции (малая инерция), работать при слабом электрическом сигнале (низком электрическом напряжении). Эти свойства «мускульного» текстиля еще в полной мере не достигнуты. Это требует пока или значительного электрического сигнала (активного напряжения), или специальной химической среды. Но работы продолжаются. В качестве импульсов, вызывающих механические действия, используют температуру, химические и физические воздействия.