Ткань и одежда будущего

1.00

Нет

Человечество ждет очередной прорыв в сфере производства волокон. Если идея ученого из Массачусетского технологического института будет реализована, нас ждет очередной прорыв в сфере производства ткани.

Так называемые функциональные волокна имеют массу применений: например, они могут служить динамиком, микрофоном или даже использоваться в качестве нейронного зонда. Фото: Каяна Ширнчак

В заполненной оборудованием подземной лаборатории Массачусетского технологического института Юнг Тэ Ли пытается сделать батарейку толщиной с леску. Аспирант-исследователь сосредоточенно крутит тумблеры на внушительного вида синей установке, нагревающей и вытягивающей волокно. «Прежде чем создать активное волокно, надо его стабилизировать», — бормочет он себе под нос.

Бенджамин Грена более словоохотлив. Аспирант объясняет мне, что синяя установка, которая почти в два раза выше его самого, — это волоконная башня, модифицированная версия аналогичного промышленного устройства, которое используется для соединения стеклянных стержней в оптоволоконный кабель. Задача Ли — удлинить, вытянуть в тонкую нить толстый полимерный цилиндр с внедренными в него электродами и электролитом. Трудность состоит в том, чтобы сохранить взаимную ориентацию металлов и жидкостей в процессе разогрева и растяжения цилиндра до требуемого диаметра, который составляет 1/200 от первоначального. Это высокоточный аналог вытягивания ирисок на кондитерском заводе. «Когда мы добьемся своей цели, — рассказывает Грена, — у нас появится источник энергии, который можно будет вплетать в ткань вместе с датчиками и любым набором других функциональных волокон».

В тему: Украинская наука: из славного прошлого — навстречу неизвестному [2]

Созданные таким образом электронные ткани можно будет носить как одежду, имплантировать в тело человека или внедрять в инфраструктуру мегаполисов. Йоэль Финк — вдохновитель идеи высокотехнологичных нитей, а также научный руководитель и куратор Грена и Ли от Массачусетского технологического института. Текстильные изделия для Финка — это не что иное, как поворотный момент в развитии цивилизации. «Ткани не претерпели принципиальных изменений со времен позднего каменного века, — рассуждает Финк. — Так вышло потому, что они производятся из однородных волокон того или иного материала, что не позволяет повысить их функциональность».

Финк видит новые широкие возможности для текстильной промышленности в нитях, содержащих множество различных материалов (от полимеров до металлов и жидкостей), с последующим контролем расположения этих материалов внутри волокон. Он считает, что при повсеместном распространении в мире текстильной продукции разрабатываемые им волокна послужат развитию технологий в самом широком смысле.

Видение Финка разделяют многие за пределами подвалов Массачусетского технологического института. В 2016 году он основал Американский институт развития функциональных тканей (Advanced Functional Fabrics of America, AFFOA) — консорциум государственных и частных компаний, в который вошли более двух десятков крупных исследовательских центров, включая Университет Дрекселя в Филадельфии и Университет Карнеги-Меллона в Питтсбурге. В консорциум вступили такие влиятельные технологические компании, как Tesla и Corning а также Министерство обороны США.

Руководитель консорциума AFFOA Йоэль Финк с коллегой Чиа-Чун Чунгом осматривают двухэтажную волоконную башню в филиале AFFOA в Кембридже, штат Массачусетс. Процесс волочения — ключ к формированию функциональных волокон, и открытие этого метода — заслуга Финка. Фото: Сэм Огден

Как генеральный директор Финк управляет общим бюджетом в размере $317 млн, часть которого он намерен направить на создание «распределенной мануфактуры»: сети взаимодействия между институтами, каждый из которых обладает обширными данными. Это позволит им эффективно продвигать свои разработки за пределами лабораторий — в сфере производства потребительских товаров.

Финк уже построил цех для прототипов площадью 6096 кв. м, введенный в эксплуатацию в Бостоне в июне прошлого года.

Традиционная текстильная промышленность вовсе не возражает против штурма Финком тысячелетних традиций прядения и ткачества, а наоборот — становится его преданным союзником. «Я всю жизнь общался с профессионалами текстильной промышленности, но никогда не слышал, чтобы кто-нибудь из них рассуждал о внедрении электроники в продукцию», — утверждает Норман Чэпмен, президент компании Inman Mills, прядильно-ткацкого предприятия в Южной Каролине. Вместе с другими лидерами индустрии, такими как Milliken и Warwick Mills, Инман с энтузиазмом поддержал AFFOA.

Находясь в эпицентре технологической революции, ученики Финка сохраняют завидную невозмутимость. Прокат волокна не терпит спешки. По мере того, как батарея принимает нужную форму, Ли уверенно держит руку на пульсе будущего.

Идеальное зеркало

Сидя в своем просторном офисе в Массачусетском технологическом институте, Финк держит в руках армейский шлем, покрытый камуфляжной тканью. «Видите эти золотистые волокна? — спрашивает он, указывая на едва заметные металлические нити. — Они были созданы несколько лет назад в Натике».

Он имеет в виду Центр исследований и инженерно-технического развития экипировки солдат ВС США. Это организация, которая на ранних этапах разработки позволила ученому продемонстрировать, что функциональные волокна могут быть вплетены в стандартную экипировку. Армия была заинтересована в том, чтобы предотвратить случаи стрельбы по своим посредством разработки нитей с определенными оптическими свойствами, которые проявляются в лазерных прицелах. Финк и его сотрудники добились этого, внедрив в тканевое покрытие шлема нити с различными отражающими качествами, составив из них своего рода клетчатый узор, который отчетливо виден в лазерном прицеле сослуживца. Это четкий сигнал не стрелять.

Финк демонстрирует массивные заготовки, которые превратятся в волокна, пройдя через волоконную башню. Рядом с ними стоит прототип военного шлема, покрытый функциональной тканью. Ткань особым образом отражается в лазерном прицеле оружия, что позволяет стреляющему определить, является обладатель шлема противником или союзником. Фото: Сэм Огден

Для Финка этот проект — нечто большее, чем просто перспектива профессионального роста. В сохранении жизней на поле боя он видит личную цель. Когда ему было два года, его глубоко религиозная семья эмигрировала из Соединенных Штатов в Израиль. Родители отправили его учиться богословию, но подростком он бросил это занятие и пошел в армию. «Это было в 1984-1987 годах», — говорит Финк. В этот период Израиль строил поселения на оккупированной территории, и противоречия были очень сильны. «Военные действия были очень изнурительными и не прекращались, многие получили ранения и были убиты, — вспоминает он. — На поле боя становится ясно, как легко совершить роковую ошибку». Финк был свидетелем братоубийства в своем подразделении, и кроме того, в таком инциденте погиб его собственный двоюродный брат.

После трех лет службы он не выдержал и ушел из армии. После этого он путешествовал с одним рюкзаком и посетил такие места, как Филиппины, Непал и США. Но у его отца были другие планы на своего сына, и Финк поступил в Технион, Технологический институт в Израиле, чтобы изучать химическую технологию. «Но заниматься только этим было скучно», — добавляет ученый. Поэтому, чтобы было веселее, он увлекся физикой.

Выбор такого сочетания наук оказался удачным. «Химическая инженерия связана с обработкой жидкостей», — объясняет Финк. Сегодня он применяет эти принципы к построению физических систем с использованием оптики и электроники.

Когда Финк получил диплом и в 1995 году поступил в аспирантуру в Массачусетском технологическом институте, его дальнейшая карьера складывалась весьма нетривиальным образом. Изучая материаловедение, он медлил с поисками исследовательского проекта, беседовал с десятками преподавателей из разных областей знания. Одним из них был специалист по материалам Нэд Томас. Он участвовал в секретной многомиллионной программе Агентства передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) по созданию механизма, который отражал бы свет, падающий с любой стороны.

Томас пригласил Финка поучаствовать в совещании, на котором ученые из Массачусетского технологического института хотели обсудить план решения этой проблемы. Готовясь к этому событию, Финк обратил внимание на диэлектрические материалы — непроводники и полупроводники, которые последовательно наслаиваются в процессе изготовления высокоточных зеркал, — и у него возник очень простой вопрос. «Из исследований оптики я знал о свойстве многослойных систем отражать свет, но угол отражения при этом ограничен», — рассказывает он. Ему никак не удавалось тогда найти то, что послужило бы теоретической основой для этого эмпирического правила. Поэтому в ходе встречи он наивно спросил, известна ли кому-нибудь формула для определения угла отражения многослойных диэлектриков. «Я был уверен, что кто-то из присутствующих скажет что-то вроде: „Это из курса оптики, который я веду в следующем семестре‟, — вспоминает Финк. — Однако в помещении воцарилась тишина».

Он сразу же начал работать над этой проблемой и через несколько недель экспериментов обнаружил, что такого физического предела не существует. Подобрав правильной толщины диэлектрические материалы, он мог сделать зеркало, отражающее свет под любым углом: идеальное зеркало. Это открытие взбудоражило сообщество физиков. The New York Times назвала открытие «важнейшим достижением в технологии зеркал со времен Нарцисса».

В тему: 7 главных проблем современной науки — версии самих ученых [3]

Но к тому времени DARPA отказалась от проекта по причинам столь же загадочным, как и их предполагаемое военное применение. Финк решил продолжить работу над идеей в надежде расширить сферу применения таких зеркал и сделать их эффективной альтернативой оптоволоконному кабелю для телекоммуникаций. Обычное оптическое волокно ограничено материалами, из которых оно изготовлено, так как они не идеально отражают световые волны внутри: волокно постепенно поглощает проходящие через него фотоны, делая сигнал слабее. План Финка состоял в том, чтобы изготовить полые трубки с многослойными диэлектрическими стенками, которые бы идеально отражали проходящий свет.

Специалист по материалам Массачусетского технологического института Полина Аникеева исследует волокна, каждое из которых содержит по одному электроду. Они пройдут прокатку в сверхтонкие нейронные зонды. Это позволит Аникеевой и ее команде внедрять их в мозг с минимальным нарушением тканей. Фото: Джастин Найт / Институт МакГоверна по исследованию мозга при Массачусетском технологическом институте

«Мне пришлось расспрашивать коллег о том, как изготовляются волокна», — признается Финк. Тем не менее он успешно защитил докторскую диссертацию и вошел в младший преподавательский состав Массачусетского технологического института в 2000 году, что позволило ему получить в свое распоряжение небольшую волоконную башню и вместе с несколькими аспирантами приступить к экспериментам. Он тогда понятия не имел, что нарушает основополагающие правила отрасли.

Ведь до Финка все считали, что любые используемые для изготовления волокон материалы должны обладать сходными показателями вязкости, теплотехнических и других свойств для сочетанного формования. Кроме того, необходимо прокатывать их при низком механическом натяжении и высокой температуре. Методом проб и ошибок Финк нашел способ прокатывать волокна при высоком механическом натяжении и низкой температуре. Так OmniGuide, как ученый назвал свое изобретение, стало его первым функциональным волокном.

Однако телекоммуникационная отрасль оказалась не готова к революции. Эта индустрия в начале 2000 годов переживала спад, а дешевого оптического волокна было предостаточно. Тогда Финк стал соучредителем компании, которая занялась внедрением OmniGuide в сферу медицины. «Мы создали скальпель для минимально инвазивной хирургии», — говорит он.

Этот лишенный лезвий инструмент использует интенсивный свет лазера на двуокиси углерода для проникновения в мягкие ткани. Длина волны лазера на двуокиси углерода идеально подходит для хирургии, потому что содержащаяся в жировых и мышечных тканях вода эффективно поглощает луч, что облегчает рассекание. Врачи уже давно отдали предпочтение лазеру на двуокиси углерода для процедур в ограниченных пространствах, где металлические инструменты оказываются слишком грубыми.

До прихода Финка процедуры с использованием лазера на двуокиси углерода были архисложными. Поскольку стекло не пропускает свет на длине волны лазера на двуокиси углерода, хирургам не удавалось использовать обычное оптическое волокно для направления луча лазера. Вместо этого им приходилось тщательно и точно нацеливать весь громоздкий лазерный блок на пациента, чтобы попасть в нужное место, и они могли рассекать ткань только по линии оптической оси лазера. Теперь же, с появлением гибкого OmniGuide, лазерный луч в буквальном смысле оказался на кончиках пальцев врачей, что позволило хирургам легко направлять его куда надо.

Сейчас изобретение Финка нашло применение в более чем 200 000 процедур, многие из которых проводятся на поздних стадиях рака горла.

На фотографии виден созданный в лаборатории Финка образец легкой ткани со вплетенными в нее функциональными волокнами. Фото: AFFOA

Этот подход к инженерному делу в дальнейшем стал парадигмой для Финка — в нем открытость в экспериментальных разработках сочетается с междисциплинарным охватом, что позволяет ему внедрять технологии функциональных волокон во все сферы, с которыми он соприкасается. «Он визионер, бунтарь и просто невероятно отважный ученый, — отзывается о Финке Полина Аникеева, профессор материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, которая часто сотрудничает с ученым. — Финк подходит к сложным вопросам без какого-либо страха».

Благодаря неутомимым усилиям Финка, сфера применения высокотехнологичных волокон значительно расширилась. Он также обнаружил, что многие из его методов создания волокон могут быть применены в сфере электроники. В его оптических устройствах уже использовались полупроводники и диэлектрики. Добавив к ним металл в качестве проводника, он увидел, что теперь у него есть все три основных элемента электронных схем и компьютеров.

Идея Финка вскоре заинтересовала академический журнал Nature Materials. Издание поручило ему написать обзор о волокнах, которые могли бы «видеть, слышать, ощущать и общаться». Работа была опубликована в 2007 году.

«Тут нечего обозревать», — заметил тогда Финк.

Но у редактора на это был готов ответ: «Давайте обозревать будущее».

Лучше аксессуаров

В подземной лаборатории, по соседству от прокатной башни Финка, Турал Худиев, еще один аспирант в команде ученого, мягко уговаривает волокно запеть. Он оголил металлические проводники на одном конце пучка волокон и подключил их к высоковольтному усилителю. Удерживая кончик нити зажимом, он включает усилитель и прислушивается к звуку. Шнур мягко гудит.

«Это пьезоэлектрический эффект, — объясняет Худиев. — Он преобразует электрический сигнал в звук. Возможно и обратное. Волокно также может стать микрофоном».

Ученые знали о пьезоэлектрическом эффекте с момента его открытия в 1880 году и целое столетие использовали это явление в электронике не только ради звука, но также для оказания и обнаружения давления. Направив пьезоэлектричество по нити, которая может быть вплетена в одежду, группа Финка открывает новый рубеж в этой сфере, наделяя ткани возможностями, которые ранее были доступны только с использованием отдельных переносных устройств. Например, портативные гаджеты для здоровья и фитнеса являются аксессуарами, и в этом состоит их ограничение. «А вот вещи, которые мы носим, называются одеждой», — с усмешкой замечает Финк.

Он отнюдь не считает, что это различие тривиально. Наша одежда имеет около 6 кв. м внешней поверхности, соприкасающейся почти с каждой частью тела. Это означает, что пьезоэлектрическая ткань потенциально может слышать наше окружение, чувствовать наши движения и следить за внутренними органами — сердцем и легкими, например — с беспрецедентной точностью. Такая ткань может также генерировать энергию во время ходьбы.

Пьезоэлектричество — это лишь одна из многих функций, которые систематически осваивает лаборатория Финка. Майкл Рейн, учившийся у него в аспирантуре, а ныне действующий в роли старшего инженера-разработчика AFFOA, прокатывает волокна, содержащие крошечные диоды: полупроводники, которые могут поочередно излучать или воспринимать свет. Будучи вплетенными в ткань, они смогут посредством электроники изменять внешний вид одежды или позволят устанавливать удаленную связь. В своей дипломной работе Рейн продемонстрировал, что функциональные волокна переносят стирку, а это важная веха на пути от лаборатории к рынку.

В любой электронной продукции можно достигнуть гораздо большего, если несколько компонентов будут действовать вместе. Например, объединив диодные волокна Рейна с пьезоэлектриками Худиева, «мы сможем общаться на расстоянии», как замечает Грена, аспирант под руководством Финка. Диоды могли бы реагировать на модулируемый голосом лазерный луч, заставляя пьезоэлектрическую ткань вибрировать, чтобы солдаты слышали приказы своего командира на хаотичном поле боя.

С другой стороны, жизненно важные признаки, замеряемые пьезоэлектрическими волокнами, могут быть переданы врачу посредством светодиодов в тканях одежды раненых солдат. Грена также предвидит преимущества в плане масштаба, в особенности для сенсорных сетей. Фиброэлектронику можно тонким слоем разместить на огромных поверхностях. С помощью пьезоэлектрической сетки можно осуществлять крупномасштабные измерения (например, получать данные о деформации моста или об океанских течениях).

Что касается микромира, то Аникеева применяет метод проката Финка в нейронауке. Она использует прокатную миниатюрность своих гибких волокон, сочетающих в себе оптические волноводы с проводящими электродами и каналами для жидкости, чтобы создать зонд толщиной меньше человеческого волоса. Посредством лишь одного такого зонда можно вводить лекарственные препараты и измерять нейронную активность в головном или спинном мозге без существенного повреждения тканей.

Это может даже побудить генетически модифицированные нейроны реагировать на свет, что станет мощным и универсальным инструментом для зарождающейся области оптогенетики. «Процесс проката волокон, — утверждает Аникеева, — в данном случае предоставляет вспомогательный потенциал».

Сокращение разрыва

В Лаборатории компьютерной науки и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института Финк демонстрирует некоторые из первых продуктов, разработанных AFFOA. Он показывает рюкзаки с уникальными штрих-кодами, вплетенными в ткань. Обычная камера iPhone может отсканировать рюкзак с другого конца комнаты и извлечь из него информацию: например, цитату или песню, которую хозяин рюкзака ранее закодировал посредством программы на своем смартфоне. Он также демонстрирует бейсболки, в которые вплетены диоды, воспринимающие сигналы от источников света над головой. Сигналы передаются быстрым, неуловимым для глаза мерцанием освещения. Такая система может помочь ориентироваться в запутанных зданиях, таких как больницы и аэропорты.

К концу своей презентации Финк показывает организационный план проектирования и производства его навигационной бейсболки. Специальные нити, изготовленные по технологии Массачусетского технологического института, можно смоделировать и произвести в AFFOA. Ткани можно соткать на производственных мощностях компании Inman Mills в Южной Каролине. Компания AmeriCap в Северной Каролине возьмет на себя производство бейсболок из этих тканей. Интеграцию системы с освещением можно произвести в цехе прототипов AFFOA совместно с компанией Analog Devices, базирующейся в Массачусетсе.

В тему: Какое будущее может ожидать украинскую науку [4]

«Большая часть университетской интеллектуальной собственности лежит на полке, — объясняет Финк, — и причина в том, что существует разрыв между исследованиями и производством». В случае AFFOA, при таком подходе к проектам разрыв исчезает.

«Функциональная ткань принадлежит к одной из самых междисциплинарных областей знания нашего времени», — заявляет Женевьев Дион, директор технологической лаборатории Shima Seiki Haute и активистка AFFOA в Университете Дрекселя. Их с Финком пути пересеклись на той встрече, в результате которой возникла AFFOA. Дион обогатила эту организацию своим опытом в мире моды, а также привела в AFFOA своих коллег-социологов. По мнению Дион, какими бы революционными ни были производимые в лаборатории Финка материалы, их применение будет зависеть от того, насколько они будут удовлетворять реальные потребности людей, насколько они будут привлекательными, а это уже скорее задача для дизайнеров и социологов, нежели для инженеров. Она уверена: «Мы должны думать на будущее, а не просто восклицать: „А давайте-ка сделаем Google Glass [5]. Это будет так здорово, что все захотят это купить“».

Очевидной отправной точкой для использования функциональных волокон и тканей Дион видит сферу медицинского обслуживания — особенно для тех людей, чье состояние здоровья требует постоянного наблюдения и лечения. Функциональные ткани смогут не только обеспечить для них превосходную поддержку, но и помогут скрыть разного рода признаки, отличающие их от обычных людей. «Мы достигнем успеха в области высокотехнологичной одежды со встроенными медицинскими приборами, когда такую одежду будет трудно отличить от обычной», — утверждает она.

Будучи человеком широких взглядов, Финк продвигает видение Дион во всех областях. Его речь легко переходит с футболок на подгузники. «Люди спрашивают, как будет выглядеть эта ткань, — говорит ученый. — На самом деле, она не будет отличаться от обычной. Но это будет гораздо больше, чем просто ткань».

—

Оригинал: Discover Magazine [6]. Автор: Джонатан Китс [7].

Переводил: Шогди Сурур [8].

Редактировали: Слава Солнцева [9] и Сергей Разумов [10].

Опубликовано на сайте проекта Newочём [11]

В тему: