Идея интеграции электроники в ткани и одежду уже давно муссируется в научных кругах. Однако реализовать практически её еще не удавалось . Новая разработка Массачусетского технологического института (MIT) обещает переворот в текстильном мире.
Электронная ткань — от идеи до производства
Производители научились интегрировать те или иные электронные устройства в одежду. Например в наушники и измерители пульса. Но это делается на этапе сшивания одежды, а электроника внутри ткани больше похожа на костыль, чем на гармоничную интеграцию в ткань.
Чтобы создать «электронный текстиль» XXI века, промышленность должна научиться создавать интегрированные полупроводниковые нити, которые обрабатываются ткацкими станками, как обычная пряжа.
Такая идея вызвала интерес у лаборатории Массачусетского технологического института. И вот уже разработан технологический процесс и ожидается, что «электронная ткань» поступит в массовое производство уже в начале следующего — 2019 года.
Как производят электронную ткань
Адаптация технологии массового производства современных ткацких станков производится исследователями из AFFOA (Advanced Functional Fabrics of America). В сердце текстильной промышленности США — в Inman Mills (Южная Калифорния) — ткани производятся из нитей со встроенными полупроводниками.
Оказывается, новая технология работает и не требует больших производственных издержек. Разработчики считают, что это изобретение будет чем-то вроде закона Мура для развития сферы электронной ткани.
Традиционное оптическое волокно изготовлено из полимерной заготовки путем нагревания (размягчения) и растяжения. Для производства электронного полимерного волокна используется процесс без растяжения. К обрабатываемому материалу добавляются два тонких медных провода толщиной с человеческий волос и припаяные светодиоды или фотодиоды (два варианта волокон). Во время процесса нагревания полимер включает диодные провода, а затем «замерзает».
Процесс осуществляется достаточно быстро и подходит для массового производства нитей, из которых создается ткань и шьют одежду. Новая «электронная ткань» может подвергаться стирке и глажке утюгом, без опасности повреждения встроенных в неё полупроводников.
С целью эксперимента ткань с фотодиодами была погружена в аквариум с рыбками. С помощью внешнего источника света (лампы) была передана последовательность кодированных музыкальных сигналов. Сигналы, снятые с электронной ткани в реальном времени, воспроизвели музыкальную композицию. Ткань и рыбки во время эксперемента не были повреждены.
Электронная ткань — применение
Электронная ткань сможет найти применение во многих областях. Например, из такой ткани можно сделать умные бинты и браслеты. Пентагон уже заинтересован в новом изобретении. Военные думают использовать электронную ткань для производства военной формы.
Несомненно, технология производства электронной ткани обладает огромным потенциалом для использования в текстильной промышленности и других смежных областях.
Наш сайт без рекламы для Вашего удобства! Чтобы поддержать проект — поделитесь ссылкой с друзьями. Благодарим!
Электрические свойства тканей
Лабораторная работа № 12
Физические основы электропроводности
Биологических тканей при постоянном токе.
Лечебный электрофорез и гальванизация
Цель: 1.Изучить физические основы применения постоянного электрического тока с лечебной целью.
2.Экспериментально измерить величину подвижности ионов.
Читайте также: Как удалить силу от сосны с ткани
3.Изучить устройство и принцип действия аппарата для гальванизации и лечебного электрофореза “Поток-1”.
1. Ливенцев Н. М. «Курс физики», 1978 г., ч. I, §54; ч. 2, §144, 148.
2. Ремизов А. Н. «Meдицинская и биологическая физика», 1987г., гл. 15, §3, гл. ХУШ, §4.
3. Губанов Н. И., Утепбергенов А. А. «Медицинская биофизика», 1978 г. гл.9.
Вопросы входного контроля
1. Что такое электрический ток, условия необходимые для его существования?
2. Закон Ома для полной цепи.
4. Свойства биологической ткани как электропроводящей среды.
5. Чем объясняется нарушение закона Ома при прохождении постоянного тока через биологическую ткань?
6. С чем связывают первичное действие постоянного тока?
7. Почему у анода и катода возбудимость клетки разная?
8. Каковы меры безопасности при проведении процедуры гальванизации или электрофореза?
Краткая теория
Электрические свойства тканей
Исследования по изучению электропроводности биологической ткани показали, что в отличие от металлов при пропускании постоянного тока через живую биологическую ткань сила тока не остается постоянной во времени, несмотря на то, что напряжение в цепи не изменяется. Ток непрерывно уменьшается, достигая уровня в сотни, а иногда и в тысячи раз меньше начального, т.е. наблюдается отклонение от закона Ома (см. рис.1.)
Для металлического проводника сопротивление электрической цепи является коэффициентом пропорциональности между током I и напряжением U (закон Ома):
где сопротивление R, может быть, представлено формулой .
Iн 1
I = f`(t) (биологическая ткань)
Сопоставляя зависимости 1 и 2, представленные на рис.1, следует помнить, что у металлов и биологической ткани разный механизм электропроводности. Если у металлов проводимость электронная, то биологическая ткань — электролит с множеством границ раздела практически непроницаемых для носителей тока – ионов*. Таким образом, изменение силы тока в цепи, содержащей биологическую ткань, может быть связано с электрокинетическими явлениями, происходящими в ней.
* С точки зрения строения биологическая ткань — сложная неоднородная (гетерогенная) структура. Ее гетерогенность обусловлена как наличием биологических мембран, так и сложных белковых образований. Мембраны окружают клетки, клеточные органоиды, образуют эндоплазматическую сеть, т. е. делят весь объем клетки на ограниченные области (компартменты). И если цитоплазма и межклеточная среда, являясь электролитами, обладают относительно низким сопротивлением в силу наличия большого числа обладающих высокой подвижностью свободных носителей заряда (ионов), то мембраны можно считать диэлектриками, так как их сопротивление порядка Rм
.
Внешнее электрическое поле, вызывая смещение свободных ионов тканевых электролитов к противоположным по знаку полюсам, приводит к накоплению заряженных частиц у непроницаемых преград — плазматических мембран и у приэлектродной области (электролитическая поляризация) (рис.2). Ориентирующее действие на связанные заряды со стороны электрического поля также вносит определенный вклад в поляризацию среды (электронная, ионная, дипольная и др. поляризации).
В совокупности рассмотренные явления приводят к общей поляризации Р(t) среды под действием внешнего электрического поля, причем в начальный момент времени это происходит за счет тех видов поляризации, которые имеют меньшее время релаксации.
Кроме влияния на возбудимость клеток, изменение плотности ионов у биологических мембран порождает ответную реакцию клеток в виде их активного противодействия нарушению утраченного равновесия, что неизбежно вызовет резкое повышение скорости обменных процессов. Изменится кислотно-щелочное равновесие, водосодержание и др. физико-химические свойства тканей и, в конечном счете, явится ответной реакцией всего организма на действие постоянного тока.
Читайте также: Для эпителиальной ткани характерны все перечисленные признаки кроме
Первичное действие постоянного тока связывают с поляризационными явлениями в биологической ткани.
Эти процессы лежат в основе физиотерапевтического метода – гальванизации. Принято считать, что постоянный ток раздражающими действиями не обладает. Однако, это справедливо лишь при малых плотностях тока до
Возбуждение клетки может возникнуть тогда, когда поляризационные явления на клеточной мембране достигают такого предельного значения, что дальнейшее их повышение приводит к пробою биологической мембраны и гибели клетки.
Гальванизация
Гальванизация — лечебный метод, заключающийся в воздействии на ткани больного постоянным электрическим током напряжением 60 — 80В при плотности тока от 0,03 до предельно допустимой — 0,1 мА /см 2 .*
*(Естественно, что о сколько-нибудь значимом тепловом эффекте, при такой плотности тока говорить не приходится) (дем. закон Джоуля-Ленца).
Лечебный эффект достигается в основном за счет стимуляции обменных процессов вследствие электрокинетических явлений при прохождении постоянного тока. Этот метод лечения может применяться в тех случаях, когда интенсификация обменных процессов может привести к желаемому результату — отеки, нарушения водно-солевого обмена и др. Кроме того, в зависимости от места приложения электродов, воздействие может передаваться рефлекторно по нервным тканям на внутренний орган, в котором происходит изменение обменных процессов или функционального состояния.
Прохождение постоянного тока в цепи, содержащей раствор электролита, сопровождается явлениями, происходящими на поверхности контактных электродов или в растворе их окружающем. Эти явления называются электрохимической поляризацией. К ним относятся: электролиз растворенного вещества; реакции между продуктами электролиза и веществом электрода или растворителя (водой); образование местных пространственных зарядов и т. п. Несложно увидеть, что продукты электролиза, содержащихся в тканях ионов натрия и хлора у отрицательного электрода, в результате вторичных реакций, могут образовать едкую щелочь (NaOH), а у поверхности положительного — соляную кислоту (HCl). Эти вещества обладают прижигающим действием. Поэтому при любых условиях (включая и эксперименты на животных) нельзя при действии постоянным током металлические электроды накладывать непосредственно на поверхность тела!
Чтобы этого избежать, под электрод (между электродом и кожей) обязательно должна помещаться прокладка из ткани, смоченной изотоническим раствором — 0.9% р-р NaCl.
Лечебный электрофорез
Гальванизацию при необходимости совмещают с введением в ткани, при помощи постоянного тока, лекарственных веществ, образующих в растворе ионы.Эта процедура называется лечебным электрофорезом.
Для проведения электрофореза прокладки, помещаемые под электроды, смачивают раствором лекарственного вещества. Из прокладки под положительным электродом вводят в ткани организма положительные ионы металлов и частицы сложных соединений, под отрицательным электродом — кислотные радикалы, отрицательные ионы и частицы сложных соединений.
На рис. 4 показана модель биологической ткани, включающая в себя электропроводные ткани организма, содержащие раствор NaCl, прокладки (П), смоченные раствором CaCl2 и KJ, и электроды (Э). Стрелками показано движение ионов и накопление их у тканевых перегородок — поляризационные явления.
 |
П Е0 П
Основные электрические свойства тканей организма
Все нормальные функции организма человека обусловлены электрическими взаимодействиями. Работа мышц, в том числе дыхание и удары сердца, контролируются электрическими токами. Информация, получаемая различными органами чувств, передаётся в мозг с помощью электрических сигналов. Хотя электрические токи участвуют в функционировании организма, токи от внешних источников при прохождении через органы могут вызвать их повреждения или даже смерть человека.
Читайте также: Круглый дисковый нож для ткани
Биологическим объектам присущи такие электрические свойства, как сопротивление и емкость. Ткани организма человека обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обуславливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства и величина диэлектрической проницаемости определяются структурными компонентами и явлениями поляризации.
Биологические ткани обладают омическим (активным) сопротивлением благодаря наличию в них свободных ионов. Наличие омического сопротивления в тканях подтверждается нагревом ткани при прохождении через неё постоянного тока.
Биологическая ткань обладает электрической емкостью: мембрана клетки по своим электрическим свойствам является диэлектриком, внутри клетки у мембраны скапливаются отрицательные заряды, снаружи положительные заряды. Разноименные заряды, разделенные диэлектриком, представляют конденсатор.
Обладая емкостью, биоткань обладает емкостным сопротивлением: .
где, 
— частота тока, 
– емкость.
Вышеуказанными свойствами обладают токопроводящие ткани и жидкости в составе организма. К ним относятся: нервная ткань, влажная кожа, мозговая ткань, ликвор, кровь и т.д.
В состав организма входят и токонепроводящие ткани – диэлектрики. К диэлектрикам в составе организма относятся: сухая кожа, жировая ткань, кость без надкостницы, сухожилия, роговица глаза, ногти, обезжиренный волос
Основной характеристикой диэлектрика является диэлектрическая проницаемость вещества ,которая определяется отношением напряженности электрического поля в данной среде к напряженности поля в вакууме:
где – напряженность электрического поля в веществе и в вакууме.
Электропроводность 
– это величина, обратная омическому сопротивлению 
:
Представим таблицу электропроводностей ряда тканей.
| Вид ткани | Электропроводность (сименс) |
| Ликвор Кровь Мыщцы Внутренние органы Нервная ткань Сухожилие Кость | 0,018 0,006 0,005 0,002-0,003 0,0007 10 -4 10 -9 |
Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния, и следовательно может быть использована как диагностической показатель.
5.2. Электропроводность клеток и тканей при постоянном токе. Поляризация и её виды .
Известно, что сопротивление является коэффициентом пропорциональности между током и разностью потенциалов:
— закон Ома.
Однако для живых тканей было установлено, что сила тока после наложения разности потенциалов непрерывно уменьшается. Представим изменение этого тока во времени графически:
Поляризацией называется процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образованием вследствие этого электродвижущей силы, направленной против внешнего поля.
При прохождении тока через биологическую систему в ней возникает ЭДС поляризации, которая уменьшает приложенную к объекту эффективную ЭДС, что и приводит к уменьшению тока.
Движущийся ион создаёт дополнительное электрическое поле (на рисунке показано пунктиром) которое направлено в сторону, противоположную внешнему полю.
— закон Ома для живой ткани
где, – ЭДС поляризации, как функция времени.
Возникновение ЭДС поляризации, главным образом связано с способностью живых клеток накапливать заряды при прохождении через них электрического тока, т.е. с их емкостным свойствами.
Рассмотрим виды поляризации, которые (в той или иной степени) присущи биологическим объектам. Временем релаксации поляризации называется время возникновения поляризации после мгновенного наложения электрического поля.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом