Представьте, что вы приспосабливаете свою одежду к летней жаре или зимнему холоду, просто меняя ее температуру на ходу. Носимые устройства терморегулирования обещают именно это. Также у этих устройств есть и другие функции, такие как обеспечение обратной связи по температуре в виртуальной и дополненной реальности и, среди прочего, термотерапия при проблемах с жарой.
Исследователи тщательно изучают различные типы носимых тепловых устройств. В частности, мягкая робототехника и одежда с жидкостным охлаждением выделяются своей способностью естественным образом приспосабливаться к человеческому телу.
В одежде с жидкостным охлаждением, которая уже используется гонщиками, хирургами, химиотерапевтами, пациентами с рассеянным склерозом и спортсменами, используются трубки, встроенные в одежду, для циркуляции прохладных или теплых жидкостей через насос для изменения температуры тела. Однако для обеспечения электропитанием этих систем требуется громоздкое и шумное оборудование, что делает их очень неудобными.
В последнее время в качестве носимых устройств все больше внимания уделяется электрогидродинамическому (EHD) насосу, который перекачивает жидкости путем введения зарядов внутрь жидкости и перемещения их с помощью электрического поля. Насос EHD бесшумен, легок и обеспечивает более высокую скорость потока, чем другие насосы.
Сочетание насоса EHD с мягкими трубками, которые легко принимают форму человеческого тела, открывает уникальные возможности для создания компактных и бесшумных носимых устройств терморегулирования. Однако эти мягкие трубки могут переставать подавать воду из-за залома, что требует мониторинга в реальном времени и, следовательно, дополнительного оборудования и источников питания.
Чтобы решить эту проблему, команда исследователей из Японии, возглавляемая аспирантом Ю. Кувадзимой с факультета инженерных наук и механики Технологического института Сибаура, разработала инновационный карманный электрогидродинамический насос (PSEP) для одежды.
«Наше инновационное устройство с его компактным и стильным дизайном преодолевает ограничения по размеру и внешнему виду, связанные с традиционными носимыми устройствами охлаждения и обогрева, в то время как его способность самостоятельно определять скорость потока повышает надежность системы без необходимости в каком-либо дополнительном оборудовании», – объясняет Кувадзима.
В команду входили Юхей Ямада и Синго Маэда из Токийского технологического института, Наоки Хосоя из Технологического института Сибаура и Ясуаки Какехи из Токийского университета. Их исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Ключевой инновацией PSEP является модель автоматического определения расхода в насосах EHD. Эта самочувствительная модель использует изменения тока между электродами PSEP для измерения скорости потока. Если какая-либо нагрузка меняет скорость потока, ток через электроды изменяется. Это изменение тока затем можно использовать для измерения скорости потока внутри самого устройства.
Команда экспериментально проверила свою модель и обнаружила, что результаты согласуются с теоретическими расчетами. Более того, их испытания показали, что PSEP может регулировать температуру до 3°C, что значительно повышает личный комфорт.
Используя эту модель, команда создала компактное устройство PSEP, которое помещается в обычный карман рубашки и является стильным и незаметным терморегулятором. Кроме того, он оснащен интуитивно понятным интерфейсом для смартфона для беспрепятственного беспроводного управления и мониторинга. Также его способность обнаруживать и уведомлять пользователей о неисправностях посредством самообнаружения обеспечивает эффективную работу и длительный срок службы. В будущем команда планирует интегрировать в PSEP такие новшества, как самовосстанавливающиеся жидкости и более современные и технологичные материалы, чтобы повысить его устойчивость.
«Носимые технологии следующего поколения могут выйти за рамки простых гаджетов и по-настоящему изменить нашу жизнь», — говорит Кувадзима. «Главное заключается в достижении как миниатюризации, так и расширенной функциональности. Наши исследования знаменуют начало этого захватывающего пути, прокладывая путь в будущее, в котором технологии органично интегрируются в нашу повседневную жизнь, делая ее богаче и комфортнее».