Interaktivna odjeća - pametno dugme

Uvod

Kao što povijest tekstila i odjeće ukazuje na promjene u kulturi i tehnologiji, tako se mijenja i svrha odjeće odnosno odjevnih predmeta. Donedavno je za odjeću bilo bitno pratiti modne trendove, a nakon 20-og stoljeća sve više dolazi do izražaja potreba za multipliciranjem funkcionalnosti odjeće. Tehnološki napredak, posebno u informacijskoj i komunikacijskoj tehnologiji, potpuno je promijenio životni stil i potrebe civiliziranog čovjeka današnjice pa je za očekivati da uloga i funkcija odjeće također doživi velike i radikalne promjene. Jezgra i začetak tih promjena je upravo pametni tekstil. Iz perspektive modernog doba, pametni tekstil se definira kao kombinacija tekstilnog materijala i elektroničke tehnologije čija je svrha povećati čovjekovu adaptaciju okolišu. Već 2000. godine pojavljuju se izrazitije najave i prve konkretizacije takozvane pametne odjeće. Od tada pa do danas proizvedeni takvi odjevni predmeti, koji nose privlačan naziv pametna odjeća, mogu se ocijeniti samo kao rani početak budućeg razvoja. Ti su odjevni predmeti zadržali konvencionalni izgled, ali je na njih pridodano i ugrađeno više minijaturnih elektroničkih uređaja i/ili komponenti koji se već koriste u svakodnevnom životu, a nastali su kao posljedica intenzivnog tehničko-tehnološkog razvoja elektronike, posebno minimiziranjem elektroničkih komponenti [1]. Ovakvim pristupom i promjenama u funkcionalnosti odjevnih predmeta, modni trendovi se više neće stvarati u modnim salonima i ateljeima već će se razvijati u istraživačkim laboratorijima i proizvodnim pogonima. Budući da suvremeni mladi ljudi žele nadmašiti sami sebe, da osjećaju kako mogu učiniti sve, bilo gdje, na poslu, kod kuće ili u kretanju, trebaju im uvijek dostupni prijenosni i osobni ( portable and personal) proizvodi visoke tehnologije koji se najuspješnije mogu nositi i koristiti ako su integrirani u odjevni predmet [2]. Nažalost, pametna odjeća je danas tek u svojim počecima primjene i još uvijek vrlo skupa. To joj znatno ograničava područje primjene, ali postoje određene skupine korisnika za koje se može započeti s proizvodnjom takvih odjevnih predmeta i koji su u mogućnosti platiti visoku cijenu za pogodnosti i prednosti koje donosi uporaba takve odjeće.

Ovakve nove smjernice u razvoju tekstila i odjeće, koje zahtijevaju brzu preobrazbu tekstilne i odjevne proizvodnje u područje visokih tehnologija uvjetuju ponovno oživljavanje proizvodnje odjeće u zemljama Europske unije. Stoga razvijene zemlje u proizvodnji pametne odjeće vide mogućnost novog razvojnog smjera za rast i oživljavanje svojih industrija (elektronike, elektrotehnike, uređaja široke potrošnje, tekstila i odjeće), kao i priliku za otvaranje novih tržišta te porast zaposlenosti [3].

Razvoj pametne odjeće predstavlja i značajnu mogućnost opstanka hrvatske odjevne i tekstilne industrije. Hrvatska ima velike potencijale za proizvodnju takve vrste odjeće, jer već ima modernu odjevnu industriju, visoku proizvodnu kulturu, znanje i iskustvo, kao i vrlo obrazovanu radnu snagu, jednu od najobrazovanijih u svim tranzicijskim zemljama ovog dijela Europe [4].

Pametni tekstil i pametna odjeća – spoj tekstilnog materijala i elektronike

Pojava mobilnih uređaja i minijaturnih elektroničkih uređaja ima veliki utjecaj na moderan život ljudi. Kako se javljala potreba da ljudi takve prenosive uređaje stalno nose sa sobom, tako se mijenjala i odjeća. Prva 'pametna odjeća' imala je samo prostor (džepove) za prijenos elektroničkih uređaja, a poneka i ugrađene vodiče za slušalice (primjerice za MP3 uređaji). Zatim se pojavljuje odjeća koja u sebi sadrži već integrirane elektroničke uređaje. Pređa i konac sa metalnim ili metaliziranim vlaknima, koje mogu služiti kao električni vodovi, upletena je, utkana ili ušivena u tekstilni materijal, a uređaji poput MP3 uređaja se priključuju na odjeću preko izvedenih konektora [5]. Takvi proizvodi sve više dobivaju na popularnosti na tržištu tekstila. Međutim, to još ne znači da su elektronička i tekstilna tehnologija u potpunosti integrirane. Izraz pametna odjeća doslovce znači da pređa (vlakna) trebaju predstavljati senzor ili pogon za obavljanje funkcije koju korisnik želi, te da odjeća i okolina moraju interaktivno komunicirati i pružati usluge korisniku. Za ostvarenje ovog cilja potrebno je razviti novu tehnologiju, koja može integrirati i spojiti elektroničke proizvode sa vlaknima odnosno koncima.

Pretpostavlja se da bi pametni odjevni predmet trebao izgledati kao normalna odjeća, a dodatne komponente kao tradicionalne komponente odjeće, odnosno biti sakrivene ili biti tako male da ih se ne uočava. Dijelovi odjeće poput dugmadi, zakovica i patentnih zatvarača omogućuju integraciju novih elemenata kao što su integrirani strujni krugovi i senzori. Integralni dijelovi mnogih odjevnih predmeta, poput manžeta, ovratnika i šavova daju prostor za ugradnju i skrivanje takvih komponenata. Direktna veza ili integracija u odjevni predmet je prihvatljiva ukoliko su komponente male i dovoljno fleksibilne, neprimjetne oku i ako ne iritiraju nositelja. Npr. bila bi prednost da se komponente upredu s vlaknima umjesto da se pričvršćuju kao pločice strujnih krugova što je njihov današnji standardni oblik. U tom slučaju bi se komponente u obliku vlakana mogle direktno utkivati u tkaninu bez potrebe da se pričvršćuju kao odvojeni elementi. Spomenute fleksibilne pločice sa strujnim krugovima i pločice na odjeći koraci su u pravom smjeru, ali još uvijek daleko od idealnih [6]. Tekstilnim materijalima potrebno je omogućiti da imaju potrebna električna svojstva za prijenos električnih signala i energije i mogućnost ugradnje senzora i električnih sklopova. Zato se dijelom pretvaraju u električne vodiče. To se postiže ugradnjom električki vodljivih niti. Zato je jako važno poznavati električne karakteristike vodljivih niti. Potrebno je proučiti utjecaj anizotropije tkanine i utjecaj finoće elektrovodljivih niti utkanih u tkaninu na promjenu vrijednosti električnog otpora. Ta istraživanja su pokazala da se pri istezanju elektrovodljive tkanine vrijednosti električnog otpora se smanjuju s porastom finoće elektrovodljive pređe [7].

Također je važno naglasiti da na promjene električnog otpora vodljivih niti osim mehaničkih utjecaja značajnu ulogu ima i djelovanje topline. Osim vanjskih izvora topline na vodljive niti djeluje i toplina koja se razvija protokom električne energije kroz njih. Ukupni otpor vodljivih niti u tkanini se značajno mijenja kada je tkanina zagrijana. Stoga je potrebno obratiti više pažnje na ovu karakteristiku vodljivih niti kod projektiranja e-tekstila [8].

Tijekom proizvodnje, a posebno upotrebom e-tekstila dolazi do mehaničkog djelovanja na ugrađene električne i elektroničke komponente, i to prvenstveno na vodiče od vodljive pređe što uzrokuje promjene njihovih električnih karakteristika. Djelovanja vlačnih sila na e-tekstil uzrokuju promjene u električnoj vodljivosti vodljive pređe [9]

Elektrotekstilna infrastruktura

Da bi električni uređaji mogli funkcionirati u tekstilnoj odjeći i da bi se ostvarila njihova zajednička funkcionalnost, potrebno je projektirati i konstruirati elektrotekstilnu infrastrukturu. Elektrotekstilna infrastruktura se može podijeliti u dvije grupe, u skladu s područjem primjene:

- mikro infrastruktura za povezivanje komponenti na relativno malom prostoru

- makro infrastruktura za međusobno povezivanje više podsustava u cijeloj odjeći, odnosno odjevnom predmetu

Elektrotekstilna mikro infrastruktura

Mikro infrastruktura u tekstilnim proizvodima predstavlja ekvivalent tiskanoj pločici u elektroničkim proizvodima, a služi za povezivanje pojedinih elektroničkih elemenata. Najveći dio mikro infrastrukture može se sastaviti na jednom komadu tkanine koji se onda prišiva na odjevni predmet. Mikro infrastruktura ne utječe značajno na dizajniranje odjeće jer zauzima samo mali prostor lokalnog područja (najčešće rukava). Kod mikro infrastrukture najčešću primjenu nalazi vodljivi tisak korištenjem vodljve tinte. Za masovnu proizvodnju teoretski je ova metoda najbolja. Primjer izrade takve mikro infrastrukture prikazan je na slici 1. Nažalost, nedostatak ove metode je neotpornost na fizičke promjene u obliku i formi. Ako se deformacije materijala ponove, stvaraju se na površini pukotine koje predstavljaju prekid vodljivosti i time onemogućuju funkciju.

Sl. 1 Mikro infrastruktura vodljivom tintom na tkanini

Elektrotekstilna makro infrastruktura

Makro infrastruktura u odjevnom predmetu međusobno povezuje razne elektroničke objekte raširene unutar odjeće, te pritom tvori integrirani sustav. Kako se na slici 2 vidi, makro infrastruktura prelazi granice jednog elementa odjeće i međusobno povezuje mikro infrastrukturu.

Sl. 2 Makro infrastruktura odjevnog predmeta

Iz priloženog je jasno da na taj način makro infrastruktura utječe na cijeli proces proizvodnje odjeće, od odabira prikladnog materijala sve do šivanja i dorade. Za makro infrastrukturu koristi se nekoliko metoda:

a) Tkane vrpce

Tkana vrpca je slična plosnatom kabelu u elektroničkoj industriji, a u njoj je paralelno utkano nekoliko vodljivih niti pređe ili konca. (sl. 3a), ili se trake u potpunosti tkaju odnosno pletu od vodljive pređe pa cijela vrpca služi kao jedan vodič (sl. 3b).

a)	b)

Sl. 3 Izvedbe tkanih traka i vrpci: a) t raka s utkanim vodljivim nitima; b) tkane ili pletene vodljive vrpce

Takva traka prišiva se ili na drugi način učvršćuje s unutarnje strane odjevnog predmeta na potezima između predviđenog smještaja mikro infrastrukturalnih elemenata.

b) Šivanje i vezenje

Vodljiva pređe se ušivaju na prostoru između mikro infrastrukturalnih točaka, a najčešće se koriste trase već predviđenih mjesta za spajanje odjevnih elementa (šavovi). U ovoj se metodi koriste se pređe i konci sa metalnim vlaknima ili sa nanešenim metalnim česticama. Pređe sa metalnim vlaknima su kruće od običnog konca i stvaraju teškoće u vezenju. Lakše se veze koncima sa nanešenim metalnim česticama nego metalnim koncima, ali nedostatak takvih konaca je gubitak vodljivosti tijekom pranja.

Projekt Pametno dugme

Kako Sveučilište u Zagrebu Tekstilno-tehnološki fakultet u suradnji s tekstilnim gospodarstvom želi i uspijeva slijediti i pratiti svjetska dostignuća na području tekstilne tehnologije, prije nekog vremena pokrenut je interni projekt na području pametne odjeće koji će biti u praktičnoj primjeni u ulaznom prostoru fakulteta. Cilj projekta je olakšati pristup podacima o fakultetu za posjetioce, suradnike, studente i goste fakulteta neposrednim kontaktom s pametnom odjećom umjesto dosadašnjeg informacijskog stupa. Ujedno, projektom će se signalizirati domaćem tekstilnom gospodarstvu da je nužnost krenuti u ovakve tehnološke projekte ako želimo zadržati korak sa razvijenim svijetom.

Osnovni elementi projekta

Projekt je planiran kao predstavljanje jednog od oblika interaktivne pametne odjeće. Kao interaktivni elementi predviđena su dugmad pomoću kojih se (daljinskim sustavom) upravlja PC računalom. U konkretnom slučaju navedeni projekt služiti će kao upravljačka jedinica za informativni stup (totem) na ulazu fakulteta.

Projekt se sastoji od slijedećih osnovnih elemenata:

specijalno obrađena dugmad koja registriraju pritisak prstom i prenose električni signal u lokalnu procesorsku jedinicu

procesorska jedinica za obradu primljenih podataka s dugmadi

IR predajnik za bežično odašiljanje podataka

blok napajanja sustava pametne odjeće

IR prijemnik za prijem podataka na PC računalu

PC računalo s adekvatnim software-om za prijem i obradu signala te prikaz podataka

prezentacijska lutka na koju je postavljena pametna odjeća

muški/ženski sako sa ugrađenom dugmadi, elektronskim vezama, procesorom, napajanjem i predajnikom

Konstrukcija pametnog dugmeta

Za konstrukciju dugmeta koje će registrirati pritisak prstom (i taj signal prenjeti lokalnoj procesorskoj jedinici) upotrijebljeno je gotovo dugme s udubljenjem (sl. 4a), mikrotaster (sl. 4b), epoksidno ljepilo i na kraju pokrov od tkanine s (vezenom oznakom funkcije) kojom je cijeli sklop presvučen.

a)	b)	c)

Sl. 4 Konstrukcijski elementi i izgled „pametnog dugmeta“: a) primjenjeni oblik dugmeta; b) mikrotaster; c) mikrotaster ugrađen u dugme

U konačnici, osnovni element projekta, „pametno dugme“, izgleda kao što je prikazano na slici 4c. Vodovi (žice) sa svih petero dugmadi se nakon prišivanja dovode na 7-pinski mini-DIN konektor kojim se, u unutrašnjosti sakoa, ostvaruje povezivanje s procesorskom jedinicom

Procesorska jedinica

Za procesorsku jedinicu odabrana je i nabavljena već gotova, predprogramirana procesorska jedinica daljinskog upravljača za PC koja je zbog svojih malih dimenzija, izrazito male potrošnje energije i predviđena za bežični prijenos, bila idealna za ugradnju u ovaj projekt. Cijela jedinica je smještena na malom komadu tiskane pločice uzdužnog oblika koji je za ovu priliku ušiven u tkaninu sa čičak trakom na jednoj strani. Iz tkanine izlaze samo konektori za izlazno ulazne elemente. Ovakvo prilagođavanje je bilo nužno jer je ovu jedinicu potrebno izvaditi prije pranja odjevnog predmeta. To se radi jednostavnim odspajanjem konektora i odvajanjem sa čičak-trake.

IR predajnik

Sl. 5 IR predajnik

Na odjevni predmet postavlja se još i IR predajnik (sl. 5) koji je također vrlo prikladan zbog svojih dimenzija (ϕ 5 mm), a predviđeno je da se ušije u (ili ispod) ovratnika sakoa.

Predajnik je dozvoljeno prati pa se slobodno fiksno ušiva u sako.

Blok napajanja

Preostali element koji je potrebno ugraditi u sako je napajanje procesorske jedinice. Napajanje se može izvesti na dva načina. Prvi je način sa dugmastom baterijom CR3025 čije kućište (sl. 6) zauzima iznimno mali prostor i koje također može biti učvršćeno pomoću čičak trake na prikladnom mjestu unutrašnjeg dijela sakoa.

Sl. 6 Kućište za dugmastu bateriju

Drugi način je pomoću dvije standardne AAA baterije čije je ležište mnogo veće (sl. 7) i zahtjeva smještaj bilo u unutrašnji ili vanjski džep sakoa.

Sl. 7 Ležište za AAA baterije

Za ovaj slučaj odabrano je veće kućište iz razloga značajno duljeg vijeka baterija. Na kućište baterija dodatno je ugrađen mikroprekidač kojim se cijeli sustav uključuje odnosno isključuje.

Informacijski stup

Na udaljenosti od 5 m (maksimalni domet upotrebljenog IR predajnika je 8m) postavljen je informacijski stup (totem) koji sadrži PC jedinicu s velikim monitorom i priključenim IR prijemnikom za prijem i detekciju signala sa IR predajnika na ovratniku sakoa.

Da bi sustav radio kao funkcionalna cjelina na računalu je izrađen poseban namjenski software koji obrađuje signal sa IR prijemnika, te na monitoru otvara i prikazuje odgovarajući sadržaj.

Sklapanje elemenata u funkcionalnu cjelinu

Na slici 8 prikazana je blok shema spajanja svih elemenata u funkcionalnu cjelinu. Za spajanje elemenata su u ovom slučaju korišteni standardni žičani vodovi uslijed potrebe za većom robusnošću zbog same namjene projekta, kao i zbog toga jer odjevni predmet u ovom projektu nije predviđen za odijevanje ljudi.

Sl. 8 Blok shema sustava „pametno dugme“

Za slične individualne potrebe ti žičani vodovi se jednostavno mogu supstituirati sa vodljivim koncem. U tom slučaju moguće je iskoristiti postojeće šavove kao vodiče.

Da bi cijeli sustav funkcionalno djelovao, odabrane su odgovarajuće funkcije za „pametnu dugmad“ kako je prikazano u tablici 1.

Tab. 1 Pozicije, oznake i funkcije „pametne dugmadi“

Pozicija dugmeta	Prvo	Drugo	Treće	Četvrto	Peto
Ikona
Funkcija	Na početak	Pomak prema gore	Izvrši	Pomak prema dole	Vrati za jedan korak

Kod spajanja, prvo se na pripremljenu čičak traku postavlja procesorska jedinica i konektorima povezuje sa „pametnom dugmadi“, IR predajnikom i blokom napajanja. Sako se tada postavlja na lutku – nosač i zakopčava. Pritom se pazi da IR – predajnik u ovratniku bude usmjeren prema poziciji gdje je smješten IR prijemnik. Sada je moguće uključiti „pametnu dugmad“ na sakou pomoću prekidača na bloku napajanja, te pokrenuti program „PametnoDugme“ na računalu. Nakon sklapanja, u stvarnosti, cijeli sustav izgleda kao na slici 9.

Sl. 9 Odjevni predmet sa sklopljenim i funkcionalnim sustavom „pametno dugme“

Software informacijskog stupa

Software je projektiran i konstruiran tako da ima tri temeljna prikaza:

1. Početni prikaz za izbor jezika (zastavice)

2. Izbornik za pregled podataka o osobi/prostoru

3. Prikaz podataka o izabranom prostoru/osobi

Kod početnog prikaza korisnik bira jezik prikazivanja, a trenutno su mu na raspolaganju samo hrvatski i engleski jezik. Kao rezultat, korisniku se na odabranom jeziku otvara izbor za dobivanje podataka o prostoru ili osobi. Ako korisnik odabere prostor, vrši izbor jedne od prostorija/kabineta gdje se kao rezultat prikazuje namjena prostorije, osobe smještene u njoj kao i smjerokaz na planu zgrade kako doći do te prostorije. Slika 10 pokazuje kako to izgleda na monitoru informacijskog stupa.

Sl. 10 Ekranski prikaz izbora podataka o osobi

Ako je na prethodnom prikazu korisnik odabrao osobe umjesto prostorija, prikazati će mu se popis zaposlenika gdje će se, izborom željene osobe, na monitoru prikazati podaci o prostoru gdje se odabrana osoba nalazi. Svaki izbor se izvršava tako da korisnik pritiskuje dugmad „Gore“ ili „Dole“ i na odabranoj stavci pritisne na dugme „Izvrši“. Nakon završetka korištenja, kao i cijelo vrijeme dok niti jedan korisnik ne koristi sustav (nijedno dugme nije aktivirano tijekom 60 sekundi) software automatski prebacuje na prikaz zadane prezentacije (fakultet, sponzor, plaćeni oglasi). Prezentacija se momentalno prekida kada korisnik pritisne na bilo koje dugme i na monitoru se otvara početni prikaz – izbor jezika. Na taj način informacijski stup ispunjava dvostruku ulogu: reklamnu i informacijsku interakcijom sa odjevnim predmetom.

Zaključak

Tekstil i odjeća sve više postaju platforme za postavljanje i kombiniranje različitih senzora, medija i uređaja širokog raspona primjene. U području mikro tehnologija se kontinuirano razvijaju sve manji elementi koji omogućuju gotovo nevidljivu instalaciju opreme za inteligentne funkcije u klasične odjevne proizvode. Ovaj projekt je jasno pokazao da se izradom i proizvodnjom pametne odjeće više neće baviti samo odjevni i tekstilni inženjeri nego će morati raditi zajedno sa stručnjacima različitih profila i područja poput inženjera elektronike, elektrotehnike, strojarstva, informatike i fizike, komunikacija, itd.

Projekt pametno dugme je primjer jednog takvog funkcionalnog pametnog proizvoda-odjeće, a njegov razvoj pokazuje da će nove generacije inteligentne odjeće potaknuti razvoj novih mogućnosti ne samo u industriji tekstila i odjeće nego i u svim ostalim pratećim djelatnostima.

Ovaj projekt je namjerno izveden na jednostavan način i sa široko dostupnim materijalima i elementima, u cilju da se na taj način potakne hrvatska tekstilna industrija i usmjeri prema polju visokih tehnologija. Hrvatska ima modernu odjevnu industriju, proizvodnu kulturu, znanja i iskustva, te kvalitetno obrazovanu radnu snagu što joj daje značajnu prednost za proizvodnju odjeće s integriranim funkcionalnim napravama (koje među ostalim, prate tjelesne funkcije ili stvaraju osjećaj ugode), dakle s većom dodanom vrijednošću.

Literatura