ケンブリッジのクールな新発明：布を丸めるとディスプレイ画面になります！

執筆者: ウー・ティンティン

編集者：コウ・ジェンチャオ

ある朝、昨夜設定した5番目のアラームで目が覚めます。目の前のカーテンには、その日の天気、交通情報、その他の情報が表示されます。ベッドから出る前に、キルトに表示された睡眠と健康の指標を確認できます。携帯電話をカーペットの上に置くと充電できます。衣服自体がタッチスクリーンとして機能し、いつでもどこでも作業を行うことができます...

これはSF小説のワンシーンのようですね？

いや、いや、いや！現在、ケンブリッジ大学の研究チームがこれらすべてを現実のものにする可能性があります。

彼らは、スマートセンサー、LEDディスプレイ、電力収集と貯蔵を繊維に直接統合した、繊維ベースのスマートディスプレイスクリーンを開発しました。リアルタイムでグラフィック情報を表示したり、インタラクティブにタッチしたりできるだけでなく、自由に曲げたり折りたたんだりすることもできます。 「一枚の布がディスプレイスクリーンです。」

図 |スマートテキスタイルディスプレイは、自由に折りたたんだり、曲げたり、丸めたりすることができます（画像提供：Nature Communications）

この技術は、スケーラブルな大面積の複雑なシステムを繊維に統合するために、初めて完全に繊維ベースの製造方法を使用していると報告されています。日常の物品に統合され、大規模な機械生産に直接投入される大きな可能性を秘めています。

「大規模スマートホームおよびIoTアプリケーション向けの多機能ファイバーデバイスを備えたスマートテキスタイル照明/ディスプレイシステム」と題された関連研究論文が、科学誌「Nature Communications」に掲載されました。

繊維 = 電子ディスプレイ

「スマートホーム」や「モノのインターネット」などの概念が普及するにつれ、スマートテキスタイルは科学者の注目の的の一つとなっています。

街や路地のいたるところで見かける繊維が、さまざまな電子機器の役割を果たすことができれば、私たちの生活はきっともっと便利でクールなものになるでしょう。

しかし、現時点では、スマートテキスタイルの機能、サイズ、形状は製造プロセスによって依然として制限されており、この需要を満たすことができません。

近年、関連する研究では、特定の特殊な「スマート繊維」を、伝統的な織りや編みのプロセスを通じて繊維に直接組み込むことができることが示唆されています。成功すれば、日常的な物品に使用できるようになり、スマートテキスタイルの潜在的な用途が大幅に拡大することになります。

この研究では、研究チームはF-devicesと呼ばれるインテリジェント繊維システムの開発に成功しました。プロトタイプデバイスは約46インチです。見た目は普通の布地と変わりませんが、電子ディスプレイ画面として操作でき、無線周波数信号、温度、光、タッチ情報、バイオセンサー情報をリアルタイムで監視・表示することができます。電気を自動的に収集・蓄電することもできます。

図｜スマートテキスタイルディスプレイ画面表示（画像出典：Nature Communications）

同時に、商業的な繊維製造技術を直接利用し、原料が繊維繊維であるため、自由に丸めたり折りたたんだりすることができ、従来のスマート繊維では実現が難しかった柔軟性と強靭性を備えています。

図 |繊維ベースのスマートディスプレイ（出典：Nature Communications）

研究チームは、今回製作したプロトタイプディスプレイは、スマートビルや省エネビルなどの分野に関係する可能性のある次世代の電子繊維アプリケーションへの道を開くものだと述べた。たとえば、スマートテキスタイル技術を使用した建物は、独自にエネルギーを生成し、蓄えることができます。

さらに、モノのインターネット、分散型センサーネットワーク、繊維と統合された柔軟でウェアラブルなインタラクティブディスプレイも大きな前進を遂げるでしょう。

複数の機能が 1 つにまとめられていて、とてもクールです!

それで、このシステムはどのように実装されるのでしょうか?

まず、研究チームは、F-RFアンテナ、F-光検出器、F-タッチセンサー、F-温度センサー、F-バイオセンサーモジュール、F-エネルギー貯蔵モジュールの6つの主要なファイバーコンポーネントを統合し、RGBファイバーを原料として使用して、ディスプレイ画面の複数の機能を実現しました。

図 | a) F デバイスに組み込まれた 6 つの主要コンポーネント。 b) システムは工場内で機械織物技術を使用して直接織られます。 c) プロトタイプのインテリジェント繊維システム（出典：本論文）

中でも光電検出器や温度センサーは環境モニタリングに使用されます。入力信号（紫外線照射など）を受信すると、スマートディスプレイ画面に現在の情報がリアルタイムで表示されます。

図 |研究チームは紫外線を使って光学センサーを照らし、ディスプレイ画面にそれに応じた情報を表示した（画像出典：Nature Communications）

図 |スマートテキスタイルディスプレイはリアルタイムで温度変化を監視し、現在の温度変化をグラフ形式で表示します（グラフィックソース：Nature Communications）

バイオセンサーは人体のさまざまな指標を検出するために使用されます。

実験中、スタッフはシステムを使用して自分の心拍を読み取り、ディスプレイには心電図がリアルタイムで表示されました。

図 |スマートテキスタイルディスプレイが心拍をモニターし、心電図をリアルタイムで表示します（画像提供：Nature Communications）

タッチ センサーは、各光ファイバー デバイスを操作するように設計されており、タッチを受信すると、事前にコード化された一連の指示をテキスタイル ディスプレイに表示します。実際のアプリケーションを実現するために、研究チームはスマート ガジェットとモノのインターネットに関連する 30 の実行用語も追加しました (下の図の左側の表)。

図 |タッチセンサーは異なる入力信号を受信すると、対応する指示をトリガーし、ディスプレイに表示します（グラフィックソース：Nature Communications）

さらに、研究チームはこのスマートテキスタイルディスプレイに電力収集および蓄電モジュールを統合し、ディスプレイが 5 分間独立して電力を供給できるようにしました。

図 |蓄電モジュールはディスプレイ画面に電力を供給しており、その持続時間は約 5 分です (画像提供: Nature Communications)

将来素晴らしいことが起こるかもしれない

優れた機能の実現に加えて、研究チームはスマートディスプレイを織りのプロセスと完璧に統合するために、繊維製造機械で直接使用できるように、十分な伸縮に耐えられる素材で各繊維コンポーネントをコーティングしました。

さらに、スマートディスプレイの信頼性と耐久性を向上させるために、研究チームはいくつかの繊維ベースのコンポーネントも編み込みました。 1,000回の機械的・電気的安定性試験および防水試験を実施した結果、光ファイバー部品に機械的損傷はなく、性能偏差は安定した範囲内に維持されていることが判明しました。

図 |研究チームはFデバイスの防水性をテストした（画像提供：Nature Communications）

最後に、研究チームは導電性接着剤とレーザー溶接技術を使用して複数の光ファイバー部品を接続し、標準的なスケーラブルな繊維製造プロセスを通じて複数の機能を大きなロボット繊維に統合することに成功しました。

この点について、ケンブリッジ大学工学教授であり、この研究のリーダーの一人であるジョンミン・キム氏は次のように述べた。

「当社のアプローチは、マイクロテクノロジーとナノテクノロジー、先進的なディスプレイ、センサー、エネルギー、産業用繊維製造の融合に基づいており、持続可能で便利な電子繊維と電子繊維を日常の用途に最大限活用するための重要な一歩です。」

現在、研究チームは技術の持続可能性を向上させる方法とそれを日常の物に適用する方法を研究し続けており、持続可能な材料を繊維部品に統合して新しいタイプの繊維ベースのエネルギーシステムを提案する取り組みを行っています。

これらの柔軟で実用的なスマートテキスタイルは、最終的にはバッテリー、スーパーキャパシタ、ソーラーパネル、その他のデバイスに利用できるようになります。

もう一人の研究リーダーであるケンブリッジ大学工学教授ルイジ・オッキピンティ氏は次のように述べた。

「ファイバーベースの電子、光子、感知、エネルギー機能を統合することで、まったく新しいクラスのスマートデバイスと統合システムを実現できます。この研究は繊維製造の可能性を深く探究するものであり、これを通じて、私たちの日常の物や他の多くの産業アプリケーションにシームレスに統合できるエネルギー自律型スマートIoTデバイスがまもなく登場するでしょう。」

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参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28459-6#Fig4

https://www.techexplorist.com/full-woven-smart-display/44664/

https://techxplore.com/news/2022-02-scientists-full-wooven-smart.html

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