Η τελευταία λέξη της… τεχνολογίας στα υφάσματα

Στην εποχή της τεχνολογίας και των μεγάλων δεδομένων, ακόμη και τα υφασμάτινα προϊόντα ενδέχεται να αλλάξουν μορφή. Στο μέλλον, η πλέξη και η ύφανση των ενδυμάτων που φοράμε καθημερινά θα μπορεί να κρύβει μικροσκοπικούς επεξεργαστές οι οποίοι θα συνδέουν τη δραστηριότητα του ανθρώπου με τον υπολογιστή, ενώ έξυπνα υφάσματα τα οποία θα καλύπτουν τις επιφάνειες των κτιρίων θα μπορούν να συλλέγουν ηλιακή ενέργεια. Το ΒΗΜΑ-Science συνομίλησε με τον Γεώργιο Πρινιωτάκη, καθηγητή στο Τμήμα Μηχανικών Βιομηχανικής Σχεδίασης και Παραγωγής του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής και διευθυντή του Εργαστηρίου Σχεδίασης και Ανάπτυξης Πλεκτών Καινοτόμων Προϊόντων Κλωστοϋφαντουργίας, ο οποίος  αποκαλύπτει τον μαγικό κόσμο των «έξυπνων» υφασμάτων και εξηγεί με ποιον τρόπο η τεχνολογία… συνυφαίνεται με τα ενδύματα καθιστώντας τα πρωτοποριακά για δεκάδες εφαρμογές.

Η τεχνολογία των
«έξυπνων» υφασμάτων

Οταν αναφέρεται κανείς σε «έξυπνα» υφάσματα, δεν εννοεί φυσικά υλικά τα οποία έχουν κάποιου είδους νοημοσύνη, αλλά προϊόντα τα οποία έχουν ενσωματωμένους αισθητήρες οι οποίοι λειτουργούν ως διαμεσολαβητές ανάμεσα στο ανθρώπινο σώμα και στον υπολογιστή. «Τέτοια προϊόντα μπορεί να είναι το ένδυμά μας ή πιο συγκεκριμένα το εσώρουχο μας, αφού αυτό είναι ο καλύτερος μεσολαβητής μεταξύ του ανθρώπινου σώματος και του περιβάλλοντος» εξηγεί ο δρ Πρινιωτάκης. «Ενα προϊόν όπως το ύφασμα, το οποίο μετατρέπεται με σύγχρονες τεχνολογίες σε αγωγό ή ημιαγωγό – δηλαδή επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρικής ενέργειας -, καθιστά εφικτή τη διέλευση ασθενών ηλεκτρικών σημάτων μέσω του υφάσματος. Τα σήματα αυτά συλλέγονται και ενισχύονται από ειδικούς ενισχυτές ώστε να αξιοποιηθούν από τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές και να έχουμε μία υποτυπώδη επιτήρηση των λειτουργιών του ανθρώπινου σώματος». Τα δεδομένα τα οποία συλλέγονται από τους ηλεκτρονικούς αισθητήρες που είναι ενσωματωμένοι στο ύφασμα αφορούν το εξωτερικό περιβάλλον αλλά και τη λειτουργία  του ανθρώπινου σώματος. Ειδικοί αλγόριθμοι επεξεργάζονται τα δεδομένα αυτά και «εκτιμούν» εάν ένας άνθρωπος διατρέχει κάποιον κίνδυνο ή βρίσκεται σε ένα βλαβερό περιβάλλον. «Πρόκειται ουσιαστικά για μία σειρά αυτοματισμών οι οποίοι βρίσκονται ενσωματωμένοι στα σύγχρονα υλικά. Οι καταγραφές μπορούν να αφορούν την εξωτερική θερμοκρασία, την ποιότητα οξυγόνου ή άλλες παραμέτρους του περιβάλλοντος. Στο εργαστήριό μας έχουμε αναπτύξει ιδιαίτερες τεχνικές για να δημιουργούμε και να ενσωματώνουμε αυτούς τους αισθητήρες σε συγκεκριμένα σημεία του ενδύματος. Τέτοιου είδους ενδύματα μπορούν να είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για ιατρικούς σκοπούς, στον αθλητισμό αλλά και στις καθημερινές δραστηριότητες. Ετσι, παραδείγματος χάριν, όταν ένας άνθρωπος χάνει την ισορροπία του, ένα γυροσκόπιο καταγράφει την απότομη αλλαγή της κλίσης του σώματος και στέλνει αυτή την πληροφορία σε έναν απομακρυσμένο υπολογιστή» αναφέρει ο ερευνητής. Οπως σημειώνει ο ίδιος, αυτό μπορεί να γίνει ήδη με ένα έξυπνο ρολόι, όμως σε αυτή την περίπτωση ο χρήστης θα πρέπει να θυμάται να το φοράει συνεχώς. Αυτό δεν ισχύει στην περίπτωση των ενδυμάτων, τα οποία αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινής ζωής.

Σημαντικές
εφαρμογές

Τα σήματα τα οποία μεταδίδονται από τα «έξυπνα» υφάσματα δεν χρησιμεύουν μόνο στην προειδοποίηση του χρήστη για μία επικίνδυνη κατάσταση, αλλά θα μπορούσαν δυνητικά να επάγουν και αλλαγές στη δομή του υφάσματος. «Με τη χρήση αλγορίθμων επιχειρούμε να τροποποιήσουμε διάφορες ιδιότητες του υφάσματος. Μία ιδιότητα η οποία θα μπορούσε, παραδείγματος χάριν, να τροποποιηθεί είναι η αεροδιαπερατότητα, δηλαδή η ροή του αέρα που διέρχεται μέσω του ενδύματος. Ενδύματα τα οποία είναι κατασκευασμένα από πολυμερή υλικά μπορούν να έχουν τη λεγόμενη «μνήμη σχήματος», δηλαδή να προσαρμόζουν το σχήμα τους υπό ορισμένες συνθήκες (θερμοκρασία, οξύτητα, υγρασία, φως) και να επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση όταν εκλείψουν οι συνθήκες αυτές. Σε τέτοιου είδους υλικά μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια η ροή του αέρα και να μεταβληθεί. Ετσι, ένα ρούχο μπορεί να γίνει καλοκαιρινό ή χειμωνιάτικο ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο εξωτερικό περιβάλλον».

Η ανάπτυξη τεχνολογιών οι οποίες χρησιμοποιούνται στα έξυπνα υφάσματα είναι ένα μόνο μέρος από τις ερευνητικές δραστηριότητες του εργαστηρίου. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί και στην ανάπτυξη νημάτων από ανακυκλωμένα υλικά, μία δραστηριότητα η οποία εγγράφεται στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας. «Στο έργο αυτό, το οποίο χρηματοδοτείται από το πρόγραμμα «Ερευνώ – Καινοτομώ» της Γενικής Γραμματείας Ερευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ), χρησιμοποιούμε υπολείμματα από ροδάκινα τα οποία προέρχονται από εργοστάσια χυμοποιίας και κονσερβοποιίας. Από τα ροδάκινα αυτά απομονώνουμε την κυτταρίνη, η οποία βρίσκεται στους φυτικούς ιστούς των φρούτων, και τη χρησιμοποιούμε για να φτιάξουμε νήματα και υφάσματα. Το έργο αυτό υλοποιείται σε συνεργασία με ελληνικές βιομηχανίες και σύντομα θα προωθήσουμε στην αγορά τέτοιου είδους προϊόντα».

Αλυτο πρόβλημα
για το περιβάλλον

Η κατασκευή νημάτων και υφασμάτων από ανακυκλώσιμα υλικά έρχεται να αναδείξει ένα εκτεταμένο πρόβλημα που υπάρχει με την ανακύκλωση των υφασμάτων. Λόγω των τεχνικών ύφανσης οι οποίες χρησιμοποιούνται παραδοσιακά από τις κλωστοϋφαντουργίες, στα ενδύματα συνυπάρχουν διαφορετικού τύπου ίνες, η απομόνωση των οποίων είναι εξαιρετικά δύσκολη και δαπανηρή. «Τα κλωστοϋφαντουργικά υλικά αποτελούν κατ’ όγκο ένα από τα μεγαλύτερα φορτία σκουπιδιών. Ενώ γίνεται μεγάλη προσπάθεια για επανάχρηση ή για μερική ανακύκλωση αυτών των υλικών, αυτό δεν είναι πολλές φορές εφικτό επειδή ο διαχωρισμός των ινών από τις οποίες αποτελούνται δεν είναι εύκολος. Για να αποδομηθεί κάθε υλικό ξεχωριστά, πρέπει είτε να χρησιμοποιηθούν διαλύτες, οι οποίοι επιβαρύνουν το περιβάλλον, ή να επιστρατευτούν μηχανικοί τρόποι, με τους οποίους όμως υποβαθμίζεται το υλικό. Οι τεμαχισμένες ίνες που προκύπτουν από αυτή τη διαδικασία παράγουν ένα νήμα χαμηλότερης ποιότητας με περιορισμένες εμπορικές χρήσεις» σημειώνει ο καθηγητής.

Ο γόρδιος αυτός δεσμός θα πρέπει να λυθεί σε πολιτικό επίπεδο, αφού χρειάζεται να θεσπιστούν κανονισμοί για τη σύσταση των ενδυμάτων και τον τύπο των νημάτων τα οποία χρησιμοποιούν οι κλωστοϋφαντουργίες. Οπως σημειώνει ο καθηγητής, ήδη οι θεσμοί της Ευρωπαϊκής Ενωσης κινούνται σε αυτή την κατεύθυνση και μέχρι το 2025 αναμένεται να παρουσιαστούν συγκεκριμένες κατευθυντήριες γραμμές οι οποίες θα καταστήσουν τα ενδύματα πιο εύκολα ανακυκλώσιμα. Πάντως, η επιστημονική έρευνα στα νήματα συμβάλλει σημαντικά σε αυτή την κατεύθυνση, αφού πλέον υπάρχει η τεχνογνωσία για δημιουργία νημάτων τα οποία προσδίδουν στα υφάσματα ιδιότητες οι οποίες μέχρι πρότινος επιτυγχάνονταν μέσω σύμμεικτων νημάτων. «Ενα ενδεικτικό παράδειγμα είναι τα ενδύματα τα οποία αποτελούνται από συνδυασμό νημάτων όπως, παραδείγματος χάριν, 50% πολυεστέρα και 50% βαμβάκι, σύσταση που προσφέρει σε ένα ένδυμα αντοχή και συγκεκριμένες ιδιότητες όπως το εύκολο σιδέρωμα. Ωστόσο, πλέον υπάρχει η δυνατότητα χημικής κατεργασίας των νημάτων, η οποία προσδίδει στα ενδύματα τέτοιου είδους ιδιότητες» σημειώνει ο καθηγητής. Βέβαια, σύμμεικτα νήματα προτιμώνται και για οικονομικούς λόγους, ωστόσο με τις νέες κατευθυντήριες γραμμές οι βιομηχανίες θα κληθούν να προσαρμοστούν στις καινούργιες συνθήκες βάζοντας ως πρώτο μέλημα οικολογικά μοντέλα διαχείρισης.

Εφαρμογές
σε «έξυπνα» κτίρια

Εχοντας τη δυνατότητα να προσδώσουν στις ίνες ενός υφάσματος διάφορες ιδιότητες, οι επιστήμονες επιχειρούν να δημιουργήσουν υφασμάτινα υλικά τα οποία θα καλύπτουν μεγάλες επιφάνειες των κτιρίων. «Εχουμε αναπτύξει μία συνεργασία με το Τμήμα Εσωτερικής Αρχιτεκτονικής του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής, στο πλαίσιο της οποίας πραγματοποιούμε διάφορες εφαρμογές υφασμάτων σε κτίρια» αναφέρει ο καθηγητής, συμπληρώνοντας ότι «ένα από τα πλεονεκτήματα του υφάσματος είναι ότι μπορεί να καλύπτει μια μεγάλη επιφάνεια, είναι εύκαμπτο και έχει μικρό ειδικό βάρος. Ετσι, μπορεί κανείς να το χειριστεί εύκολα. Υπάρχουν λοιπόν πιλοτικές εφαρμογές για να καλυφθούν προσόψεις κτιρίων με ειδικά υφάσματα, τα οποία μπορούν να παγιδεύουν ενώσεις όπως το διοξείδιο του άνθρακα και να συμβάλλουν έτσι στη μείωση της μόλυνσης του μικροκλίματος μιας περιοχής. Μία άλλη εφαρμογή είναι οι τέντες σκίασης, οι οποίες υπάρχουν σε πολλά σπίτια. Στο πλαίσιο ενός ερευνητικού προγράμματος επιχειρούμε να δημιουργήσουμε τέντες οι οποίες θα είναι παράλληλα φωτοβολταϊκά, συμβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο στη μερική ενεργειακή αυτονομία του κτιρίου. Δεδομένου ότι οι τέντες ανοίγουν όταν υπάρχει ηλιοφάνεια, μπορούν να αξιοποιηθούν για τη συλλογή ηλιακής ενέργειας. Εάν το κόστος της κατασκευής δεν είναι μεγάλο, η ενέργεια που συλλέγεται – ακόμη κι αν είναι λίγη – μπορεί να έχει σημαντικά οφέλη».

Πρόκληση
η αποθήκευση ενέργειας

Η αποθήκευση της ενέργειας είναι μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι επιστήμονες στο συγκεκριμένο ερευνητικό πεδίο. Για να λειτουργήσουν τα «έξυπνα» υλικά, χρειάζεται να τροφοδοτούνται με ενέργεια. Αν και δεν έχει δημιουργηθεί ακόμη η ηλεκτρική διάταξη η οποία να επιτρέπει την αποθήκευση μεγάλου ποσού ενέργειας σε τέτοιου είδους υλικά, οι ερευνητές έχουν κάνει εντυπωσιακά βήματα σε αυτή τη κατεύθυνση. «Στην περίπτωση των ενδυμάτων, θα πρέπει να υπάρχουν κάποιες μικρές μπαταρίες οι οποίες να είναι επαναφορτιζόμενες, έτσι ώστε ο χρήστης να φορτίζει το ρούχο πριν το φορέσει. Ωστόσο, υπάρχουν νέου τύπου υπερσυσσωρευτές, οι οποίοι είναι ενσωματωμένοι όχι απλώς στο ύφασμα αλλά στα νήματα. Πρόκειται για νήματα τα οποία αποτελούνται από πολλές στρώσεις και μετατρέπονται σε πυκνωτές ώστε να αποθηκεύουν ενέργεια. Αυτή η ενέργεια μπορεί να λαμβάνεται με επαγωγικό τρόπο, ακουμπώντας δηλαδή τα ρούχα σε μία επιφάνεια η οποία παρέχει την απαραίτητη ενέργεια, ή ακόμη και με την τριβή ή με την πίεση, οπότε το ρούχο να φορτίζεται καθώς ο χρήστης κινείται» αναφέρει ο δρ Πρινιωτάκης.

Προς μία νέα
γενιά ενδυμάτων

Η τεχνολογία δίνει λοιπόν καινούργια πνοή στα υφάσματα, ένα υλικό το οποίο χρησιμοποιείται από τους προϊστορικούς χρόνους μέχρι τις μέρες μας. Θα μπορούσε κάποιος να φανταστεί ότι το ύφασμα θα γίνει ένας βασικός διαμεσολαβητής μεταξύ του ανθρώπινου σώματος και των υπολογιστών, καταγράφοντας τη δραστηριότητα εκατομμυρίων ανθρώπων και συλλέγοντας δεδομένα τα οποία έπειτα θα μπορούν να αξιοποιηθούν με διάφορους τρόπους. Μπορεί πριν από μόλις λίγα χρόνια κάτι τέτοιο να ανήκε στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας, όμως ήδη τίθενται οι βάσεις που καθιστούν αυτό το σενάριο ρεαλιστικό. Βεβαίως, όπως και σε κάθε περίπτωση που αφορά τη συλλογή πληροφοριών, τίθεται το ερώτημα των προσωπικών δεδομένων. «Είναι ένα ηθικό ζήτημα, εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο θα χρησιμοποιηθούν τέτοιου είδους δεδομένα και αφορά όλη τη λειτουργία του λεγόμενου διαδικτύου των αντικειμένων, όπου οι συσκευές συνδέονται μεταξύ τους και ανταλλάσσουν πληροφορίες» σχολιάζει καταλήγοντας ο δρ Πρινιωτάκης. Ακόμη και αν στο μέλλον έρθουμε αντιμέτωποι με τέτοιου είδους διλήμματα, οι εξελίξεις σε αυτό το πεδίο αναμένεται να είναι πολλές και εντυπωσιακές.

Εικόνες από το πολύ κοντινό μέλλον«Το μεγαλύτερο ποσό της ενέργειας ξοδεύεται άσκοπα. Δεν χρειάζεται να ζεστάνει κανείς όλον τον χώρο, αλλά κάποια εκατοστά γύρω από το σώμα, κάτι που θα μπορούσε να γίνει με θερμαινόμενα ρούχα. Επιπλέον, οι τοίχοι του σπιτιού θα μπορούσαν να είναι επενδυμένοι με ταπετσαρίες, οι οποίες θα κατακρατούν την υγρασία και θα τη μετατρέπουν σε νερό» αναφέρει ο καθηγητής Γεώργιος Πρινιωτάκης, περιγράφοντας μια εικόνα από το ίσως και όχι τόσο μακρινό μέλλον!Συνεργασίες σε διεθνές επίπεδοΤο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής και συγκεκριμένα το Τμήμα Μηχανικών Βιομηχανικής Σχεδίασης και Παραγωγής είναι από το 2002 ιδρυτικό μέλος του συνδέσμου AUTEX (Association of Universities for Textiles), στο οποίο συμμετέχουν πάνω από 50 πανεπιστήμια σε όλον τον κόσμο. Η πρωτοβουλία αυτή επιτρέπει την ανταλλαγή φοιτητών και ερευνητών αλλά και την ανάπτυξη συνεργασιών και προϊόντων σε διεθνές επίπεδο.

Οταν η μόδα γίνεται… επιστήμη!

Στο πλαίσιο της εκπαίδευσης των προπτυχιακών και μεταπτυχιακών φοιτητών, το Εργαστήριο Σχεδίασης και Ανάπτυξης Πλεκτών Καινοτόμων Προϊόντων Κλωστοϋφαντουργίας προετοιμάζει τους φοιτητές ώστε να μπορούν να ανταποκριθούν στις νέες προκλήσεις της μόδας, οι οποίες συμβαδίζουν με την τεχνογνωσία κάθε εποχής. «Η μόδα είναι συνδυασμένη με το ένδυμα» σημειώνει ο καθηγητής Γεώργιος Πρινιωτάκης, συμπληρώνοντας: «Ενα ένδυμα μπορεί να είναι ποιοτικά εξαιρετικό, αλλά αν δεν ακολουθεί τις επιταγές της μόδας συνήθως η αξία του είναι χαμηλή. Η μόδα όμως δημιουργείται από τις βιομηχανίες χρωμάτων, τα νήματα και τα σχέδια των υφασμάτων. Ετσι, η εκτίμηση της μόδας είναι πολύ σημαντική και εμείς οφείλουμε αφενός να βοηθήσουμε την αγορά μας, αφετέρου να εφοδιάσουμε τους φοιτητές μας με γνώση και εμπειρίες ώστε να μπορούν να συμβάλλουν στην ανάπτυξη της βιομηχανίας. Η παραγωγή πρέπει να είναι μπροστά από την αγορά και οι φοιτητές οφείλουν να έχουν τα εφόδια ώστε να ανταποκριθούν στις καινούργιες προκλήσεις». Σε αυτό το πλαίσιο, το συγκεκριμένο εργαστήριο αναλαμβάνει και εκπονεί μελέτες σωματομετρίας ανά περιφέρεια και πληθυσμό. Οι μετρήσεις αυτές προσφέρουν στατιστικά στοιχεία για τον σωματότυπο των ανθρώπων της εκάστοτε περιοχής, έτσι ώστε οι βιομηχανίες να μπορούν να σχεδιάσουν ενδύματα τα οποία θα εφαρμόζουν όσο καλύτερα γίνεται στο σώμα. «Η σωματομετρία έχει εξαιρετική σημασία, αφού ένα προϊόν το οποίο μπορεί να έχει τέλεια εφαρμογή σε μία περιοχή, ενδέχεται να είναι ακατάλληλο σε ένα άλλο μέρος του κόσμου. Πραγματοποιούμε στατιστικές αναλύσεις και αναπτύσσουμε σχέδια κατασκευής ρούχων που ανταποκρίνονται στις πραγματικές ανάγκες» σημειώνει ο καθηγητής.

Deep learning στα μηχανήματα ύφανσης

Η αξιοποίηση των νέων τεχνολογιών δεν αφορά μόνο τα υφάσματα αλλά και τις μηχανές οι οποίες τα φτιάχνουν. Χρησιμοποιώντας αλγορίθμους μηχανικής μάθησης, οι ερευνητές επιχειρούν να δημιουργήσουν «έξυπνες» μηχανές ύφανσης, πλέξης και ραφής, έτσι ώστε το αποτέλεσμα να είναι πιο ακριβές αλλά και να υπάρχει ένας συντονισμός μεταξύ των μηχανών μιας βιομηχανίας. «Με τη χρήση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης, μία μηχανή ραφής μπορεί να αυτορρυθμίζεται και να προσαρμόζει τον τρόπο με τον οποίο ράβει και συνδέει τα τμήματα του υφάσματος, ανάλογα με την ποιότητά του αλλά και τη σχετική υγρασία ή θερμοκρασία του χώρου» αναφέρει ο δρ Γεώργιος Πρινιωτάκης. «Οι μηχανές αυτές έχουν κάμερες ή αισθητήρες που κάνουν επισκόπηση του αποτελέσματος ανά πάσα στιγμή και συλλέγουν δεδομένα όπως οι διαστάσεις του υφάσματος, η ποιότητά του, η ροή του πάνω στα ράουλα μεταφοράς και η σταθερότητα του τελικού αποτελέσματος. Αξιοποιώντας τα δεδομένα αυτά, η μηχανή έχει τη δυνατότητα να αυτοδιορθώνει τη λειτουργία της. Επιπλέον, τέτοιου είδους μηχανές μπορούν να συνδέονται με τις άλλες μηχανές ενός ομίλου, οπότε να αντλούνται δεδομένα για την παραγωγή στο σύνολό της αλλά και για την ιχνηλασιμότητα του προϊόντος. Στο εργαστήριό μας πραγματοποιείται μία μελέτη που αποσκοπεί στην εύρεση των κατάλληλων ρυθμίσεων που θα επιτρέψουν την αύξηση της ακρίβειας της παραγωγής με τη χρήση ενός λογισμικού το οποίο χρησιμοποιείται σε τέτοιου είδους μηχανές».