นักวิจัยพัฒนาสิ่งทอพิมพ์ 3 มิติ สะท้อนแสงอาทิตย์ได้ 96% ช่วยรักษาอุณหภูมิให้ต่ำกว่าอากาศโดยรอบ 3-6 องศาเซลเซียส พร้อมเปลี่ยนการเคลื่อนไหวของผู้สวมใส่เป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับตรวจจับและควบคุมอุณหภูมิ
เสื้อผ้าในอนาคตอาจไม่ได้ทำหน้าที่เพียงปกป้องร่างกายจากสภาพอากาศ แต่สามารถช่วยจัดการความร้อนและรับรู้การเคลื่อนไหวของผู้สวมใส่ได้ในเวลาเดียวกัน นักวิจัยพัฒนาวัสดุสิ่งทอที่สามารถพิมพ์ขึ้นรูปเป็นโครงสร้างคล้ายผ้า โดยผสานคุณสมบัติระบายความร้อนและเก็บพลังงานจากการเคลื่อนไหวไว้ในวัสดุเดียว
“คลายร้อน-ตรวจจับ-สร้างพลังงาน” ในที่เดียว
งานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญจน์ (University of Illinois Urbana-Champaign) ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Science ทีมวิจัยนำโดย Lili Cai ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและวิทยาศาสตร์เครื่องกล งานวิจัยมุ่งพัฒนาสิ่งทอที่สามารถทำงานหลายอย่างได้โดยไม่จำเป็นต้องประกอบวัสดุหลายชั้นเข้าด้วยกัน
หัวใจสำคัญคือวัสดุนาโนคอมโพสิตที่มีเซอร์โคเนียมออกไซด์ หรือ ZrO₂ ซึ่งมีคุณสมบัติทางแสงและไฟฟ้าที่เหมาะกับการทำงานสองรูปแบบ เมื่อทำเป็นโครงสร้างสิ่งทอ วัสดุสามารถช่วยสะท้อนพลังงานจากแสงอาทิตย์ ขณะเดียวกันยังสามารถสะสมประจุไฟฟ้าจากการสัมผัสและเสียดสีที่เกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนไหวของร่างกาย
สะท้อนแดด 96% ลดอุณหภูมิได้ 3–6°C
จุดเด่นของวัสดุคือการทำความเย็นแบบแผ่รังสี หรือ Passive Radiative Cooling ซึ่งเป็นวิธีระบายความร้อนโดยไม่ต้องใช้พัดลมหรือระบบทำความเย็นแบบใช้พลังงานไฟฟ้า วัสดุจะสะท้อนพลังงานจากแสงอาทิตย์ออกไป และช่วยระบายความร้อนออกจากตัวผู้สวมใส่
ผลการทดสอบพบว่าวัสดุสะท้อนรังสีจากแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบได้ประมาณ 96% และมีความสามารถในการแผ่รังสีอินฟราเรดช่วงกลางสูงถึง 97% เมื่อนำไปทดสอบกลางแจ้งภายใต้แสงแดดโดยตรง อุณหภูมิของวัสดุอยู่ต่ำกว่าอุณหภูมิอากาศโดยรอบประมาณ 3–6°C
คุณสมบัตินี้อาจมีประโยชน์กับเสื้อผ้าสำหรับผู้ที่ต้องทำงานกลางแจ้ง นักกีฬา หรือผู้ที่ต้องอยู่ในสภาพอากาศร้อนเป็นเวลานาน โดยเป้าหมายไม่ได้อยู่ที่การสร้างความเย็นแบบเครื่องปรับอากาศ แต่เป็นการลดความร้อนที่วัสดุและร่างกายได้รับจากแสงแดด
แค่ขยับตัวก็สร้างสัญญาณไฟฟ้าได้
อีกความสามารถหนึ่งมาจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Triboelectric Effect ซึ่งเป็นการเกิดประจุไฟฟ้าจากการสัมผัสและเสียดสีของวัสดุ คล้ายกับไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นเมื่อถูเท้ากับพื้นแล้วไปแตะวัตถุจนเกิดไฟฟ้าช็อตเล็ก ๆ
เมื่อผู้สวมใส่เคลื่อนไหว ผิวหนังและโครงสร้างสิ่งทอจะเกิดการสัมผัสและแยกออกจากกันซ้ำ ๆ ทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถตรวจจับได้ งานวิจัยรายงานความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าสูงสุดประมาณ 47 มิลลิวัตต์ต่อตารางเมตร และให้ผลลัพธ์คงที่จากการทำงานมากกว่า 30,000 รอบ
อย่างไรก็ตาม พลังงานระดับนี้ไม่เพียงพอสำหรับนำไปชาร์จสมาร์ตโฟนโดยตรง แต่มีประโยชน์สำหรับการตรวจจับการเคลื่อนไหว เช่น ตรวจว่าผู้สวมใส่กำลังเคลื่อนไหวหรืออยู่นิ่ง รวมถึงอาจใช้เป็นตัวกระตุ้นให้ระบบอื่นทำงาน
ระบายความร้อนให้ผู้สวมใส่
ทีมวิจัยทดลองนำสิ่งทอที่สร้างสัญญาณจากการเคลื่อนไหวมาเชื่อมกับชั้นวัสดุนำไฟฟ้า เพื่อสร้างระบบจัดการอุณหภูมิที่ตอบสนองต่อกิจกรรมของผู้สวมใส่ โดยในช่วงที่อยู่นิ่ง ระบบใช้การระบายความร้อนแบบแผ่รังสีเป็นหลัก ขณะที่สัญญาณจากการเคลื่อนไหวสามารถใช้เป็นตัวกระตุ้นให้ระบบทำความร้อนทำงานได้
จุดสำคัญคือ ตัวสิ่งทอไม่ได้สร้างความร้อนโดยตรง แต่ทำหน้าที่สร้างสัญญาณเพื่อสั่งการระบบทำความร้อนที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งการทดลองนี้แสดงให้เห็นว่าสัญญาณจากการเคลื่อนไหวสามารถนำไปใช้สร้างเสื้อผ้าที่ปรับการทำงานตามกิจกรรมของผู้สวมใส่ได้
พิมพ์เป็นโครงสร้างสิ่งทอได้โดยตรง
นักวิจัยใช้เทคนิค Direct Ink Writing ซึ่งเป็นกระบวนการพิมพ์วัสดุออกมาเป็นชั้น ๆ เพื่อสร้างโครงสร้างที่มีลักษณะยืดหยุ่นและมีช่องว่างให้อากาศผ่านได้ จึงสามารถพัฒนาเป็นวัสดุสำหรับงานสวมใส่ เช่น เสื้อผ้ากีฬา เป็นต้น
แนวคิดนี้อาจช่วยลดความซับซ้อนของเสื้อผ้าอัจฉริยะในอนาคต เพราะแทนที่จะต้องนำวัสดุหลายชนิดมาประกอบเพื่อให้แต่ละส่วนทำหน้าที่ต่างกัน นักวิจัยพยายามรวมคุณสมบัติด้านการระบายความร้อน การเก็บพลังงาน และการตรวจจับไว้ในวัสดุที่สามารถขึ้นรูปได้ตั้งแต่กระบวนการผลิต
โอกาสต่อยอดสู่เสื้อผ้าอัจฉริยะ
นอกจากการจัดการอุณหภูมิ เทคโนโลยีนี้ยังมีแนวทางนำไปใช้กับระบบตรวจจับการเคลื่อนไหวอื่น ๆ เช่น อุปกรณ์สวมใส่ที่ต้องการแหล่งสัญญาณจากร่างกายโดยไม่ต้องพึ่งเซนเซอร์ที่ซับซ้อนมากนัก แหล่งข้อมูลระบุว่าหลักการเดียวกันสามารถนำไปประยุกต์กับเสื้อผ้าที่ตรวจจับการเคลื่อนไหวและส่งสัญญาณเตือนเมื่อเกิดกิจกรรมตามเงื่อนไขที่กำหนด
สำหรับผู้ใช้งานทั่วไป ประโยชน์ที่น่าสนใจจึงไม่ได้อยู่ที่การผลิตไฟฟ้าปริมาณมาก แต่เป็นการทำให้ “การเคลื่อนไหวของร่างกาย” กลายเป็นข้อมูลที่ระบบเสื้อผ้าสามารถรับรู้และนำไปใช้ตอบสนองได้ ขณะที่คุณสมบัติสะท้อนแสงและระบายความร้อนอาจช่วยเพิ่มความสบายในการสวมใส่ในสภาพอากาศร้อน
เทคโนโลยีสิ่งทอพิมพ์ 3 มิติจากงานวิจัยนี้สะท้อนแนวทางใหม่ของเสื้อผ้าอัจฉริยะที่ไม่ได้เพิ่มอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้าไปเพียงอย่างเดียว แต่พยายามทำให้ “ตัววัสดุ” มีความสามารถหลายด้านในตัวเอง ทั้งสะท้อนแสงอาทิตย์ ระบายความร้อน และสร้างสัญญาณจากการเคลื่อนไหว แม้ยังอยู่ในขั้นงานวิจัยและพลังงานที่ผลิตได้ยังไม่มากพอสำหรับอุปกรณ์ใช้พลังงานสูง แต่แนวคิดนี้เปิดทางให้เสื้อผ้าในอนาคตสามารถรับรู้สภาพร่างกายและปรับการทำงานให้เหมาะกับผู้สวมใส่ได้มากขึ้น
เรียบเรียงโดย ขนิษฐา จันทร์ทร
ที่มาข้อมูล: illinois, newatlas, techxplore
ที่มาภาพ: illinois
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
