پژوهشگران دانشگاه ایلینوی موفق به توسعه نوعی پارچه هوشمند و چاپ‌پذیر شده‌اند که می‌تواند به‌صورت هم‌زمان بدن را خنک کند، حرکات فرد را تشخیص دهد و از تماس با پوست برق تولید کند.
این فناوری چندمنظوره، قابلیت‌های مختلف را در یک ساختار یکپارچه ترکیب میکند و می‌تواند در آینده برای تولید لباس‌های هوشمند و تجهیزات پوشیدنی کم‌مصرف مورد استفاده قرار بگیرد.
این ماده که در دانشکده مهندسی گرینجر دانشگاه ایلینوی توسعه یافته، بر پایه یک نانوماده کامپوزیتی از اکسید زیرکونیوم (ZrO₂) ساخته شده است. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آن، قابلیت خنک‌سازی تابشی است. این ساختار می‌تواند حدود ۹۶ درصد از تابش خورشیدی ورودی را بازتاب دهد و هم‌زمان با گسیل گرمای بدن در محدوده فروسرخ میانی، آن را به محیط منتقل کند. گسیلندگی این ماده در این محدوده به حدود ۹۷ درصد می‌رسد.
آزمایش‌های انجام‌شده در فضای باز نشان دادند که دمای پارچه زیر نور مستقیم خورشید، حدود ۳ تا ۶ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر از دمای هوای محیط باقی می‌ماند. به این ترتیب، این ماده می‌تواند بدون استفاده از باتری یا سیستم خنک‌کننده فعال، به کاهش گرمای واردشده به بدن کمک کند.
قابلیت دیگر این پارچه، تولید مقدار کمی برق از حرکت انسان است. هنگامی که پارچه در اثر حرکت به‌صورت متناوب با پوست تماس پیدا کرده و از آن جدا می‌شود، اثر تریبوالکتریک یا همان پدیده‌ای مشابه ایجاد الکتریسیته ساکن، یک سیگنال الکتریکی تولید میکند. پژوهشگران حداکثر چگالی توان این ماده را حدود ۴۷ میلی‌وات بر مترمربع اندازه‌گیری کرده‌اند و عملکرد آن را در بیش از ۳۰ هزار چرخه نیز بررسی کرده‌اند.
این میزان انرژی برای تأمین برق دستگاه‌هایی مانند گوشی هوشمند کافی نیست، اما می‌تواند برای حسگرها و تجهیزات پوشیدنی کم‌مصرف مفید باشد. از طرف دیگر، خود سیگنال تولیدشده نیز ارزش اطلاعاتی دارد.
شدت و الگوی تغییرات این سیگنال می‌تواند برای تشخیص میزان و نوع حرکت فرد مورد استفاده قرار بگیرد و به این ترتیب، پارچه علاوه بر تولید انرژی، به یک حسگر حرکتی نیز تبدیل می‌شود.
پژوهشگران برای نمایش این قابلیت‌ها، پارچه را با یک لایه رسانا ترکیب کردند و یک سامانه مدیریت حرارتی تطبیقی ساختند. در این سیستم، زمانی که فرد بی‌حرکت است، پارچه از قابلیت خنک‌سازی تابشی خود استفاده میکند. با شروع حرکت، سیگنال تریبوالکتریک تولیدشده به‌عنوان یک فرمان وارد سیستم می‌شود و بخش گرمایشی را فعال میکند.
البته فرایند گرمایش مستقیماً توسط ماده ZrO₂ انجام نمی‌شود. این بخش به یک مدار الکترونیکی مجزا شامل منبع تغذیه، عناصر گرمایشی، رله حالت جامد و یک ریزپردازنده آردوینو (Arduino) وابسته است. در واقع، پارچه با تشخیص حرکت می‌تواند فرمان لازم برای تغییر حالت سیستم حرارتی را صادر کند.
از نظر کاربرد، این فناوری می‌تواند در حوزه سلامت و تجهیزات پوشیدنی نیز مورد توجه قرار بگیرد. برای مثال، قرار گرفتن آن در لباس خواب می‌تواند امکان تشخیص الگوهای حرکتی غیرعادی را فراهم کند و در صورت شناسایی الگوی مشخصی، هشدار پزشکی ارسال شود. ترکیب خنک‌سازی، حسگر حرکتی و تولید انرژی در یک ماده نیز می‌تواند تعداد قطعات و لایه‌های مورد نیاز در برخی لباس‌های هوشمند را کاهش دهد.
یکی دیگر از نکات مهم این پژوهش، روش ساخت ماده است. محققان توانسته‌اند آن را با روش نوشتن مستقیم جوهر (Direct Ink Writing) تولید کنند. روشی مبتنی بر اکستروژن که به چاپ سه‌بعدی شباهت دارد و امکان ایجاد ساختارهای پیچیده و سفارشی را فراهم میکند. همین ویژگی می‌تواند در آینده برای تولید پارچه‌ها و تجهیزات پوشیدنی با هندسه‌های مختلف و قابلیت‌های چندمنظوره مورد استفاده قرار بگیرد.
