電子繊維が機械洗濯に耐えるスリーブにタッチスクリーンを織り込む

電子繊維が布地をタッチスクリーンに変える

シンガポール国立大学（NUS）の研究者たちは、発光ダイオード（LED）とタッチセンサーを組み合わせた電子繊維を使用して、衣類に直接統合されたタッチスクリーンを開発しました。Tural Khudiyev助教授率いるチームは、54本の電子繊維をスリーブに組み込み、画像や動画を表示し、指の操作に応答し、ワイヤレスでデジタルデバイスに接続できる柔軟なディスプレイを作成しました。この研究は、日常的な衣類の通気性と柔軟性を維持しながら、洗濯機での洗濯にも耐えるテキスタイルインターフェースを導入するものです。

従来のウェアラブルテクノロジーが、一般的にスクリーンや電子デバイスを体に装着するのとは異なり、NUSチームのアプローチは、ディスプレイとタッチ機能を繊維自体に組み込んでいます。各糸は、厚さわずか1ミリメートルの構造内に相互接続されたマイクロ電子部品を含んでおり、これにより、布地はリジッドなディスプレイパネルなしでインタラクティブなスクリーンとして機能します。プロトタイプは168 x 105ミリメートルで、毎秒30フレームでリフレッシュし、50回の洗濯サイクルの後でもディスプレイとタッチのパフォーマンスはほとんど変化しません。この技術は、最終的に衣類をデジタル情報、環境センシング、健康モニタリングのためのインターフェースとして機能させることが可能になるでしょう。

［画像: electronic fibers weave touchscreen into sleeve that survives machine washing - 1］

洗濯可能でタッチ対応のテキスタイルディスプレイを持つNUSの研究チーム | 全画像提供：NUS

糸をスクリーンに変える方法

従来の電子回路は平面上に設計されており、コンポーネントを2次元で配置および接続できます。対照的に、糸は細く円筒形であり、ディスプレイを操作するために必要な複雑な配線のためのスペースはほとんどありません。この制限を克服するために、研究者たちは、数千のマイクロ電子デバイスを単一の繊維に沿って接続できる相互接続アーキテクチャを開発しました。プロセスは、小さな絶縁ワイヤから始まります。レーザーが表面上の特定の点を露光し、制御された湿潤が溶融はんだを指定された場所に導き、意図しない領域を接続せずに電気的接続を作成します。この方法を使用して、チームは20,000以上の電気接続を通じて5,000を超えるチップを統合しました。

相互接続されたデジタルLEDは、熱延伸プロセスを使用して多層繊維に組み込まれます。結果として得られる糸は約1ミリメートルの直径と10メートルの長さで、画像表示とタッチ検出を担当する別々の層があります。タッチ対応層はLEDの下に配置されています。誰かが繊維を押すと、接触が電気回路を完成させ、システムがタッチの位置を特定し、最も近いピクセルを点灯させることができます。したがって、ディスプレイとインタラクションは、布地に装着された別々のコンポーネントではなく、同じ糸内で発生します。

［画像: electronic fibers weave touchscreen into sleeve that survives machine washing - 2］

テキスタイルスクリーンは、ビデオを表示し、アプリを実行し、音声コマンドに応答し、体温を測定します

布地のように振る舞うデバイス

プロトタイプのために、チームはスリーブの腕の部分に54本のピクセルを持つ繊維を織り込みました。各繊維は96個のLEDを運び、合計で96 x 54ピクセルのディスプレイ（168 x 105ミリメートル）を形成します。スクリーンは毎秒30フレームでリフレッシュし、8ビットの色深度をサポートします。解像度はスマートフォンのそれに比べるとまだ控えめですが、その機能は静止画像の表示を超えています。ビデオを再生したり、写真を表示したり、電卓を実行したり、コンパスとして機能したりできます。ユーザーはBluetooth経由で画像を受信したり、音声コマンドで操作したり、ディスプレイを回転させたり、明るさを自動調整したりすることもできます。スリーブには、マイク、スピーカー、動き、温度、磁気方向、周囲光センサーを運ぶ追加の繊維が組み込まれています。たとえば、腕の下に配置された温度センサー繊維は、体温を測定し、その読み取り値をスリーブ自体に表示できます。各ピクセル繊維には独自の制御チャネルもあるため、1本のラインの障害が必ずしも他のラインを中断するわけではありません。システムは複数のタッチを同時に登録できるため、従来のタッチスクリーンのインタラクティブな動作に近づいています。

研究者によると、プロトタイプは、洗剤を使用した50回の洗濯サイクルと、5ミリメートルの半径で1,000回曲げた後でも、光出力とタッチ応答はほとんど変化しませんでした。統合されたディスプレイは、綿、ポリエステル、デニムと同等の通気性があり、確立された皮膚接触安全限界内にあると報告されています。

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LEDの下の層がタッチを検出し、繊維が押されたときに最も近いピクセルをアクティブにします

感知して応答する衣類に向けて

ヘルスケアは、チームが特定した潜在的なアプリケーションの1つです。生理学的センサーを備えた繊維は、情報を継続的に収集し、衣類に直接表示できるため、着用者は別のデバイスを参照することなく測定値にアクセスできます。研究者たちは、人工知能と組み合わせることで、そのようなシステムが最終的にパーソナライズされたモニタリングとフィードバックをサポートできるようになると示唆しています。その可能性は、現在のプロトタイプの実証された機能というよりは、将来の方向性として残っています。チームの次のステップには、解像度の向上、より多くのセンシング機能の統合、およびオンデバイスAIの探求が含まれます。より広範な意味合いは、デジタルインターフェースが設計される方法の変化です。スマートフォンやコンピューターは、専用の画面を通じて情報にアクセスすることに慣れさせてきましたが、ウェアラブルテクノロジーは、既存のデバイスを小型化したり、体に装着したりすることがほとんどでした。NUSの研究は、電子機器と日常的なオブジェクトの間の異なる関係、つまり、着用者に接触している素材自体に情報を表示できる関係を提案しています。

［画像: electronic fibers weave touchscreen into sleeve that survives machine washing - 4］

熱延伸繊維は、マイクロ電子デバイスをタッチ対応層を持つ糸に統合します

プロジェクト情報:

研究チーム: Tural Khudiyev, Heng Fu, Ziang Li, and Swetika Chaturvedi
機関:College of Design and Engineering, National University of Singapore (NUS)
主任研究員: Asst Prof. Tural Khudiyev, Department of Materials Science and Engineering

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