پایان نامه اثر گیج پارچه حلقوی پودی بر سیگنال تنفسی لباس هوشمند

پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد

رشته مهندسی نساجی

سال 1387

مقدمه

انسان از ابتدای خلقت تا کنون، تنوع پوشش خود را از برگ درخت تا منسوجات هوشمند امروزی، اختیار نموده است. در گذر زمان با فهم و کشف تکنولوژی های جدید و نیز شناسایی مواد خام موجود در طبیعت، توانسته است تا با بکار گیری دانش و امکانات موجود همواره رفاه بیشتر خود را فراهم سازد شاید روزگاری بافت منسوجی از جنس پنبه که بسیار لطیف باشد و بتواند به عنوان پوشش برای ادمی بکار رود، چندان قابل تصور نمی نمود و شاید افکار زمانهای قدیم برگ درختان را به عنوان پوشش خود به طور دائم متصور می شدند، یا شاید اگر ایده تولید و دست یابی به منسوج جدید، نیز به ذهن می رسید، باز این سئوال  که حال چگونه میتوان برای مصرف کنندگان بسیار زیاد روی کره زمین این محصول را تولید کرد، تعللی در اوج گرفتن ایده های جدید ایجاد می نمود.

بشر در طول زمانهای گذشته همواره با اعجاز تجربه، بر ناباوری خود بر مسائل فایق آمده و همچنان در رشته های مختلف علمی و در سطوح مختلف، انقلابهای علمی ، دست باور را بر سبد دانشهای تحقق نیافته زده است. در حوزه نساجی دیری نگذشته است که الیاف نوری، الیاف میکرو، الیاف نانو ، ...و به تازگی منسوجات هوشمند، حوزه های جدید کاری را برای محققین باز نموده­اند. بدیهی است اگرچه در بررسی هر کدام از این تکنولوژیها و کسب محصولات ناشی از هر کدام، همواره سئوالاتی چون آیا میتوان تعداد کثیر مصرف کنندگان را با این مصنوع جدید تامین نمود؟(همانگونه که انسانهای اولیه نیز به سختی می توانستند متصور شوند که روزی با احداث کارخانجات بافندگی بسیار زیاد، آدمیان را بتوان از پوشش برگ رهایی بخشید).

پس از اختراع  ماشین بافندگی ژاکارد، ذخیره کردن داده ها و مکانیزه شدن آن پذیرفته شد و امروزه پس از گذشت 200 سال، ارتباط بین نساجی و کامپیوتر، ملموس شده است، و تولید منسوجاتی که قابلیت درک حرکات بدن و یا قابلیت گزارش دهی داشته باشند، در این راستا  مظهر مشارکت این دو صنعت می­باشند.

به منظور آگاه نمودن مردم از وضعیت سلامتی شخصی­شان، پشتیبانی و اطلاع رسانی و سپس پیشرفتهای تکنولوژیکی باید در این راستا به­کار برده شود، برای این منظور باید براحتی بتوان وسایل واسطه ای بین انسان و این ابزار را به­کار گرفت. با به­کار گرفتن پارچه های چند منظوره،(که بطور متداول به الکتروتکستایل ها یا منسوجات هوشمند معروف هستند)،  کسب یک زندگی سالم، ایمن، و راحت تر میسر می­گردد. لذا چنانچه هوشمندی منسوجات، با ویژگی پوشانندگی آن ترکیب شود، می­تواند یک محصول سودمند را تولید نماید.

به­طور خاص ، لباس هایی با قابلیت کشش و جمع شدگی، امکان پیگیری حرکات را دارند. حس کننده ها[1] و فعال کننده ها[2] که در نساجی استفاده می شود، ممکن است به واسطه جریان برق کنترل شوند.

این ابزار تحت نظر داشتن بیمار در منزل از راه دور و یا کنترل فضانوردان، افراد کهنسال، و ارتباط کنترلی از طریق تلفن را به ما می­دهد. تکستایل های الکترونیکی می­تواند مسیرهای جدیدی از بیومانیتورینگ[3]، توانبخشی و .... را برای ما باز نماید.

در این مطالعه ارتباط متقابل نساجی و کامپیوتر و معرفی التزامات الحاق آنها در تولید منسوجات هوشمند بررسی خواهد شد. منسوجات الکترونیکی E-textile یا smart fabrics نامیده می­شوند، که نه تنها قابلیت پوشش (مانند سایر منسوجات) را دارد، بلکه امکان نمایش و یا پردازش شبیه سیستمهای ارتباطی بدون سیم[4] را دارند.

[1] Sensors

[2] Actuators

[3] Biomonitoring

[4] Wireless

منسوجات هوشمند و علائم حیاتی بدن انسان

معرفی منسوجات هوشمند

منسوجات هوشمند[1]، پارچه هایی هستند که ابزارهای الکترونیکی  در آنها به کار رفته است. اجزای الکترونیکی و وسایل ارتباط دهنده این اجزا (به همدیگر)، جزیی از پارچه هستند، و به همین دلیل کمتر قابل رویت می­باشند. بعلاوه اینکه، این منسوجات خیلی برای مالش و پیچ خوردن و یا درگیری با وسایل محیط مستعد نیستند. نتیجتاَ این منسوجات می توانند در کاربردهای روزمره و به ویژه در جاهایی که حضور کامپیوتر برای انسان دست و پاگیر است، به کار روند.

در منسوجات هوشمند با توجه به نیاز مصرف کننده، قابلیت لازم در آن ایجاد می­شود. تعداد و موقعیت سنسورها و اجزای پردازشگر، با توجه به نیاز کاربر، در نظر گرفته شده و به ندرت در موقع طراحی ثابت فرض می­گردند. فضای کاری برای منسوجات هوشمند بسیار گسترده است و انتخاب هایی از قبیل نوع و ساختار نخ،  بافتها، اجزای به­­کار رفته، سیستم های نرم افزاری، تنوع شبکه اتصالات، میدان کاری گسترده ای را بوجود آورده است.

تهیه لباسی که سنسور به آن دوخته شده باشد و یا با تبحر در آن جاسازی شده باشد، بسیار گران است، در این راستا باید توجه داشت که :

برای مصرف، اندازه های متفاوت مورد نیاز است.

هر منسوج با توجه به نوع کاربرد آن، استفاده خاص خود را دارد.

یافتن ناحیه مناسب برای نصب سنسور، روی سایز های  متفاوت، کار مشکلی است. در تولید لباسهای هوشمند، امروزه، جایابی سنسورها با سعی و خطا انجام می­شود. در بعضی ازمقالات سعی شده است[1] ، که یک قالب برای ارزیابی منسوجات هوشمند، (بدون ساخت قالب و  لباس) طراحی شود.

یک منسوج هوشمند، یک شبکه اتصال را برای حس کردن و پردازش اجزا، با میزان کمتر مصرف انرژی (نسبت به روش بدون سیم) فراهم می­کند. البته خود پارچه هم می­تواند به عنوان حس گر عمل نماید.(و این بسته به نوع الیاف به کار گرفته شده در منسوج است.)

مواد بکار برده شده برای اینگونه منسوجات هوشمند باید دارای وزن کم، قابلیت تغییربه شکل های مختلف(به ویژه به شکل لیف)، و راحت بودن در تن، را داشته باشند. اغلب این خواص عموماَ در سنسورهای استفاده شده، فعالگرها[2]، اجزای الکترونیکی و منابع برقی به همراه حجم کوچک وجود ندارد.

چنین پارچه هایی، از قبیل حسگرهای اولیه، فعال  کننده ها، الکتروتکستایل ها، به عنوان پارچه های جدید که از دانش بالا برخوردارند، مطرح هستند. یک حوزه وسیع و کاربردی برای منسوجات هوشمند، تشخیص محیط کاربر و فعالیت های آن می­باشد. بنابراین طراحی یک قالب خاص برای منسوجات هوشمند، باید با  لحاظ کردن محیط فیزیکی، به ویژه ماهیت سنسور، باشد. با توجه به کاربرد چند جانبه آنها، قابلیت پوشش و انعطاف برای بدن را دارند، الکترو تکستایل ها برای خلق زندگی با کیفیت بالاتر مناسب هستند، و در بیودرمانی[3] به عنوان ابزار بیومانیتورینگ[4] ، توانبخشی، تلفن درمانی[5]،و ...به­کار می­روند. امروزه منسوجات هوشمند در جایگاههای مختلف، نقش های مختلفی اجرا نموده­اند. می­توان با توجه به نوع استفاده، تمامی منسوجات هوشمند را به دو دسته زیر تقسیم نمود:

منسوجات قابل پوشش (منسوجات هوشمند قابل پوشش)

این منسوجات در قالب لباس انسان طراحی شده اند و طبیعتاَ کاربرد آنها نیز در ارتباط با انسان و یا عملکرد انسان و یا برآورد شرایط اطراف انسان است. منسوجاتی که برای ثبت حرکات سه بعدی بدن انسان (در استودیو های فیلم سازی ) به کار می­رود، منسوجاتی که برای گزارش گرفتن از نیرو ها و نوع و زمان حرکات بدن فضانوردان در فضا استفاده می­شود و لباسهایی که گزارش علائم سلامتی بدن انسان را بر روی یک گیرنده ثبت نمایند، همه مثالهایی از این نوع لباس هستند.

1-1-1-2- منسوجات صنعتی غیر قابل پوشش (منسوجات هوشمند غیر قابل پوشش )

منسوجاتی از قبیل فرشهای هوشمند که قابلیت گزارش دهی حرکات بدن بر روی فرش، (و یا وزن قرار گرفته بر روی فرش) را دارند، منسوجاتی که در بدنه هواپیما جهت گزارش دهی میزان فشار جوی وارد به بدنه و سایر پارامترهای مفید در هدایت هواپیما بکار می­روند، منسوجاتی که در بدنه سدها برای گزارش دهی میزان فشار وارده بر سد به­کار می­روند، منسوجاتی که در اعماق زمین جهت محاسبه نیروهای زمین لرزه ای به کار می­روند، همه نمونه هایی از کاربرد منسوجات هوشمند در مصارف علمی صنعتی گوناگون هستند.

1-1-2- علائم سلامتی بدن

مهمترین علائم مهم حیاتی بدن انسان که در سالهای اخیر مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند، عبارتند از :

1-1-2-1- ضربان قلب در واحد زمان[6]

1-1-2-2- تعداد تنفس در واحد زمان[7]

1-1-2-3- دمای بدن در زمانهای مختلف

همچنین بررسی بر روی نحوه حرکت و یا میزان جابجایی اعضای بدن[8] در مدت زمان درمان، خود از فاکتورهای مورد علاقه متخصصین مهندسی پزشکی می باشد.[2]

1-2- معرفی انواع سنسورها

سنسورها ابزارهایی هستند که بر مبنای علمی خاص خود عمل نموده و می­توانند در اثر انجام یک عمل خاص ، واکنش متناسبی داشته باشند. برای مثال یک سنسور می­تواند در اثر اعمال فشار، میزان میلی ولت مشخصی را از خود ساطع نماید، که این میزان می­تواند با پردازش و انجام محاسبات خاص، بیانگر یک پارامتر باشد، همانگونه که به وضوح مثال عینی این نمونه از سنسورها را می­توان در ترازوهای متداول مشاهده نمود.

در شناخت سنسورها آنچه  مهم است پایداری نتیجه و یا به عبارتی تکرار پذیری نتیجه آزمون می باشد، البته باید توجه داشت که برای استفاده از سنسورها معمولا از روشهای مختلفی استفاده می­نمایند، که یک روش متداول برای بکارگیری سنسورها  ساخت مدار الکتریکی است که با قرار دادن سنسور در یک پل وتستون، بتوان از تغییرات ولتاژ حاصل شده در پل وتستون ، پارامتر مد نظر را بدست آورد. بکارگیری سیگنال می­تواند طبق الگوریتم زیر انجام شود:

الف: دریافت سیگنال

ب: تقویت سیگنال

ج: نویز گیری سیگنال به روش سخت افزاری

د: تیدیل آنالوگ به دیجیتال

ه: دریافت توسط پردازشگر

ی: نویز زدایی توسط روشهای پردازش سیگنال

م: بکارگیری داده های حاصله

بطور کلی با توجه به ضعیف بودن سیگنال خروجی از مدار، نیاز به تقویت سیگنال[9] بوده، و پس از آن سیگنال را توسط یک کارت مبدل (آنالوگ) به دیجیتال[10]،  تبدیل نموده و از داده های بدست آمده استفاده می­شود. همانگونه که در سه الگوریتم فوق به وضوح ذکر شده است، عملیات نویز زدایی با توجه به سیستم الکترونیکی اعمال شده و نیز هدف از کاربرد سیستم، می­تواند به شیوه نرم افزاری و یا نرم افزاری و سخت افزاری انجام شود.

اغلب سنسور های مفید برای سیستم های مجهز به سنسور به دو گروه تقسیم می­شوند:

الف) سنسورهای فعال[11]

ب) سنسورهای موثر یا اثر پذیر[12]

گروه اول سنسورهایی هستند که طبیعتاً[13] انرزی ورودی را به یک اختلاف پتانسیل الکتریکی تبدیل میکنند.[2]

گروه دوم سنسورهایی هستند که یک منبع جریان خارجی لازم دارند تا ورودی خود را به یک خروجی مفید (قابل استفاده) تبدیل نمایند. این گروه  عموماَ بر مبنای میزان تغییرات مقاومت در برابر عامل محرک (نیروی محرک) کار می­کنند. در واقع این گروه، همان سنسورهایی هستند که در نگاه کلی  برای  ایجاد تعادل در پل وتسون نیاز به یک منبع تغذیه اولیه دارد.[14]

سنسورها از مواد مختلفی از قبیل پلیمرهای فعال شونده[15] و یا فلزات حساس ساخته میشوند.

جدول(1-1) لیستی از پلیمرهای فعال شونده و کاربردهای عمومی آنها  را نشان می­دهد.

[1] Intelligent  E_textiles

[2]Actuators

[3] Biomedical

[4] Biomonitoring

[5] Telemedicine

[6] Electrocardiogram (ECG), Electromyogram (EMG)

[7] Respiration

[8] Body posture/movement

[9] Op amp

[10] Analog to digital converter

[11] Active sensors

[12] Passive sensors

[13] - اینگونه سنسورها با توجه به خصلت ذاتی خود در اثر اعمال هر گونه نیرو، که موجب تغییر در حالت  اولیه آنها گردد، عکس العمل نشان می­دهند.

[14] - اغلب یک منبع تغذیه 5 ولت جریان مستقیم (و یا در این محدوده) نیاز اینگونه مدارها را برآورده می­نماید.

[15] Electro Active Polymers(EAPs)

- منابع و مراجع

1.      Thomas Martin, M. J., Josh Edmison, Ravi Shenoy (2003). "Towards a design framework for wearable electronic textiles." Proceedings of the Seventh IEEE International Symposium on Wearable Computers (ISWC’03) (Bradley Dept. of Electrical and Computer Engineering ; Virginia Tech).

2.      Federico Carpi, D. D. R. (2002). "Electroactive Polymer-Based Devices for e-Textiles in Biomedicine."

3.Electroactive Polymer-Based Devices for e-Textiles in Biomedicine Federico Carpi and Danilo De Rossi

4.      Jet Propulsion Lab.. [Online]. Available: http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasande/ lommas/eap/EAP-material-n-products.htm

5.      Diana Marculescu, R. M., Nicholas H. Zamora, phillip stanley-marbell, pradeep k. khosla,  sungmee park, sundaresan jayaraman,stefan jung christl lauterbach, werner weber ,tünde kirstein, didier cottetjanusz grzyb, gerhard tröster;mark jones, tom martin, zahi nakad (2003). "electronic textiles: a Platform for Pervasive Computing." IEEE.

6.      C. Winterhalter   et al., ” in Proc. IntSyst. for e-Health: Toward Revolution of Citizens’ Health,Life Style Management?, ucca, Italy, , pp. . (2003). "Development of electronic textiles for U.S. military protective clothing systems.". Workshop New GenerationWearable

7.      B. Dalton, S. C., E. Muñoz, J. M. Razal, V. H. Ebron, J. P. Ferraris,J. N. Coleman, B. G. Kim,R. H. Baughman (2003). "Super-tough carbon-nanotube fibers."  423: 703.

8.Diana Marculescu, , Radu Marculescu, Nicholas H. Zamora, phillip stanley-marbell, pradeep k. khosla,  sungmee park, sundaresan jayaraman,stefan jung christl lauterbach, werner weber ,tünde kirstein, didier cottetjanusz grzyb, gerhard tröster;mark jones, tom martin, zahi nakad; electronic textiles: a Platform for Pervasive Computing; IEEE, 2003

9.F.T. Peirce,  Geometrical Principles Applicable to the Design of Functional Fabrics, Textile Research Journal 1947; 17; 123,

10.P. Grossman, “The LifeShirt: A multi-function ambulatory system that monitors health, disease, and medical intervention in the real world,”in Proc. Int. Workshop New Generation Wearable Syst. for e-HealthToward Revolution of Citizens’ Health, Life Style Management?, Lucca, Italy, 2003, pp. 73–80.

11.F. H. Wilhelm, W. T. Roth, and M. A. Sackner. The LifeShirt: An Advanced system for ambulatory measurement of respiratory and cardiac function. [Online]. Available: http://www.vivometrics.com/site/res_whitepapers.html

12.J.-L. Weber, D. Blanc, A. Dittmar, B. Comet, C. Corroy, N. Noury, R.Baghai, S. Vayasse, and A. Blinowska, “Telemonitoring of vital parameters with newly designed biomedical clothing VTAM,” in Proc. Int.Workshop New Generation Wearable Syst. for e-Health: Toward Revolution of Citizens’ Health, Life Style Management?, Lucca, Italy, 2003,pp. 169–174.

13.  VTAM Project.[Online].Available: http://www.medes.fr/VTAMN.html

14.S. Park and S. Jayaraman, “Enhancing the quality of life through wear- able technology,” IEEE Trans. Eng. Med. Biol., vol. 22, no. 3, pp. 41–48,Mar. 2003.

15.M. de Araújo, R. Fangueiro and H. Hong, modelling and simulation of the mechanical behaviour of weft-knitted fabrics for technical applications, University of Minho, Guimarães, Portugal

16.Smartex S.r.l.. [Online]. Available: http://www.smartex.it

17.Y. Bar-Cohen, Ed., Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles. Reality, Potential, and Challenges. Washington, DC: SPIE,p. 2001.

18.S. Tadokoro, T. Takamori, and J. Oguro, “Modeling IPMC for design of actuation mechanisms,” in Polymer Sensors and Actuators, Y. Osada and D. De Rossi, Eds. Berlin, Germany: Springer, 2000.

سهرابیان، بهروز، "آموزش دیجیتال به زبان ساده"، انتشارات جهاد دانشگاهی، تهران، 1382

خرازی زاده، سعید، "اصول الکترونیک"، مجتمع فنی تهران، پاییز 1379.

ناظر، سروش، "الکترونیک از قطعات تا سیستم"، کانون گسترش علوم الکترونیک، انتشارات نوید، شیراز، زمستان 1373.

رضایی، امیر حسین و محمد رضا ذهابی، "اندازه گیری الکترونیکی"، مرکز نشر دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، 1375.

فلیپس، چارلز و جان پار، "سیگنالها - سیستمها - تبدیلها"، انتشارات دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، 1378.

 هاپتمن، پیتر، "اصول و کاربرد سنسورها"، انتشارات آشینا، تبریز، 1378.

 دادگر، مهران و محمدی حسین، "طراحی و ساخت میکروپروسسور جهت اندازه­گیری تنشن تک نخ"، پروژه کارشناسی دانشکده نساجی، دانشگاه یزد، بهمن1379.

 رضازاده، "بهینه سازی میکروپروسسسور اندازه گیری تنشن تک نخ و دسته نخ"، پروژه کارشناسی ارشد، دانشگاه یزد، آبان 1385

سید عباس میرجلیلی ، " حلقوی پودی - جزوه درسی مقطع ارشد"، دانشگاه یزد، آبان 1385