Способ оптимизации контактного сопротивления в токопроводящих текстильных материалах
Способ оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также текстильных материалов, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление, может включать: выбор распознающего действия для текстильного материала, выбор комбинации переменных из числа переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных; и вплетание токопроводящей нити вязанием в текстильный материал в соответствии с выбранной комбинацией переменных, причем вязаная комбинация переменных обеспечивает оптимальное контактное сопротивление в текстильном материале, соотнесенное с необходимой для распознающего действия электропроводностью. Вязаная комбинация переменных может обеспечивать предсказуемую контактную площадь нити для токопроводящей нити, соотнесенную с оптимальным контактным сопротивлением. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 23 ил., 1 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к способу оптимизации контактного сопротивления в токопроводящих нитях и текстильных материалах, а также текстильным материалам, имеющим такое оптимизированное контактное сопротивление. Контактное сопротивление может быть оптимизировано для конкретного необходимого случая применения нити или текстильного продукта путем регулирования физических, химических и/или механических переменных в соответствии с параметрами, предсказуемыми для такого использования.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Создание электрических схем в текстильных материалах сопряжено с некоторыми трудностями. Обычные электрические схемы в текстильных материалах содержат проводящие волокна, которые вплетены в ткань или сотканы совместно с тканью, и емкостные или биоэлектрические датчики, преобразователи или подобные элементы, вставленные в текстильную структуру. Подобные решения имеют недостатки, такие как невозможность ношения проводящих тканей непосредственно на коже человека или ограничение небольшой площадью поверхности. В предметах одежды, содержащих добавленный к ткани датчик, процессы проектирования являются чрезмерно сложными и сопровождаются увеличением затрат на изготовление.
[0003] Все более важной областью в текстильных материалах становится область "интеллектуальных текстильных материалов", в которых электрические сигналы, представляющие физиологические данные, собирают с предметов одежды и передают в расположенные удаленно места, например, для отслеживания, исследования и оперативного исправления ситуации работниками здравоохранения. Однако такие текстильные устройства в действительности в целом не являются "интеллектуальными" текстильными материалами, поскольку они содержат твердотельные электронные средства, размещенные в текстильной оболочке и носимые как дополнение к одежде.
[0004] Предшествующие попытки были направлены на создание таких "интеллектуальных текстильных материалов". Например, в одном случае использовали чувствительную к деформации вязаную или тканую структуру ткани из переплетенных нитей, имеющих электрическое сопротивление, изменяющееся в зависимости от степени деформации. В другом случае попытка улучшить электрическую передачу включала множество датчиков, выполненных из проводящих нитей, в которых контакты нити выполнены в форме пьезорезисторных соединений таким образом, что контактное сопротивление изменяется с приложением давления. Другая ткань содержит активируемый давлением электрический датчик, встроенный в вязаную ткань таким образом, что контактное сопротивление волокна может быть связано с силой сжатия. В другой вязаной ткани, разработанной для распознавания давления и растяжения, использовалась одиночная проводящая нить, причем приложенное давление или растяжение вызывают изменение контактных площадей и сопротивления между смежными петлями нити. В еще одном примере в вязаном электронном датчике использовалась комбинация проводящих и непроводящих нитей таким образом, что растяжение в направлении петельного ряда или направлении петельного столбика вызывало разделение или объединение петель в датчике с результирующим изменением электрического сопротивления изделия. Однако, ни одна из этих попыток не достигает оптимальной конструкции текстильного материала для соответствующего преодоления недостатков контактного сопротивления в таком устройстве.
[0005] Таким образом, имеется потребность в способе проектирования текстильной структуры для управления положением и размером контактных площадей нити для управления, таким образом, электрическим контактным сопротивлением и чувствительностью структуры к деформации. Кроме того, имеется потребность в способе, в котором используется предсказуемая структура стежка, которая улучшает управление контактным сопротивлением. Также, имеется потребность в способе, котором обеспечивает возможность модификации текстильной структуры для конкретных областей применения. Кроме того, имеется потребность в способе, который обеспечивает возможность использования одиночного проводящего волокна в текстильном датчике. Наконец, имеется потребность в способе, который обеспечивает возможность использования текстильной структуры в качестве датчика для распознавания силы, давления, перемещения или температуры.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Варианты реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также текстильных материалов, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, могут включать выбор распознающего действия для текстильного материала, выбор комбинации переменных из группы, состоящей из переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных, и вплетание токопроводящей нити вязанием в текстильный материал в соответствии с выбранной комбинацией переменных, причем вязаная комбинация переменных обеспечивает оптимальное контактное сопротивление в текстильном материале, соотнесенное с необходимой для распознающего действия электропроводностью. Согласно некоторым вариантам реализации вязаная комбинация переменных обеспечивает предсказуемую контактную площадь для токопроводящей нити, соотнесенную с оптимальным контактным сопротивлением.
[0007] Другие варианты реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также текстильных материалов, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление, могут включать: выбор комбинации переменных из группы, состоящей из переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных; и вплетание вязанием токопроводящей нити, имеющей контактную площадь, в текстильный материал в соответствии с выбранной комбинацией переменных, причем вязаная комбинация переменных обеспечивает управляемую величину контактного сопротивления текстильного материала. Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать выбор распознающего действия для текстильного материала, причем управляемая величина контактного сопротивления текстильного материала соотнесена с необходимой для распознающего действия электропроводностью.
[0008] Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать выбор чувствительности измерения для распознающего действия, и вязаная комбинация переменных может обеспечивать оптимальное контактное сопротивление текстильного материала, соотнесенное с необходимой для чувствительности измерения электропроводностью. В различных вариантах реализации распознающее действие может быть выбрано из распознавания растягивающей силы, сжимающей силы, перемещения, температуры и физиологической активности.
[0009] Некоторые варианты реализации текстильного материала согласно настоящему изобретению могут содержать чувствительную область, содержащую токопроводящую нить, вплетенную вязанием в текстильный материал и выполненную с возможностью распознающего действия; причем чувствительная область содержит комбинацию переменных, выбранных из группы, состоящей из переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных, при этом указанная комбинация переменных обеспечивает оптимальное контактное сопротивление текстильного материала, соотнесенное с необходимой для распознающего действия электропроводностью. Согласно некоторым вариантам реализации комбинация переменных может включать предсказуемую контактную площадь нити для токопроводящей нити, соотнесенную с оптимальным контактным сопротивлением.
[0010] Некоторые варианты реализации текстильного материала согласно настоящему изобретению могут содержать чувствительную область, содержащую токопроводящую нить, вплетенную вязанием в текстильный материал; причем чувствительная область включает комбинацию переменных, выбранных из группы, состоящей из переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных, при этом указанная комбинация переменных обеспечивает управляемую величину контактного сопротивления текстильного материала. В таком варианте реализации чувствительная область может быть выполнена с возможностью распознающего действия, и управляемая величина контактного сопротивления текстильного материала может быть соотнесена с необходимой для распознающего действия электропроводностью.
[0011] Комбинация переменных может быть выбрана из: переменных нити, включая тип нити, способ изготовления нити и номер нити; переменных стежка, включая рисунок стежка, длину стежка и процентное содержание стежков; и текстильных переменных, включая электрическое удельное сопротивление, толщину ткани, вес ткани, оптическую пористость и выраженное в процентах постоянное растяжение.
[0012] Особенности способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также продуктов, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, могут быть достигнуты по-отдельности или в комбинации в одном или большем количестве вариантов реализации настоящего изобретения. Специалистам понятно, что могут быть осуществлены множество различных вариантов реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также продуктов, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению. Дополнительные использование, преимущества и особенности настоящего изобретения описаны в иллюстративных вариантах реализации, представленных в подробном описании, приведенном в настоящей заявке, и станут более очевидными для специалистов после ознакомления с нижеследующим.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] На фиг. 1 схематически показаны два связанных нитьевых блока с однофонтурным вязаным рисунком стежка.
[0014] На фиг. 2 представлена таблица, показывающая значения среднего удельного электрического сопротивления (MER) в контрольном рисунке однофонтурного стежка и четырех образцах рисунка стежка, имеющих различные процентные содержания пропущенных и прессовых стежков. Среднее электрическое сопротивление показано для каждого рисунка стежка, имеющего ослабленные или натянутые петельные ряды, или ослабленные или натянутые петельные столбики.
[0015] На фиг. 3А схематически показано изображение рисунка гладкого однофонтурного вязаного стежка.
[0016] На фиг. 3В схематически показано изображение вязаного рисунка стежка, имеющего однофонтурные стежки, пропущенные стежки и прессовые стежки, причем на чертеже показаны контактные точки нити в прессовом стежке согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.
[0017] На фиг. 4 показано полученное с использованием сканирующего электронного микроскопа изображение контактной площади нити для однофонтурной уточной вязаной ткани, покрытой проводящим полимером на основе полипиррола (PPy), согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.
[0018] На фиг. 5А показана коробчатая диаграмма, показывающая изменения среднего электрического сопротивления в контрольном рисунке однофонтурного стежка и четырех рисунках стежков, имеющих различные процентные содержания пропущенного и прессовых стежков, показанные на фиг. 2. Диапазон среднего электрического сопротивления показан для каждого рисунка стежка в ослабленном состоянии в направлении петельного ряда и в направлении петельного столбика.
[0019] На фиг. 5В представлена диаграмма, показывающая изменения толщины ткани относительно среднего удельного электрического сопротивления в петельных рядах и петельных столбиках для контрольного рисунка однофонтурного стежка и четырех образцов рисунков стежка, имеющих различные процентные содержания пропущенных и прессовых стежков, показанные на фиг. 2.
[0020] На фиг. 5С представлена диаграмма, показывающая изменения оптической пористости относительно среднего удельного электрического сопротивления в петельных рядах и петельных столбиках для контрольного рисунка однофонтурного стежка и четырех образцов рисунка стежка, имеющих различные процентные содержания пропущенных и прессовых стежков, показанные на фиг. 2.
[0021] На фиг. 6 представлена диаграмма, показывающая изменения оптической пористости относительно среднего удельного электрического сопротивления в петельных рядах и петельных столбиках для 50%-ого гладкого рисунка однофонтурного стежка.
[0022] На фиг. 7 показан перспективный вид испытательного стенда, используемого для измерения нагрузки или давления, действующих на рисунки стежков, имеющих различные процентные содержания пропущенных и прессовых стежков в петельном столбике (вертикальном направлении) и петельном ряду (горизонтальном направлении).
[0023] На фиг. 8 представлена диаграмма, показывающая изменения электрического сопротивления, вызванные различными нагрузками в петельном ряду (горизонтальном направлении) для четырех образцов рисунков стежка, имеющих различные процентные содержания пропущенных и прессовых стежков, показанные на фиг. 2.
[0024] На фиг. 9 представлена диаграмма, показывающая изменения электрического сопротивления, вызванные различными нагрузками в петельном столбике (вертикальном направлении) для четырех образцов рисунков стежка, имеющих различные процентные содержания пропущенных и прессовых стежков, показанные на фиг. 2.
[0025] На фиг. 10 представлена диаграмма, показывающая электрическое сопротивление на линии непосредственно ниже лодыжки в петельном столбике (вертикальном направлении) для каждого из двух образцов рисунков стежка, имеющих различные процентные содержания пропущенных и прессовых стежков.
[0026] На фиг. 11 представлена диаграмма, показывающая электрическое сопротивление на линии вдоль подъема свода стопы в петельном столбике (вертикальном направлении) для каждого из двух образцов рисунков стежка, имеющих различные процентные содержания пропущенных и прессовых стежков.
[0027] На фиг. 12 схематически показано изображение двух связанных нитьевых блоков в однофонтурном вязаном рисунке стежка, показанном на фиг. 1, показывающее ширину, высоту, промежуток и толщину нитьевого блока.
[0028] На фиг. 13 показана полученная с использованием электронного микроскопа фотография образца ткани, содержащей многоволоконную крученую полиэстровую нить, покрытую серебром, сплетенную в гладкий рисунок однофонтурного стежка, в недеформированном состоянии.
[0029] На фиг. 14 показана полученная с использованием электронного микроскопа фотография образца ткани, содержащей спряденную нить из штапельного волокна и нержавеющей стали, сплетенную в гладкий рисунок однофонтурного стежка, в недеформированном состоянии.
[0030] На фиг. 15 показана полученная с использованием электронного микроскопа фотография образца ткани, показанного на фиг. 13, при растяжении на 22% в направлении петельного столбика, показывающая улучшенный контакт нити по сравнению с недеформированным состоянием.
[0031] На фиг. 16 показана полученная с использованием электронного микроскопа фотография образца ткани, показанного на фиг. 14, при растяжении на 11% в направлении петельного столбика, показывающая такой же контакт нити, как и в недеформированном состоянии.
[0032] На фиг. 17 показана полученная с использованием электронного микроскопа фотография образца ткани, показанного на фиг. 15 при растяжении на 20% в направлении петельного ряда, показывающая ухудшенный контакт нити по сравнению с недеформированным состоянием.
[0033] На фиг. 18 показана полученная с использованием электронного микроскопа фотография образца ткани, показанного на фиг. 16 при растяжении на 12,5% в направлении петельного ряда, показывающая немного ухудшенный контакт нити по сравнению с недеформированным состоянием.
[0034] На фиг. 19 представлена таблица, показывающая измеренные удельные сопротивления для каждого из образцов из полиэстра и мериносовой шерсти при каждой из семи исследованных температур.
[0035] На фиг. 20 представлена диаграмма, показывающая результаты измерения удельного сопротивления для каждого образца ткани, представленных на фиг. 19, в зависимости от температуры.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0036] В целях настоящего описания, если не указано иное, все числа, выражающие количества, условия и т.п., используемые в описании, следует понимать как изменяемые во всех случаях термином "примерно". Соответственно, если не указано противное, числовые параметры, приведенные в нижеследующем описании, являются приближениями, которые могут изменяться в зависимости от необходимых свойств, которые должны быть получены в результате осуществления вариантов реализации, описанных в настоящей заявке. По крайней мере, но не в качестве попытки ограничения случаев применения доктрины эквивалентов к объему защиты настоящего изобретения, каждый числовой параметр по меньшей мере должен быть рассмотрен в свете количества указанных значащих цифр и с применением обычных способов округления.
[0037] Несмотря на то, что числовые диапазоны и параметры, определяющие широкий объем описанных вариантов реализации, являются приближениями, эти числовые значения, приведенные в конкретных примерах, указаны насколько возможно точно. Однако, любое числовое значение неотъемлемо содержит определенную ошибку, обязательно вытекающую из среднеквадратичного отклонения, возникающего при соответствующих испытательных измерениях. Кроме того, все диапазоны, описанные в настоящей заявке, должны пониматься как охватывающие любой и все поддиапазоны, включенные в их категорию. Например, установленный диапазон "1-10" следует понимать как включающий любой и все поддиапазоны между (и включительно) минимальным значением 1 и максимальным значением 10, т.е. все поддиапазоны, начинающиеся с минимального значения 1 или больше и заканчивающиеся максимальным значением 10 или меньше.
[0038] Используемые в настоящем описании исключительные формы "один", "некоторый" и "этот" включают множественные формы, если контекст явно не указывает иначе. Таким образом, например, термин "нить" предназначен для обозначения одиночной нити или одной и большего количества нитей. В целях настоящего описания термины, такие как "вперед", "назад", "передний", "задний", "правый", "левый", "вверх", "вниз" и т.п., использованы для удобства и не должны рассматриваться в качестве ограничивающих терминов. Кроме того, любая ссылка, выраженная как "включенный в настоящую заявку", должна быть понята как "включенный полностью".
[0039] Нижеследующие определения сделаны в целях описания, приведенного в настоящей заявке:
[0040] "Контактное сопротивление": уравнение 
является уравнением Хольма для контактного сопротивления, где Rc - контактное сопротивление, ρ - удельное сопротивление материала, Н - твердость материала, и F - нормальная сила. Уравнение 
является другим представлением уравнения Хольма, которое является более соответствующим текстильному материалу на основе контактного сопротивления. Сила F заменена на аргумент nP, где n - количество контактных точек, и P - контактное давление. Твердость материала и электрическое удельное сопротивление являются константами, которые зависят от свойств текстильного материала. Поэтому, контактное сопротивление обратно пропорционально числу контактных точек и контактному давлению. Таким образом, увеличение количества контактных точек приводит к уменьшению контактного сопротивления. Поэтому, при увеличении количества контактных точек и/или контактного давления контактное сопротивление уменьшается. Используемый в настоящей заявке термин "контактное сопротивление" обозначает меру электропроводности нити или текстильного материала. В "микро" масштабе шероховатость поверхности ограничивает контакт "поверхность-поверхность". Кроме того, при увеличении давления количество контактных точек увеличивается, и в конечном счете в "нано" масштабе отдельные контактные точки "объединяются" в большую контактную область. Для определения пределов этих контактных точек и, следовательно, площади контакта, которую они формируют, могут быть использованы способы, такие как "Интегрирование как суммирование" и "Метод конечных элементов (FEM)".
[0041] "Петельный ряд" определен как горизонтальный ряд межпетельных стежков, проходящих поперек ширины вязаной ткани.
[0042] "Усилие" определено как любое влияние, которое подвергает объект определенному изменению относительно его перемещения, направления или относительно его геометрической формы. Относительно гибкой текстильной сети усилие проявляться как растяжение, сжатие или перемещение структуры ткани.
[0043] "Пропущенный стежок" определен как связывающий вязанием стежок, в котором по меньшей мере одна игла держит старую петлю и не получает новой нити на протяжении одного или большего количества петельных столбиков. Пропущенный стежок соединяет две петли того же самого петельного ряда, которые не находятся в смежных петельных столбиках.
[0044] "Гладкий стежок" определена как связывающий вязанием стежок, в котором петлю нити притягивают к технической изнанке ткани. Гладкий стежок образует ряд петельных столбиков или продольных рубчиков на лицевой стороне ткани и петельных рядов или перекрестных петель на изнанке. Гладкий стежок также может упоминаться как "однонитьевое гладкое трикотажное переплетение" или "однофонтурное гладкое переплетение".
[0045] "Прессовая петля" определена как связывающий вязанием стежок, в котором нить удерживается в крюке иглы и не формирует новую петлю.
[0046] "Петельный столбик" определен как вертикальный ряд межпетельных стежков, сформированных действием одной иглы на последовательных петельных рядах вдоль ткани.
[0047] Другие конкретные определения приведены в другом месте в настоящем описании.
[0048] Настоящее изобретение может включать варианты реализации способа или процесса оптимизации контактного сопротивления в токопроводящих нитях и текстильных материалах, а также текстильных материалах или текстильных продуктах, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление. На фиг. 1-20 показаны такие варианты реализации. Контактное сопротивление может быть оптимизировано для конкретного необходимого использования нити или текстильного продукта путем регулирования физических, химических и/или механических переменных в соответствии с параметрами, необходимыми для такого использования. Пример варианта реализации может содержать способ для проектирования и/или построения текстильной структуры, управления узором петель, процентным содержанием различных стежков в узоре петель, плотностью трикотажного переплетения, составом нити, способом изготовления нити и/или номер нити.
[0049] Управление такими переменными может управлять количеством, местоположением и размером (т.е. качеством) контактных точек нити (контактной площадью 52 нити) и, таким образом, оптимизировать контактное сопротивление и чувствительность текстильной структуры для измерения конкретного типа. Возможность управлять контактным сопротивлением и регулировать его для оптимальной электропроводности для конкретного датчика обеспечена по меньшей мере частично пропорциональными отношениями между стежком, нитью и текстильными переменными или характеристиками, и контактной площадью (52) нити. Например, контактным сопротивлением можно управлять путем вставления и удаления стежков различных типов в процентном отношении к полной вязаной структуре для изменения размера и формы контактной площади (52) нити. В таком способе может быть учтена объемная сложность текстильной структуры, включая, например, взаимодействия волокон непосредственно внутри нити и отношения управляемых переменных к характеристикам электрического сопротивления во время деформации текстильной структуры.
[0050] Кроме того, выбор таких стежка, нити/волокна и текстильных переменных и управление ими для обеспечения оптимального контактного сопротивления для конкретного случая использования текстильной структуры могут быть предсказуемыми, например, математически предсказуемым выбором переменных и соотнесенного контактного сопротивления.
[0051] Согласно некоторым вариантам реализации такой способ оптимизации контактного сопротивления может быть применен к гибким токопроводящим нитям, текстильным материалам и продуктам. Согласно некоторым вариантам реализации сплетенные нити могут функционировать в качестве токопроводящего датчика или сети датчиков. Такая структура вязания может быть выполнена таким способом, при котором она может использоваться для создания плотно прилегающего и удобного предмета одежды. Предмет одежды может быть, например, компрессионным предметом одежды, или предметом одежды, который действует подобно компрессионному предмету одежды. Согласно некоторым вариантам реализации текстильная структура может быть сформирована внутри обычного предмета одежды и использована в качестве датчика. Таким образом, текстильная структура может иметь полностью интегрированные плетеные датчики, вместо электронных компонентов, вставленных в ткани, как в обычных текстильных материалах. В результате, текстильная структура может быть настроена таким образом, чтобы датчики могли быть размещены в различных необходимых местах в текстильной структуре. Такие датчики могут быть использованы для измерения усилия, давления, напряжения, перемещения, температуры, физиологической активности и/или других переменных.
[0052] Согласно некоторым вариантам реализации способ оптимизации контактного сопротивления согласно настоящему изобретению может быть применен к токопроводящим нитям, текстильным материалам и текстильным продуктам, которые являются гибкими. Управление контактным сопротивлением в гибком плетении токопроводящей нити позволяет текстильной структуре действовать непосредственно как чувствительный элемент. Таким образом, "текстильный материал является датчиком". Согласно данному варианту реализации дополнительные механические или твердотельные электрические компоненты не являются необходимыми для текстильного материала для измерения интересующих переменных. Некоторые варианты реализации текстильного продукта, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут быть равноправно описаны как "текстильный материал в качестве датчика" или "текстильный датчик".
[0053] Такой гибкий текстильный датчик согласно настоящему изобретению имеет некоторые преимущества. Например, одно преимущество состоит в том, что в результате возможности управлять и оптимизировать контактное сопротивление, такой текстильный датчик может эффективно функционировать в различных областях применения, связанных с распознаванием. Другое преимущество возможности управлять и оптимизировать контактное сопротивление состоит в том, что в текстильном материале, сконструированном для выполнения функции распознавания, проводимость может быть увеличена для типа распознаваемого сигнала для обеспечения более точного распознавания и передачи сигнала. Другое преимущество такого текстильного датчика состоит в том, что формой датчика или областью распознавания можно управлять. Геометрическая форма датчика может влиять на его функционирование. Например, в текстильном датчике, используемом для распознавания частоты дыхания, датчик или чувствительная область, имеющая форму волны синусоиды, обеспечивает более отчетливый сигнал и использует меньше энергии чем датчики, имеющие другие формы. Кроме того, тип и форма датчика могут влиять на то, как распознающее действие взаимодействует с электронными средствами для передачи и/или регистрации сигнала от текстильного датчика. Соответственно, иным образом сформированные датчики в текстильном датчике могут быть предпочтительно использованы в различных областях применения.
[0054] Другое преимущество управления электрическими сигналами исключительно в самой текстильной структуре состоит в том, что контактное сопротивление может быть оптимизировано в макро-масштабе (>2,5×10-3 м2) и в наномасштабе. Другое преимущество возможности управления и оптимизации контактного сопротивления в самой текстильной структуре состоит в том, что текстильный датчик может быть настроен для включения любого количества чувствительных областей. Например, такой текстильный датчик может включать единственную большую чувствительную область или множество малых чувствительных областей. В конкретных вариантах реализации способность текстильного датчика может быть объединена с другими характеристиками материала волокна/нити для обеспечения дополнительных функциональных возможностей распознавания.
[0055] Другое преимущество вариантов реализации такого текстильного датчика состоит в том, что чувствительная структура может содержать одиночный слой ткани. Напротив, обычные датчики, такие как датчики емкостного типа, могут потребовать наличия множества слоев ткани и неподвижных пластин. Варианты реализации такого текстильного датчика могут включать плетение резистивного датчика, которое позволяет осуществлять распознавание различных типов без дополнительных слоев ткани. В результате, некоторые варианты реализации такого текстильного датчика могут содержать облегающий настраиваемый предмет одежды, который можно легко носить на коже и который, таким образом, обеспечивает широкий диапазон областей применения. Например, некоторые варианты реализации таких резистивных текстильных датчиков, размещенных на коже владельца, могут распознавать изменения сил, возникающих в теле владельца, такие как интенсивность дыхания, механическое перемещение суставов или напряжение во время тренировки. В конкретных вариантах реализации такие резистивные текстильные датчики могут выполнять физиологическое распознавание, например, распознавание сердечного ритма, сигнал волн мозга или другую мускульную активность.
[0056] Некоторые варианты реализации текстильной структуры настоящего изобретения обеспечивают преимущества, состоящие в комфорте, по сравнению с обычными датчиками на основе текстильного материала. Например, обычные датчики на основе текстильного материала могут быть ограничены ткаными и/или слоистыми структурами, которые ограничивают количество материалов, подходящих для использования и/или при тесном контакте с кожей вызывают ее раздражение. Существующие датчики, которые требуют наличия множества слоев ткани и неподвижных пластин, также ограничивают комфорт и ускоряют износ текстильного распознающего устройства. Таким образом, другое преимущество такого текстильного датчика согласно настоящему изобретению состоит в том, что без дополнительных механических и/или электрических компонентов или дополнительных слоев ткани вязаный текстильный датчик может обеспечить повышенный комфорт и длительный срок службы в носимом продукте.
[0057] Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения оптимизация контактного сопротивления в токопроводящих нитях и текстильных материалах может включать управление и/или оптимизацию переменных нити, переменных стежка и/или текстильных переменных для управления и/или оптимизации контактной площади (52) нити.
[0058] Физические переменные нити или характеристики нити, которые могут влиять на контактное сопротивление, включают, например: (1) тип или состав нити; (2) способ изготовления нити; и (3) номер нити.
[0059] Тип нити или ее состав влияют на топографию поверхности нити (шероховатость поверхности) и, таким образом, контактную площадь (52) нити в токопроводящей нити и/или текстильном материале. В целях настоящего описания тип нити или ее состав включает характеристики, такие как, например, является ли нить натуральной или синтетической, штапельной нитью из комплексной пряжи, нитью из элементарного волокна, одиночной или многонитьевой, одиночной или многослойной, тип и степень кручения, текстурирована ли нить и/или другие характеристики. Аналогично, способ, которым изготовлена нить, такой, например, как способ кручения нити, влияет на топографию поверхности и контактную площадь (52) нити.
[0060] Соответственно, тип нити или ее состав и способ изготовления нити влияют на контактное сопротивление в вязаной ткани. Различные токопроводящие волокна и нити могут быть использованы для создания текстильной структуры, имеющей оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению. Например, некоторые варианты реализации такой текстильной структуры могут быть созданы с использованием токопроводящей серебряной или покрытой серебром нити, токопроводящей нити из полиэстра-нержавеющей стали или комбинации таких нитей. Нити различных типов и различные способы изготовления нити могут влиять на контактную площадь (52) нити и контактное сопротивление по-разному. Контактные резистивно оптимизированные текстильные структуры, содержащие токопроводящие нити выбранных типов, составов и способов изготовления, могут быть использованы в различных областях применения для измерения давления, перемещения и/или температуры.
[0061] Номер нити соотносится с линейной массовой плотностью волокон и определяется как масса в граммах на 1000 метров. Таким образом, номер нити является мерой размера нити. Номер нити связан с диаметром нити и, следовательно, контактной площадью (52) нити. В частности, нить, имеющая более высокий номер, может обеспечивать увеличенную контактную площадь (52) и, таким образом, уменьшать контактное сопротивление.
[0062] Переменные стежка или характеристики, которые могут влиять на контактное сопротивление, включают, например: (1) тип, состав или рисунок стежка; (2) длину стежка; и (3) процентное содержание стежка.
[0063] Тип стежка, состав или рисунок влияют на контактную площадь (52) нити, как показано на фиг. 3 и 4. Один общий тип стежка, показанный на фиг. 3А, является гладким рисунком 10 однофонтурного стежка. Рисунок 10 однофонтурного гладкого стежка имеет взаимосвязывающие петли 22, 24 стежка, которые прилегают к однофонтурным контактным точкам 42. Тип, состав, или рисунок стежка определяют конфигурацию нити в текстильном материале, которая влияет на контактную площадь (52) нити и, таким образом, контактное сопротивление.
[0064] Длина 20 стежка определена как длина нити, которая включает игольную петлю 22 и половину платинной петли 24 с обеих сторон игольной петли. В целом, чем больше длина 20 стежка, тем больше расширяется и тем легче ткань, и тем больше потенциальное количество контактных точек (например, 42, 44, 46, 48, 50) нити. Как показано на фиг. 3В, длина 20 стежка и состав стежка изменены по сравнению со стежком, показанным на фиг. 3А, что приводит к увеличенному числу контактных точек 42, 44, 46, 48, 50. Три стежка в конкретном рисунке обеспечивают увеличенное число контактных точек нити по сравнению с количеством контактных точек, обеспеченных двумя стежками, что в свою очередь обеспечивает увеличенное число контактных точек нити по сравнению с количеством контактных точек, обеспеченных одним стежком. Соответственно, длина 20 стежка влияет на контактную площадь 52 нити и, таким образом, контактное сопротивление.
[0065] Процентное содержание стежка определено как процентное содержание типа стежка в рисунке стежка. Например, процентное содержание стежка может относиться к процентному содержанию однофонтурного, пропущенного или прессового стежков 10, 34, 36 соответственно в рисунке стежка. Процентное содержание стежка соотносится с толщиной ткани. Процентное содержание стежка, которое увеличивает толщину ткани, в результате приводит к увеличенной контактной площади (52) нити и, следовательно, к соответствующему уменьшению контактного сопротивления (и увеличению электропроводности). Переменная процентного содержания стежка или метрика относится к ткани/датчику в состоянии покоя. При приложении усилия толщина ткани в целом уменьшается.
[0066] Контактная площадь (52) нити оказывает прямое влияние на контактное сопротивление текстильной структуры. Контактное сопротивление связано с характеристикой проводимости площади (52) контактной поверхности нити. Чем больший контактная площадь (52) нити и меньше шероховатость поверхности нити, тем выше удельная электропроводность. Увеличение контактной площади (52) нити вызывает пропорциональное уменьшение контактного сопротивления. Каждая из переменных нити, стежка и текстильных переменных влияет на контактную площадь (52) нити и, таким образом, представляет собой переменные, которые могут быть использованы для управления и/или оптимизации контактной площади (52) нити и, таким образом, удельной электропроводности нити и контактного сопротивления.
[0067] Контактная площадь нити показана на фиг. 1, 3А и 3В. На фиг. 1 схематически показан однофонтурный стежок 10. В однофонтурной вязаной ткани игольная петля 22 или нитьевой блок содержит игольную дугу 26 и две боковые петельные палочки 28, которые формируют остов 30. В основании каждой петельной палочки 28 имеется протяжка 32, которая вплетена в игольную дугу 26 петли 24, сформированной в предыдущем вязальном цикле. Петельная палочка 28 игольной петли 22 проходит от одной стороны (или лицевой стороны) к другой стороне/лицевой стороне платинной петли 24 поперек петельной палочки 28 и игольной дуги 26 платинной петли 24 и затем совершает петлю вокруг для возвращения поперек игольной дуги 26 и противоположной петельной палочки 28 платинной петли 24 для возвращения к исходной стороне/лицевой стороне платинной петли 24.
[0068] На фиг. 3А и 3B схематически представлены структуры стежка, показывающие контактные точки нити. На фиг. 3А схематически показан рисунок однофонтурного стежка. Как показано на фиг. 3А, взаимосвязывающие петли стежка касаются однофонтурных контактных точек 42. В рисунке однофонтурного стежка один стежок контактирует со смежным стежком по существу только на одной стороне или поверхности смежного стежка (или ткани) за один раз. Таким образом, в двух связанных петлях стежка петельные палочки первой петли стежка контактируют с протяжками второй, смежной петли стежка на одной поверхности второй петли стежка. На противоположной поверхности второй петли стежка игольная дуга первой петли стежка контактирует с петельными палочками второй петли стежка. В результате, однофонтурные контактные точки ограничиваются относительно небольшими точками пересечения смежных петель.
[0069] На фиг. 3B схематически показан рисунок однофонтурного гладкого переплетения, имеющего пропущенные и прессовые петли. Рисунок однофонтурного стежка, имеющий пропущенные и прессовые стежки, включает однофонтурные контактные точки 42, а также дополнительные контактные точки в пропущенном и прессовых стежках.
[0070] Контактная точка 44 прессового стежка образуется, когда петля прессового стежка связывается в петельном ряду со стежками примыкающего типа. Как показано на фиг. 3В, в прессовом стежке петельная палочка петли стежка проходит вокруг игольной дуги петли смежного стежка. Петельная палочка петли прессового стежка контактирует с первой поверхностью на одной стороне игольной дуги петли смежного стежка. Петельная палочка петли прессового стежка в этом случае проходит внизу для контактирования таким образом с второй поверхностью игольной дуги петли смежного стежка под углом по существу прямым относительно первой контактной поверхности. Наконец, петельная палочка петли прессового стежка проходит к противоположной стороне петли смежного стежка для контактирования с третьей поверхностью игольной дуги петли смежного стежка по существу перпендикулярно к первой контактной поверхности и по существу параллельно к первой контактной поверхности.
[0071] Подразумевается, что контакт (контакты) между петельной палочкой петли прессового стежка и первой, второй и третьей контактными поверхностями игольной дуги смежной петли стежка все вместе формируют непрерывную контактную точку (44) прессового стежка вокруг формы игольной дуги петли смежного стежка. В результате этой непрерывной контактной конфигурации контактная точка 44 прессового стежка приблизительно в три раза больше размера однофонтурной контактной точки 42. Благодаря увеличенной контактной площади нити контактная точка 44 прессового стежка имеет уменьшенное контактное сопротивление по сравнению с однофонтурной контактной точкой 42.
[0072] Контактная точка 46 прессовой петли образуется, когда прессовая петля прессового стежка нажимает на висящую петлю прессового стежка. Как показано на фиг. 3B, игольная дуга прессовой петли контактирует с игольной дугой висящей петли в основном вдоль всей длины игольных дуг прессовой петли и висящей петли. В результате, контактная площадь нити (YCA) в контактной точке 46 прессовой петли составляет приблизительно одну треть длины петли прессового стежка. Благодаря увеличенной контактной площади нити контактная точка 46 прессовой петли имеет уменьшенное контактное сопротивление по сравнению с однофонтурной контактной точкой 42. Контактная точка 46 прессовой петли уменьшает контактное сопротивление нити, когда текстильный материал, содержащий прессовые стежки, находится в расслабленном состоянии или в натянутом состоянии.
[0073] Контактная точка 48 висящей петли формируется, когда висящая петля прессового стежка прикладывает силу к петле смежного стежка. Как показано на фиг. 3B, игольная дуга висящей петли прессового стежка контактирует с протяжкой петли смежного стежка в той же самой точке, что и игольная дуга прессовой петли. Контактная точка 48 висящей петли имеет размер, подобный размеру однофонтурной контактной точки 42, но обеспечивает уменьшенное контактное сопротивление нити по сравнению с однофонтурной контактной точкой 100 благодаря растяжению и восстановлению, присущим текстильному материалу, содержащему прессовые стежки.
[0074] Натянутая контактная точка 50 прессового стежка формируется, когда на текстильный материал, содержащий прессовые стежки, действует растягивающее усилие. Как показано на фиг. 3B (в правой части), когда на структуру прессового стежка действует растягивающее усилие, петельная палочка петли прессового стежка принуждена контактировать с петельной палочкой петли смежного стежка. Контактная площадь нити натянутой контактной точки 50 прессового стежка составляет приблизительно одну треть длины петли стежка. Благодаря увеличенной контактной площади нити натянутая контактная точка 50 прессового стежка имеет уменьшенное контактное сопротивление. Натянутая контактная точка 50 прессового стежка оказывает значительное влияние на контактное сопротивление нити, когда текстильный материал, содержащий такие стежки, находится под действием растягивающего усилия.
[0075] По сравнению с гладким рисунком однофонтурного стежка, показанного на фиг. 3А, дополнительные контактные точки 44, 46, 48 и 50, показанные в структурах прессового стежка на фиг. 3B, обеспечивают увеличенное количество и качество контактных точек. Качество контактных точек нити связано с факторами, такими как размер площади контактирующей поверхности между двумя или большим количеством частей нити и степень, до которой контактные точки остаются в контакте при перемещении текстильного материала, нити и стежков во время натягивания или деформации и расслабления. Соответственно, контактные точки 44, 46, 48 и 50 прессового стежка обеспечивают увеличенную контактную площадь нити и уменьшенное контактное сопротивление. Таким образом, варианты реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов могут включать вязание прессовых стежков. Аналогично, текстильные материалы, имеющие такое оптимизированное контактное сопротивление, могут содержать прессовые стежки. Оптимизация и, таким образом, управление контактным сопротивлением токопроводящих нитей и текстильных материалов путем изменения количества и качества контактных точек прессового стежка может быть применено к различным формам вязаных текстильных материалов, в которых используются такие стежки.
[0076] На фиг. 4 показано полученное с использованием сканирующего электронного микроскопа изображение контактной площади 52 нити для гладкого однофонтурного стежка 10, в котором уточная вязаная ткань покрыта проводящим полимером полипиррола (PPy). На фиг. 4 показано распространение контактных точек 42 нити в этом образце ткани, содержащей однофонтурные стежки 10. Когда к проводящей вязаной ткани приложена нагрузка, контактная площадь 52 нити увеличивается благодаря сглаживанию любой шероховатости поверхности ткани и сжатию отдельных моноволокон в единое большое проводящее волокно. Контактная площадь 52 нити увеличивается пропорционально полной окружности нити, находящейся в контакте, и общему количеству охваченных волокон.
[0077] Как описанный в настоящей заявке, тип нити или состав и способ изготовления нити каждая топография поверхности нити влияния, или шероховатость поверхности, и таким образом размер и форма, или конфигурация, контактной площади (52) нити. Аналогично, каждый из параметров, таких как тип стежка, состав или рисунок, длина стежка и процентное содержание стежка, влияет на контактную площадь (52) нити. Соответственно, эти переменные воздействуют на контактное сопротивление между смежными нитями в вязаной ткани. Различные токопроводящие нити имеют различную конфигурацию контактных точек нити. Например, токопроводящая нить из полиэстра-нержавеющей стали имеет первую конфигурацию (размер и форму) контактных точек нити. Токопроводящая покрытая серебром нить имеет вторую конфигурацию (размер и форму) контактных точек нити, отличающуюся от первой конфигурации контактных точек нити из полиэстра-нержавеющей стали. Однако, варианты реализации способов оптимизации контактного сопротивления согласно настоящему изобретению имеют преимущество применения в целом к топографии поверхности всех нитей. Таким образом, предсказуемость конкретного выбора переменных нити и стежка для оптимизации контактного сопротивления для определенных областей применения может быть обеспечена вообще для любой токопроводящей нити.
[0078] В вариантах реализации способа согласно настоящему изобретению физические текстильные переменные, которыми можно управлять и/или которые могут быть измерены относительно оптимизации контактного сопротивления, включают: (1) среднее удельное электрическое сопротивление (MER); (2) толщину ткани; (3) вес ткани; (4) оптическую пористость (OP) и (5) процентное содержание постоянного растяжения (PPS).
[0079] Удельное электрическое сопротивление токопроводящих тканей традиционно измеряют в основном с использованием четырехточечной зондовой измерительной установки, с результатами в омах на квадрат. Этот способ в основном используют для измерения сопротивления тонкой пленки или листа, и предполагается, что тонкая пленка является плоской, в результате чего сопротивление вычисляют с использованием уравнения R=Rs(I/w), где Rs - удельное поверхностное электрическое сопротивление. Поскольку текстильные материалы являются объемными, размер глубины, не смотря на его малость относительно ширины и длины, обеспечивает основу для дополнительных контактных точек внутри чувствительной структуры. Поэтому, в целях, описанных в настоящей заявке, удельное поверхностное электрическое сопротивление измеряют в омах и удельное объемное сопротивление в Ом-см (Ω-см), или Ом⋅см (Ω⋅см). Применение двухзондового способа, описанного в настоящей заявке, позволяет отслеживать выходной электрический сигнал в горизонтальном и вертикальном направлениях (измеренный в Ом-см). Такой двухзондовый способ дополнительно позволяет отслеживать выходной сигнал с приращениями на 360°, если зонды надлежащим образом присоединены на чувствительной структуре.
[0080] Среднее электрическое сопротивление (MER) (кОм-см) определяется как измерение выхода, которое регистрирует сопротивление ткани. Среднее электрическое сопротивление текстильного материала может составлять от примерно 20±1 Ом-см до примерно 500±15 кОм-см. Среднее электрическое сопротивление, измеренное в направлении петельного ряда, отличается от среднего электрического сопротивления, измеренного в направлении петельного столбика. Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения оптимизация контактного сопротивления позволяет оптимизировать среднее удельное электрическое сопротивление (MER). Таким образом, при увеличении контактной площади (52) нити контактное сопротивление нити уменьшается, и среднее электрическое сопротивление также уменьшается.
[0081] Толщина ткани (в мм) влияет на возможность оптимизации удельной электропроводности ткани. Как показано на фиг. 5B, увеличение толщины повышает удельную электропроводность. Таким образом, при увеличении толщины ткани увеличивается контактная площадь (52) нити, и уменьшается контактное сопротивление. В примере, показанном на фиг. 5B, увеличение контактной площади (52) между отдельными нитями происходит благодаря увеличению процентного содержания или пропорции пропущенных (М) стежков 34 и прессовых (Т) стежков 36 относительно процентного содержания или пропорции однофонтурных (SJ) стежков 10 и демонстрируется увеличенной толщиной текстильного материала. Например, комбинация SJ/M/T стежков с 15% или меньшим количеством пропущенных стежков (34) в результате приводит к более толстой ткани чем комбинация SJ/M/T стежков с 15% или меньшим количеством прессовых стежков (36). Согласно некоторым вариантам реализации толщина ткани может составлять от примерно 0,5±0,001 мм и больше. Увеличение количества нитей приводит к увеличению толщины ткани и, следовательно, увеличению контактных площадей (52) нити и, таким образом, уменьшению контактного сопротивления и повышению электропроводности.
[0082] Вес ткани (г⋅м/м2): Если толщину ткани увеличивают для управления контактным сопротивлением, вес ткани приводит к тому же результату. Поэтому, при увеличении толщины ткани веса ткани соответственно увеличивается наряду с последующим увеличением контактной площади (52) нити и уменьшением контактного сопротивления. Увеличение количества пропущенных и прессовых стежков приводит к увеличению веса ткани благодаря конструкции пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36 в вязальном процессе. Пропущенные стежки 34 и прессовые стежки 36 вызывают рост (в различных пропорциях) избыточных нитей в текстильной структуре по сравнению с однофонтурными 10 тканями. Согласно некоторым вариантам реализации вес ткани может колебаться от 100±0,0001 г⋅м2 и больше. Варианты реализации, в которых используется нить, имеющая увеличенный номер (в текс/денье), таким образом, содержат ткань, имеющую увеличенную толщину и, таким образом, увеличенный вес, который, в свою очередь, способствует уменьшению контактного сопротивление и повышению электропроводности.
[0083] Оптическая пористость (ОР) (процентное содержание черных пикселов) определяется как мера света, который передается через ткань при испытании с использованием оцифрованных изображений и анализируется с использованием программного обеспечения "ImageTool", разработанного Университетом Техасского научного центра здоровья в Сан-Антонио. Оптическая пористость обеспечивает поддающуюся количественному определению меру коэффициента заполнения ткани. "Коэффициент заполнения ткани" определяется как отношение площади, покрытой нитями, к полной площади ткани. Оптическая пористость измеряется как отношение черных пикселов к белым пикселам. Уменьшение оптической пористости соответствует уменьшению контактного сопротивления. Пропущенный и прессовый стежки формируются, когда один или большее количество стежков удаляют из структуры гладкого трикотажного стежка 10 в уточном (пропущенный стежок 34) направлении или основном (прессовый стежок 36) направлении. Как и в отношении веса ткани, изменение в процентном содержании или относительной пропорции однофонтурных/пропущенных/прессовых стежков вызывает изменение количества света, который может пройти сквозь ткань. Гладкий трикотажный стежок 10 придает контрольной структуре фиксированное процентное содержание оптической пористости. Таким образом, изменение в процентном содержании пропущенных стежков 34 и/или прессовых стежков 36 относительно однофонтурных стежков 10 вызывает изменение контактной площади (52) между нитями. Увеличение количества прессовых стежков 36 или уменьшение количества пропущенных стежков 34 приводит к уменьшению оптической пористости в зависимости от относительного процентного содержания пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36. Соответственно, увеличение контактной площади (52) нити в покое и соответствующее уменьшение оптической пористости в результате приводит к уменьшению контактного сопротивления. Таким образом, уменьшение оптической пористости прямо пропорционально уменьшению контактного сопротивления в отношении рисунков стежка, содержащих комбинацию однофонтурных стежков 10, пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36. Оптическая пористость может колебаться от 1% черных пикселов и больше.
[0084] Процентное содержание постоянного растяжения (PPS) определяется как мера растяжения и восстановления ткани, подвергнутой циклической нагрузке. Процентное содержание постоянного растяжения увеличивается или уменьшается в зависимости от процентного содержания пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36 в конкретном рисунке стежка. Процентное содержание постоянного растяжения связано как с уточным направлением (петельным рядом) 80, так и с основным направлением (петельным столбиком) 74, и является различным для каждого направления. Чем ниже процентное содержание постоянного растяжения, тем выше оптическая пористость и, следовательно, ниже среднее электрическое сопротивление/контактное сопротивление. Процентное содержание постоянного растяжения прямо пропорционально процентному содержанию любого из однофонтурного, пропущенного, прессового стежков, присутствующих в текстильном материале. Уменьшение количества пропущенных стежков 34 в петельных рядах уменьшает процентное содержание постоянного растяжения в уточном направлении (петельном ряду) 80. Уменьшение количества прессовых стежков 36 в петельных столбиках уменьшает процентное содержание постоянного растяжения в основном направлении (петельном столбике) 74. Процентное содержание постоянного растяжения может колебаться от 25 до 2%.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
[0085] Нижеследующие эксперименты были выполнены для исследования управления электропроводностью в различных образцах текстильного датчика.
[0086] Эксперименты A, B и C проводились с использованием четырех текстильных образцов, перечисленных в Таблице 1. Каждый образец имеет различный рисунок стежка (SP). Нить в каждом рисунке стежка имеет вес 150 денье, содержит 48 волокон, текстурированных на 100%, многонитьевых из полиэстра, покрытого по своей природе проводящим полимером на основе полипиррола (PPy). Каждый рисунок стежка содержит 50% однофонтурных (SJ) стежков 10 и различную комбинацию пропущенных (M) стежков 34 и прессовых (T) стежков 36. Процентное содержание пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36 указано для каждого рисунка стежка в Таблице 1. В каждом из экспериментов рисунок, содержащий 100% однофонтурных стежков 10, используется в качестве контрольного для сравнения с рисунками четырех выборочных стежков (SP-A, SP-B, SP-C и SP-D).
ЭКСПЕРИМЕНТА
[0087] В Эксперименте A среднее удельное электрическое сопротивление (MER), толщина ткани и оптическая пористость для рисунков четырех различных выборочных стежков были сравнены с указанными переменными для однофонтурной 10 ткани. Результаты Эксперимента A, описанные со ссылкой на фиг. 2, 5A, 5B, 5C и 6, показывают, что рисунки стежка могут быть выбраны с возможностью воздействия на эти переменные для оптимизации контактного сопротивления текстильного материала.
[0088] В Таблице на фиг. 2 показаны значения среднего удельного электрического сопротивления (MER) в контрольном рисунке 10 однофонтурного (SJ) стежка и в рисунках четырех различных выборочных стежков. Среднее электрическое сопротивление показано для каждого рисунка стежка, содержащего ослабленные или натянутые петельные ряды или ослабленные или натянутые петельные столбики. Каждый из четырех выборочных рисунков стежка имел значительно уменьшенное среднее электрическое сопротивление как в направлении 80 петельного ряда (горизонтальном), так и в направлении 74 петельного столбика (вертикальном) по сравнению с однофонтурным стежком 10 как в ослабленном, так и в натянутом состояниях. Тот факт, что каждый из четырех выборочных рисунков стежка оказывал значительное действие на среднее электрическое сопротивление в ослабленном состоянии в обоих направлениях относительно однофонтурного стежка, позволяет делать выбор различных структур стежка для различных типов датчика и/или областей применения, связанных с распознаванием. Кроме того, каждый выборочный рисунок стежка показал уменьшение среднего электрического сопротивления между ослабленным состоянием и натянутым состоянием, соответствующее действию увеличения контактной площади (52) нити, относящемуся к влиянию прессовых стежков 36 (такому как контактная точка прессовой петли 46 и натянутая контактная точка прессового стежка 50), при натяжении образца.
[0089] В соответствии с одним вариантом реализации способа согласно настоящему изобретению использование среднего электрического сопротивления в ослабленном состоянии и/или динамический диапазон или изменение среднего электрического сопротивления от ослабленного состояния до натянутого состояния для различных процентных содержаний стежка позволяет управлять чувствительностью текстильного датчика, пригодного для конкретной области применения. Например, увеличенные динамические диапазоны (76%) в образце SP-В (10% пропущенных стежков / 40% прессовых стежков) и (80%) в образце SP-D (40% пропущенных стежков / 10% прессовых стежков) позволяют выполнять измерения сжимающей силы в широком диапазоне сил в компрессионной одежде или подобных изделиях, созданных из рассматриваемой ткани. Такие рисунки стежка могут быть использованы для оптимизации контактного сопротивления в подходящем текстильном датчике, например, для измерения сжимающей силы носков. Уменьшенный динамический диапазон (59%) в образце SP-A (5% пропущенных стежков / 45% прессовых стежков) позволяет выполнять более чувствительное измерение сжимающей силы в небольших динамических диапазонах силы. Таким образом, такой рисунок стежка может быть использован для оптимизации контактного сопротивления в подходящем текстильном датчике, например, для измерения силы, приложенной давящей повязкой к ноге (например, в диапазоне примерно 10-60 мм рт.ст. (1,3-8,0 кПа)). Кроме того, большое процентное содержание пропущенных или настилочных стежков 34 (45%) в образце SP-C связано с "поджатием" в текстильном датчике. Поджатие может быть определено как форма (например, при предельном поджатии форма песочных часов) текстильного материала, вызванная повышенным процентным содержанием пропущенных стежков, которое вызывает уменьшение длины петельного ряда в результате уменьшения количества взаимосвязанных петель в каждом петельном ряду. В текстильном датчике, имеющем повышенное процентное содержание пропущенных стежков, увеличивается контактная площадь (52) нити и уменьшается контактное сопротивление поддающимся количественному определению образом.
[0090] На фиг. 5А показаны изменения среднего электрического сопротивления в рисунке 10 контрольного однофонтурного стежка и в четырех образцах рисунка стежка. Были выполнены измерения среднего электрического сопротивления для каждого рисунка стежка в ослабленном состоянии в направлении 80 петельного ряда и в направлении 74 петельного столбика. Измерения отображены в виде графика на коробчатой диаграмме для показа диапазонов изменения. На фиг. 5А значение Q0 представляет минимальный результат измерения, значение Q1 представляет нижний квартиль измерений, значение Q2 представляет усредненный результат измерения, значение Q3 представляет срединное значение измерения, и значение Q4 представляет максимальный результат измерения.
[0091] Диапазон изменения среднего электрического сопротивления в рисунке контрольного однофонтурного стежка 10 и в четырех образцах рисунка стежка изменяется в зависимости от рисунка стежка. В частности, диапазон или степень изменения среднего электрического сопротивления в контрольном однофонтурном стежке 10 был намного больше, чем в четырех образцах рисунка стежка. Соответственно, основная калибровка удельного сопротивления для рисунка однофонтурного стежка 10 может быть более трудной, что приводит к уменьшению надежности структуры текстильного датчика, в отличие от структуры текстильного датчика, содержащей любой из четырех образцов рисунков стежка.
[0092] Оптимизация контактного сопротивления токопроводящей нити или текстильного материала может включать выбор узкого диапазона изменения среднего электрического сопротивления. Как показано на фиг. 5A, образец SP-B (10% пропущенных стежков / 40% прессовых стежков) и образец SP-C (45% пропущенных стежков / 5% прессовых стежков) имеют наиболее узкие диапазоны изменения среднего электрического сопротивления. Таким образом, образцы SP-B и SP-C имеют оптимизированное контактное сопротивление, подходящее для областей применения текстильного датчика, в которых требуется повышенная точность измерений. Например, образцы SP-B и SP-C имеют контактное сопротивление, оптимизированное для измерения небольших давлений посредством текстильного датчика.
[0093] Толщина ткани представляет собой меру плотности трикотажного переплетения. На фиг. 5B представлена диаграмма, показывающая изменения толщины ткани относительно среднего удельного электрического сопротивления в петельных рядах и петельных столбиках для контрольного рисунка однофонтурного стежка и четырех образцов рисунков стежка. Как показано на фиг. 5B, с увеличением толщины ткани среднее электрическое сопротивление уменьшается. В частности, различные комбинации пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36 в четырех образцах рисунков стежка придают этим рисункам стежка увеличенную толщину по сравнению с рисунком однофонтурного стежка 10. Соответственно, при увеличенной толщине ткани среднее электрическое сопротивление в каждом из четырех образцов рисунков стежка ниже чем в рисунке контрольного однофонтурного стежка 10 в направлении петельного ряда 80 и в направлении петельного столбика 74.
[0094] Аналогично, оптическая пористость представляет собой меру плотности трикотажного переплетения. На фиг. 5С представлена диаграмма, показывающая изменения оптической пористости относительно среднего удельного электрического сопротивления в петельных рядах и петельных столбиках для контрольного рисунка однофонтурного стежка 10 и четырех образцов рисунка стежка. С уменьшением оптической пористости (менее легкое проникновение) среднее электрическое сопротивление уменьшается, как показано на фиг. 5С. В частности, различные комбинации пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36 в четырех образцах рисунков стежка придают этим рисункам стежка уменьшенную оптическую пористость по сравнению с рисунком однофонтурного стежка 10. Соответственно, при уменьшенной оптической пористости среднее электрическое сопротивление в каждом из четырех образцов рисунков стежка ниже, чем в рисунке контрольного однофонтурного стежка 10 при измерении в направлении петельного ряда 80 и в направлении петельного столбика 74.
[0095] На фиг. 6 представлена диаграмма, показывающая изменения оптической пористости относительно среднего удельного электрического сопротивления в петельных рядах и петельных столбиках для 50%-ного гладкого рисунка однофонтурного стежка 10. Как показано на фиг. 6, когда увеличенное количество прессовых стежков 36 и пропущенных стежков 34 добавляют к 50%-ному рисунку однофонтурного стежка 10, оптическая пористость уменьшается, и удельное электрическое сопротивление также уменьшается.
[0096] Таким образом, толщина ткани и оптическая пористость как меры плотности трикотажного переплетения были исследованы в отношении их корреляции со средним электрическим сопротивлением. Как показано на фиг. 5B, 5C и 6, было обнаружено, что и толщина ткани и оптическая пористость в значительно степени соотносится со средним электрическим сопротивлением надежным способом по рисункам стежка, имеющим различные комбинации пропущенных стежков 34 и прессовых стежки 36. В результате, и толщина ткани, и оптическая пористость могут быть использованы в качестве простых мер в оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов. Например, пониженная оптическая пористость в ткани связана с увеличенной контактной площадью (52) между нитями (и уменьшенным средним электрическим сопротивлением) и, таким образом, обеспечивает улучшенное управление контактным сопротивлением. Иными словами, более закрытый (более плотный) рисунок стежка, имеющий пониженную оптическую пористость и увеличенную контактную площадь (52) нити, обеспечивает повышенную чувствительность измерения текстильного датчика чем более открытый (менее плотный) рисунок стежка, имеющий повышенную оптическую пористость и уменьшенную контактную площадь (52) нити. Таким образом, более закрытый (более плотный) рисунок стежка, имеющий пониженную оптическую пористость, обеспечивает оптимизированное контактное сопротивление, подходящее для областей применения текстильного датчика, требующих повышенной чувствительности измерения, таких, которые относятся к измерению малых сжимающих давлений или слабых растягивающих усилий.
ЭКСПЕРИМЕНТ B
[0097] В Эксперименте B четыре образчика ткани размером приблизительно 100×100 мм были изготовлены путем вязания посредством вязальной машины Shima Seiki WHOLEGARMENT™ 14gg. Индекс "gg" означает "гейч" вязальной машины и соответствует количеству игл на дюйм. Нить в каждом образце представляла собой крученую нить из штапельного волокна (80% полиэстр, 20% INOX® (нержавеющая сталь)), имеющаяся в продаже как "S-Shield" в компании Schoeller. Каждый образец был выполнен вязанием с использованием комбинаций с различным процентным содержанием гладких трикотажных стежков 10, прессовых стежков 36 и пропущенных стежков 34 (рисунки стежка SP-A, SP-B, SP-C и SP-D).
[0098] Затем отдельные образцы были размещены под нагрузки в испытательном стенде 60, как показано на фиг. 7. Испытательный стенд 60 был построен с использованием полиметилметакрилата толщиной 3 мм. Были использованы два грузика 62 из нержавеющей стали, один весил 150 г, другой весил 250 г. Грузики 62 были отделены от образцов непроводящим картонным слоем. Один грузик 62 оставался на месте на образце для исследования в качестве основного грузика для удерживания области под давлением, идентичным для каждого измерения. Каждый отдельный образец был исследован в отношении электрического сопротивления путем измерения посредством мультиметра Q-1559 (имеющегося в продаже в компании Dick Smith Electronics) с использованием двух стандартных измерительных щупов 64. Для сравнивания данных, полученных в обоих экспериментах, измерения электропроводности в Экспериментах B и C были выполнены как измерения сопротивления, вместо измерения удельного сопротивления, по причине трудности получения точных результатов измерения длины под ногой человека в Эксперименте С. Измерения базисного уровня сопротивления были проведены для каждого образца без применения грузика 62. Для каждого образца были проведены десять измерений сопротивления в случайном порядке с приложением нагрузки 150 г и 400 г. Нагрузка 400 г была приложена путем совместного использования грузика 62 весом 150 г и грузика 62 весом 250 г. Измерения были проведены с использованием щупов 64 мультиметра, разнесенных на расстояние 28 мм и с приложением приблизительного давления 600 паскалей (Па) для грузика весом 150 г и приблизительного давления 1000 Па для грузика весом 400 г.
[0099] Результаты Эксперимента B представлены в графической форме на фиг. 8 и 9. На фиг. 8 показано электрическое сопротивление для базисного уровня для нагрузки 150 г и 400 г в петельном ряду (горизонтальном направлении 80) для каждого образца. На фиг. 9 показано электрическое сопротивление для базисного уровня и нагрузки 150 г и 400 г в петельном столбике (вертикальном направлении 74) для каждого образца.
[00100] Для результатов, показанных на фиг. 8 и 9, был вычислен коэффициент смешанной корреляции, обозначенный как R2. Коэффициент R2 указывает, насколько хорошо точки данных соответствуют статистической модели, т.е. указанный коэффициент является мерой того, насколько хорошо наблюдаемые результаты реплицируются моделью. В данном случае высокое значение R2, или пригодность данных указывают на хорошие линейные отношения между переменными. В отношении данных экспериментов, высокое значение R2 для конкретного образца рисунка стежка означает, что текстильный датчик, содержащий этот рисунок стежка, может быть использован для измерения нагрузки/давления с достаточной надежностью и повторяемостью.
[00101] Значения Р2 для образцов SP-A и SP-B стежка являются высокими как для горизонтального (петельного ряда) направления 80, показанного на фиг. 8, так и для вертикального (петельного столбика) направления 74, как показано на фиг. 9. Оба образца SP-A (5% пропущенных стежков и 45% прессовых стежков) и образца SP-B (10% пропущенных стежков и 40% прессовых стежков) в большой пропорции содержат прессовые стежки 36, которые служат для увеличения контактной площади (52) нити и, таким образом, уменьшения контактного сопротивления и, следовательно, управления контактным сопротивлением как в вертикальном направлении 74, так и в горизонтальном направлении 80. Соответственно, образцы SP-A и SP-B стежка демонстрируют улучшенную пригодность среди образцов, исследованных в отношении оптимизации контактного сопротивления в текстильных датчиках согласно настоящему изобретению.
[00102] В частности более высокий градиент в линейном ответе для образца SP-B, показанный на фиг. 8, демонстрирует увеличенный динамический диапазон в петельном ряду (горизонтальном направлении 80). Поэтому образец SP-B имеет повышенную чувствительность к малой нагрузке в петельном ряду (горизонтальном направлении). Аналогично, повышенный градиент в линейном ответе образца SP-A, показанный на фиг. 9, демонстрирует увеличенный динамический диапазон в петельном столбике (вертикальном направлении 74). Поэтому, образец SP-A имеет повышенную чувствительность к небольшой нагрузке в петельном столбике (вертикальном направлении 74).
ЭКСПЕРИМЕНТ C
[00103] В Эксперименте C два образца ткани размером приблизительно 300×100 мм были изготовлены вязанием с использованием вязальной машины Shima Seiki WHOLEGARMENT™ 14gg. Нить в каждом образце представляла собой крученую нить из штапельного волокна (80% полиэстр, 20% INOX® (нержавеющая сталь)), имеющаяся в продаже как "S-Shield" в компании Schoeller. Каждый образец был выполнен вязанием с использованием комбинаций с различным процентным содержанием гладких трикотажных стежков 10, прессовых стежков 36 и пропущенных стежков 34 (рисунки стежка SP-A и SP-B).
[00104] В данном эксперименте участвовали два индивида: женщина и мужчина. Индивид 1 (женщина) весил 61 кг, и индивид 2 (мужчина) весил 79 кг. Каждый индивид стоял удерживая равновесие только на правой ноге на образцах ткани, содержащих образец рисунков стежка. Каждый индивид имел на ноге носок, выполненный из непроводящего волокна. Каждый образец ткани исследовали на электрическое сопротивление в двух местах: в линии непосредственно ниже лодыжки и в точке, ближайшей к подъему свода стопы). Сопротивление измеряли посредством мультиметра Q-1559 (имеющегося в продаже в компании Dick Smith Electronics) с использованием двух стандартных измерительных щупов 64. Для каждого образца были проведены десять измерений сопротивления в случайном порядке в указанных двух местах для каждого индивида. Для измерения использовали измерительные щупы: для лодыжки с разнесением 70 мм и для подъема свода стопы с разнесением 100 мм.
[00105] Результаты Эксперимента C представлены в графическом виде на фиг. 10 и 11. На фиг. 10 показано электрическое сопротивление в линии непосредственно ниже лодыжки в петельном столбике (вертикальном направлении 74) для каждого образца. На фиг. 11 показано электрическое сопротивление в линии вдоль подъема свода стопы в петельном столбике (вертикальном направлении 80) для каждого образца.
[00106] Для результатов с участием людей вместо линейной регрессии в Эксперименте C использовали логарифмическую регрессию по причине большого различия в их весе, приложенному к образцам ткани, для сравнения с результатами, полученными для образцов ткани в Эксперименте В. На основании значений R2 для сопротивления, измеренного в лодыжке, как показано на фиг. 10, и в подъеме свода стопы, как показано на фиг. 11, образец SP-B демонстрирует улучшенную пригодность для использования в конкретных вариантах реализации текстильного датчика согласно настоящему изобретению. В частности, менее резкий градиент в логарифмическом ответе образца SP-B, как показано на фиг. 10 и 11, демонстрирует увеличенную реакцию на увеличенную нагрузку. Поэтому, рисунок стежка в образце SP-B обеспечивает подходящий текстильный датчик для измерения давления, созданного человеком. При рассмотрении результатов обоих Экспериментов B и C было обнаружено, что каждый из рисунков стежка в образцах SP-A и SP-B обеспечивает оптимизированное управление контактным сопротивлением, пригодным к использованию в текстильных датчиках для измерения нагрузки в различных крупногабаритных объектах.
[00107] Результаты Экспериментов A, B и C все вместе показывают, что выбор переменных, таких как рисунок стежка, процентные содержания стежка, электрическое удельное сопротивление, оптическая пористость и толщина ткани, обеспечивает возможность оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов. Таким образом, предложенный способ может быть использован для надежного предсказания и управления характеристиками электропроводности текстильной структуры и конструирования текстильных датчиков, пригодных для использования в различных областях применения. Например, рисунок стежка, такой как в образце SP-B (10% пропущенных стежков и 40% прессовых стежков), обеспечивает нижеследующие преимущества: (1) относительно большой динамический диапазон среднего электрического сопротивления от ослабленного состояния до натянутого состояния позволяет измерять сжимающую силу в широком диапазоне сил; (2) узкий диапазон изменения среднего электрического сопротивления обеспечивает возможность применения текстильного датчика в ситуациях, в которых требуется повышенная чувствительность измерения; и (3) относительно большой динамический диапазон среднего электрического сопротивления в направлении петельного ряда позволяет выполнять измерения, в которых необходима повышенная чувствительность при небольшой нагрузке в горизонтальном направлении. Таким образом, способ выбора рисунка стежка, процентного содержания стежка и других физических параметров стежка, нити и/или текстильного материала обеспечивает возможность управления электропроводностью текстиля таким образом, что для конкретной области применения могут быть спроектированы датчики с предсказуемыми диапазонами и/или чувствительностями.
ЭКСПЕРИМЕНТ D
[00108] Эксперимент D проводили для определения влияния деформации ткани на форму контактных площадей (52) нити. В Эксперименте D исследовали два образца ткани. Образец A содержит многоволоконную крученую полиэстровую нить, покрытую серебром, сплетенную в гладкий рисунок однофонтурного стежка. На фиг. 13 показана полученная с использованием электронного микроскопа фотография Образца A в недеформированном состоянии. Образец B содержит нить, спряденную из штапельного волокна (80% полиэстр, 20% INOX® (нержавеющая сталь)), сплетенную в гладкий рисунок 10 однофонтурного стежка. На фиг. 14 показана полученная с использованием электронного микроскопа фотография Образца B в недеформированном состоянии. В исследовании были проведены измерения множества нитьевых блоков, и описания геометрических параметров соотнесены с усредненными результатами измерений образца.
[00109] Два образца ткани сначала были сравнены в недеформированном состоянии по четырем геометрическим параметрам нитьевого блока: ширине, высоте, промежуток и толщина, как показано на фиг. 12. В тканях с однофонтурными стежками 10 игольная петля 22, или нитьевой блок, содержит игольную дугу 26 и две боковые петельные палочки 28, которые формируют остов 30. В основе каждой петельной палочки 28 лежит протяжка 32, которая вплетена сквозь игольную дугу 26 петли 24, сформированной в предыдущем вязальном цикле. Петельная палочка 28 игольной петли 22 проходит от одной стороны (или лицевой стороны) к другой стороне / лицевой стороне платинной петли 24 поперек петельной палочки 28 и игольной дуги 26 платинной петли 24, и затем проходит петлей вокруг для возвращения поперек игольной дуги 26 и противоположной петельной палочки 28 платинной петли 24 назад к исходной стороне / лицевой стороне платинной петли 24.
[00110] Ширина (W) нитьевого блока определена как расстояние между двумя протяжками 32 одиночной петли 22 или 24. Высота (Н) нитьевого блока определена как расстояние между игольной дугой 26 и протяжкой 32 одиночной петли 22 или 24. Промежуток (G) нитьевого блока определен как расстояние между игольной дугой 26 одной петли 22 и игольной дугой 26 смежной петли 24 в том же самом петельном столбике. Толщина (Т) нити определена как диаметр нити. Образец A имеет более открытую вязаную структуру, т.е. увеличенные ширину (W) нитьевого блока и высоту (Н) чем Образец B. Промежуток (G) нитьевого блока в этих двух образцах является одинаковым. Образец B является более толстым, чем Образец A.
[00111] Затем эти два образца были сравнены в деформированных состояниях, достигнутых в результате растяжения образцов сначала в направлении петельного столбика 74 (вдоль оси абсцисс) и затем в направлении петельного ряда 80 (вдоль оси ординат). "Напряжение растяжения" или степень растяжения определены как отношение удлинения нитьевого блока (петли) 22, 24 к исходной высоте. Образец A исследовали под тем же самым напряжением, что и Образец B, а также под более высоким напряжением. Эти два образца были сравнены в каждом состоянии деформации по четырем геометрическим параметрам.
[00112] Когда образцы были растянуты в направлении петельного столбика 74 (вдоль оси абсцисс), игольные дуги 26 петель 22 или 24 в одном петельном ряду натянулись плотнее вокруг петельных палочек 28 и протяжки 32 петель 22 или 24 в смежном петельном ряду. В результате, ширина (W) нитьевого блока значительно уменьшилась. Во время растяжения в направлении петельного столбика высота (Н) нитьевого блока существенно не изменилась, но промежуток (G) нитьевого блока значительно увеличился. Толщина (Т) нити оставалась относительно неизменной.
[00113] Для Образца A, растянутого под действием напряжения в направлении петельного столбика на 11%, ширина (W) нитьевого блока уменьшилась примерно на 19%, и промежуток (G) нитьевого блока увеличился примерно на 16% относительно сравнительных измерений в недеформированном состоянии. При растяжении на 11% нити контактируют в нескольких точках. При растяжении в направлении петельного столбика на 22% ширина (W) нитьевого блока уменьшилась примерно на 39%, и промежуток (G) нитьевого блока увеличился примерно на 26% относительно сравнительных измерений в недеформированном состоянии. На фотографии, представленной на фиг. 15, показан Образец A при растяжении 72 на 22% в направлении петельного столбика 74. При растяжении 72 на 22% нити контактируют в каждом стежке. Таким образом, под нагрузкой, действующей в направлении петельного столбика 74, уменьшение ширины (W) нитьевого блока и увеличение промежуток (G) нитьевого блока соотносится с улучшением контакта между нитями.
[00114] Поэтому, под нагрузкой в петельном столбике (вертикальном направлении 74) уменьшение ширины (W) нитьевого блока приводит к уменьшению оптической пористости текстильного материала. При уменьшении проникновения света и увеличении оптической пористости среднее электрическое сопротивление уменьшается. Соответственно, оптическая пористость может быть использована в качестве индекса чувствительности для сжимающей или растягивающей силы под нагрузкой в петельном столбике (вертикальном направлении 74) согласно одному варианту реализации способа управления контактным сопротивлением в текстильном датчике. С применением этих результатов, более закрытый (более плотный) рисунок стежка, имеющий более высокую оптическую пористость, имеет оптимизированное контактное сопротивление, подходящее для областей применения текстильного датчика, в которых требуется повышенная чувствительность при измерениях, таких как измерения слабых сжимающих давлений или слабых растягивающих сил. Таким образом, текстильный датчик, имеющий небольшую ширину (W) нитьевого блока и соответствующую пониженную оптическую пористость, может быть сплетен с возможностью увеличения контактного сопротивления для такой области применения.
[00115] Для Образца B, растянутого в направлении петельного столбика на 11% (76), ширина (W) нитьевого блока уменьшилась примерно на 1%, высота (Н) увеличилась примерно на 3%, и промежуток (G) увеличился примерно на 3% по сравнению с результатами измерений в недеформированном состоянии. На фиг. 16 представлена фотография, на которой показан Образец B при растяжении 76 на 11% в направлении петельного столбика 74, демонстрирующий подобный контакт нити как и в недеформированном состоянии. Образец B является значительно более компактным, чем Образец A. Таким образом, Образец B имеет повышенную толщину (Т) нитьевого блока и уменьшенные ширину (W), высоту (Н) и промежуток (G) нитьевого блока чем Образец A. В результате, Образец B имеет значительный контакт нити внутри стежка даже до деформации или нагружения. В результате, изменение геометрических параметров Образца B во время нагружения в направлении 74 петельного столбика не является столь значительным, как для Образца А.
[00116] Когда образцы были растянуты в направлении 80 петельного ряда (вдоль оси ординат), петельные палочки 28 петель 22, 24 оттянулись друг от друга таким образом, что ширина (W) нитьевого блока увеличилась. Кроме того, каждое из высоты (Н) нитьевого блока и промежутка (G) нитьевого блока уменьшилось. Толщина (Т) нити оставалась относительно неизменной.
[00117] Для Образца A, при растяжении в направлении петельного ряда на 13% ширина (W) нитьевого блока увеличилась примерно на 5%, высота (Н) нитьевого блока уменьшилась примерно на 14%, и промежуток (G) нитьевого блока уменьшился примерно на 11% относительно сравнительных измерений в недеформированном состоянии. При растяжении (78) в направлении петельного ряда на 20% ширина (W) нитьевого блока увеличилась примерно на 13%, высота (Н) нитьевого блока уменьшилась примерно на 15%, и промежуток (G) нитьевого блока уменьшился примерно на 12% относительно сравнительных измерений в недеформированном состоянии. На фотографии, представленной на фиг. 17, показан Образец A при растяжении 78 на 20% в направлении 80 петельного ряда. При увеличении растяжения в направлении 80 петельного ряда, петли 22, 24 оттягиваются друг от друга и тем самым вызывают уменьшение контакта между нитями. Таким образом, при нагружении в направление 80 петельного ряда увеличивающаяся ширина (W) нитьевого блока и уменьшающиеся высота (Н) и промежуток (G) нитьевого блока соотносится с уменьшающимся контактом нити.
[00118] Для Образца B, при его растяжении (82) в направлении петельного ряда на 12,5% ширина (W) нитьевого блока увеличивается примерно на 11%, высота (Н) нитьевого блока не претерпевает существенного изменения, и промежуток (G) нитьевого блока уменьшается примерно на 3% относительно результатов сравнительных измерений в недеформированном состоянии. На фотографии, представленной на фиг. 18, показан Образец B при его растяжении 82 на 12,5% в направлении петельного ряда. Образец B имеет значительный контакт между нитями внутри стежка даже перед деформацией или нагружением. В результате, как и в случае с нагружением в направлении петельного столбика 74, изменение геометрических параметров Образца B во время нагружения в направлении 80 петельного ряда не является столь значительным, как для Образца А.
[00119] Таким образом, под нагрузкой в петельном ряду (горизонтальном направлении 80) увеличение ширины (W) нитьевого блока приводит к уменьшению оптической пористости и увеличению среднего электрического сопротивления (увеличенному контактному сопротивлению). Соответственно, оптическая пористость может быть использована в качестве индекса чувствительности для сжимающей или растягивающей сил под нагрузкой в петельном ряду (горизонтальном направлении 80) согласно одному варианту реализации способа управления контактным сопротивлением в текстильном датчике.
ЭКСПЕРИМЕНТ Е
[00120] Для определения изменений сопротивления в зависимости от давления в различных направлениях 74, 80 стежка были исследованы тридцать три (33) образца ткани, каждый из которых имел различное процентное содержание однофонтурных стежков 10, пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36. Затем образец ткани исследовали для определения изменений сопротивления в зависимости от температуры в различных направлениях 74, 80 стежка.
[00121] Испытание на сжатие: Каждый образец рисунка стежка исследовали на влияние давления или нагрузки как в петельном ряду (горизонтальном направлении 80), так и в петельном столбике (вертикальном направлении 74).
[00122] При горизонтальном нагружении сопротивление по существу не изменялось в большей части рисунков стежка. Как описано в настоящей заявке, контактное сопротивление изменяется согласно количеству, размеру и форме контактных точек в конкретном направлении 74, 80 текстильной структуры. Таким образом, если имеется уменьшенное количество контактных точек в петельном ряду (горизонтальном направлении 80), ожидается малое изменение сопротивления в горизонтальном направлении 80. Например, большое количество пропущенных стежков 36 (таких как в образце рисунка стежка, содержащего 50% однофонтурных стежков 10, 35% пропущенных стежков 34 и 15% прессовых стежков 36) в результате дает уменьшенное количество контактных точек в направлении 80 петельного ряда. В результате, варианты реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящей нити и текстильного материала могут включать выбор типа нити и рисунка стежка, обеспечивающих уменьшенное количество контактных точек в петельном ряду, для создания текстильного датчика с низкий чувствительностью измерения в горизонтальном направлении. Такой текстильный датчик может быть пригодным для использования при измерении больших сжимающих нагрузок, таких как действующие в подъеме свода стопы в носке, сконструированном для ношения пациентами, которые страдают диабетом.
[00123] При вертикальном нагружении сопротивление изменялось в различных рисунках стежка. В частности исследование показало, что контактное сопротивление может уменьшаться при увеличенной нагрузке в петельном столбике (вертикальном направлении 74). Результаты исследования продемонстрировали, что управление контактным сопротивлением путем изменения давления зависит от процентного содержания стежков того типа, который влияет на количество и качество контактных точек нити. Например, один образец рисунка стежка, содержащий 50% однофонтурных стежков 10, 40% прессовых стежков 36 и 10% пропущенных стежков 34, имеет более высокое процентное содержание прессовых стежков 36 (и, таким образом, контактных точек нити), чем другие образцы, и потому показывает сильную линейную зависимость между увеличением вертикальной нагрузки и уменьшением сопротивления. В результате, варианты реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящей нити и текстильного материала могут включать выбор типа нити и рисунка стежка, имеющих повышенное процентное содержание прессовых стежков 36 (и, таким образом, контактные точек нити) для создания текстильного датчика с высокой чувствительностью измерения в вертикальном направлении. Такой текстильный датчик может быть пригодным для использования при измерении вертикально ориентированных нагрузок, таких как сила схватывания и продолжительность или перемещение локтя у пациентов, проходящих реабилитацию.
[00124] Было обнаружено, что под действием подобных нагрузок значения сопротивления были на порядок величины выше в вертикальном направлении 74 чем в горизонтальном направлении 80. Это изменение в значительной степени вызвано влиянием прессовых стежков 36, в частности, в вертикальном направлении 74. Как описано в настоящей заявке со ссылкой на фиг. 3А и 3В, контактные точки 44 прессового стежка, контактные точки 46 прессовой петли, контактные точки 48 висящей петли и натянутые контактные точки 50 прессового стежка создают увеличенную контактную площадь (52) нити и, таким образом, обеспечивают возможность управления контактным сопротивлением в текстильной структуре. Согласно различным вариантам реализации способа управления контактным сопротивлением согласно настоящему изобретению размещение прессовых стежков 36 может быть использовано для оптимизации контактного сопротивления в токопроводящем текстильном датчике в вертикальном направлении 74 вдоль петельного столбика. Согласно другим вариантам реализации прессовые стежки 36 могут быть размещены в множестве петельных столбиков в выбранной области ткани для оптимизации контактного сопротивления в определенной области текстильного датчика. Согласно другим вариантам реализации путем выбора рисунка стежка, в частности, имеющего высокое процентное содержание прессовых стежков 36, которые обеспечивают уменьшение сопротивления при увеличении нагрузки в обоих направлениях 74, 80, такого как образец рисунка стежка, содержащий 50% однофонтурных стежков 10, 40% прессовых стежков 36 и 10% пропущенных стежков 34, контактное сопротивление может быть оптимизировано в текстильном датчике в обоих направлениях 74, 80. Например, такой рисунок стежка может быть сплетен в определенной области ткани с текстильным датчиком для создания двунаправленной распознающей области для конкретного случая использования.
[00125] Испытание на температуру: Каждый из 33 образцов рисунков стежка был исследован на влияние температуры на сопротивление как в петельном ряду (горизонтальном направлении 80), так и в петельном столбике (вертикальном направлении 74). Результаты показали, что сопротивление (и, таким образом, электропроводность) изменяется в ответ на изменение температуры для различных процентных содержаний стежков и в различных направлениях 74, 80 стежков.
[00126] В частности, результаты показали, что отношения между температурой и сопротивлением являются линейными. Образцы, имеющие наибольшее процентное содержание прессовых стежков 36 (которые обеспечивают наибольшую контактную площадь (52) нити), показали наилучшие отношения (т.е. лучший коэффициент корреляции R2) между температурой и сопротивлением. Результаты испытания показывают, что управление контактным сопротивлением путем изменения температуры зависит от процентного содержания стежков того типа, который влияет на количество и качество контактных точек (42, 44, 46, 48, 50) нити. Например, один образец рисунка стежка, содержащий 50% однофонтурных стежков 10, 40% прессовых стежков 36 и 10% пропущенных стежков 34, имеет более высокое процентное содержание прессовых стежков 36 (и, таким образом, контактных точек нити) чем другие образцы, и потому показывает сильную линейную зависимость между температурой и сопротивлением.
[00127] В результате, варианты реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящей нити и текстильного материала могут включать выбор типа нити и рисунка стежка, обеспечивающих увеличенное процентное содержание прессовых стежков 36, для создания чувствительного к температуре текстильного датчика. Такой текстильный датчик может быть использован для измерения окружающей температуры в термочувствительной промышленной среде, такой как среда нефтехимического производства. Другой вариант реализации такого текстильного датчика может быть использован для измерения температуры кожи рабочего в промышленном предприятии, таком как сталелитейный завод.
[00128] Согласно различным вариантам реализации контактное сопротивление токопроводящих нитей может быть оптимизировано в уточно-вязаных текстильных структурах. В уточно-вязаной ткани одна непрерывная нить проходит в ширину сквозь ткань и формирует все петли 22, 24 в каждом петельном ряду. Уточно-вязаные ткани могут быть изготовлены на плосковязальных и кругловязальных машинах. Согласно другим вариантам реализации контактное сопротивление токопроводящих нитей может быть оптимизировано в основно-вязаных текстильных структурах. В основно-вязаной ткани одна или большее количество нитей в целом проходят продольно в зигзагообразном рисунке, который формирует переплетающиеся петли 22, 24 в двух или большем количестве петельных столбиков.
[00129] Токопроводящий текстильный материал, имеющий оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, может распознавать или обнаруживать различные признаки в человеке или объекте, на котором размещен указанный текстильный материал. Например, такой текстильный материал может распознавать физиологические изменения в человеке, носящем этот текстильный материал. Обнаруженное изменение может быть передано для отслеживания, регистрации и/или обратной связи. Измеренные данные могут быть представлены в форме электрического сигнала. Передача сигнала может быть осуществлена от текстильного датчика в устройство, размещенное на текстильном материале и/или в другом местоположении. Такая передача или другая операция, связанная с измеренными данными, может быть выполнена посредством электронного интерфейса, связанного с текстильным датчиком.
[00130] Различные варианты реализации настоящего изобретения могут включать такой электронный интерфейс, соединенный с текстильным датчиком. Электронный интерфейс может содержать одну или большее количество электронных схем, выполненных с возможностью получения энергии от источника энергии, причем указанная электронная схема выполнена с возможностью передачи данных электронному устройству, расположенному на текстильном датчике, механически прикрепленному к текстильному датчику или интегрированному с текстильным датчиком, посредством проводной и/или беспроводной связи между текстильным датчиком и портативным электронным устройством и/или других конфигураций, пригодных для взаимодействия с любым множеством различных носимых или дистанционных электронных средств. Такой электронный интерфейс выполнен с возможностью сохранения удобства и/или долговечности ношения предмета одежды, содержащего текстильный датчик.
[00131] В одном аспекте настоящего изобретения сам текстильный материал, имеющий оптимизированное контактное сопротивление, действует в качестве датчика. Согласно различным вариантам реализации такой текстильный датчик может измерять переменные или параметры, такие как растягивающая сила, сжимающая сила, перемещение и температура. Соответственно, различные варианты реализации такого текстильного датчика могут иметь различные конкретные функциональные средства и области применения. Варианты реализации такого текстильного датчика могут включать функциональные средства и области применения, связанные, например, с (1) медицинскими компрессионными предметами одежды, (2) спортивными компрессионными предметами одежды, (3) больничными кроватями и/или инвалидными креслами, (4) прилеганием лицевых масок, (5) кардиомониторингом; (6) электромиографическим мониторингом (EMG); (7) распознаванием температуры; (8) простетическим увеличением конечностей; (9) распознаванием перемещения; (10) распознаванием усилия; и (11) интеллектуальными повязками.
[00132] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в медицинских компрессионных предметах одежды. Согласно одному варианту реализации текстильный датчик может представлять собой сжимающий эластичный предмет одежды, такой как носок, который может быть размещен поверх раневой повязки. Путем использования резистивной конфигурации в текстильном датчике для измерения сжимающей силы посредством компрессионного носка может быть определено среднее давление, приложенное к датчику, и эта информация может быть передана отображающему устройству.
[00133] Возможность ненавязчиво отслеживать сжимающее давление, приложенное таким носком к каждому пациенту, позволяет осуществлять более согласованное приложение необходимого уровня сжатия к конкретным пациентам. Индивидуализированная компрессионная терапия давлением может привести к улучшенному заживлению ран, сокращению периода заживления с малыми затратами и сниженным риском повреждения ног/конечностей из-за чрезмерного сжатия. Такой вариант реализации преодолевает основное ограничение, свойственное обычной конструкции компрессионной повязки, т.е. ограничение, состоящее в том, что уровень сжатия, приложенного компрессионным носком, изменяется в зависимости от размера конечности пациента (управляется согласно физическим законам, таким как уравнение Лапласа). Например, если бы тот же самый предмет одежды использовался десятью различными пациентами, то каждый из них испытывал бы различное фактически приложенное давление по причине индивидуальных размеров конечностей.
[00134] Согласно различным вариантам реализации текстильный материал в качестве датчика может быть встроен в компрессионный трикотаж для отслеживания жизненного цикла продукта и предупреждения потребителя, когда показан или необходим новый компрессионный продукт. Кроме того, текстильный материал в качестве датчика может обеспечивать возможность непрерывного отслеживания сжимающей силы во время периода лечения.
[00135] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в спортивных компрессионных предметах одежды. Согласно некоторым вариантам реализации текстильный датчик может быть встроен в спортивные компрессионные предметы одежды для предоставления клиенту возможности визуализации необходимого правильного сжатия непосредственно на месте приобретения. Кроме того, такой компрессионный спортивный предмет одежды с текстильным датчиком может обеспечивать возможность отслеживания жизненного цикла продукта и предупреждения потребителя о необходимости нового компрессионного продукта.
[00136] Некоторые варианты реализации предмета спортивной одежды содержат жилет, выполненный с возможностью измерения физиологических параметров во время тренировки. Жилет может быть выполнен с возможностью передачи биологических данных в смартфон, часы или другой визуальный индикатор. Такой жилет может отслеживать физиологические параметры, включая, например, интенсивность дыхания, объем дыхания, частоту пульса и/или насыщение кислородом.
[00137] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в больничных кроватях и/или инвалидных креслах. Согласно некоторым вариантам реализации текстильный датчик может быть встроен в ткань клинической кровати и/или инвалидного кресла, причем поверхность ткани выполнена с возможностью отслеживать температуру и/или давление. Слой ткань с индивидуально подобранным размером и формой датчика может предоставить пациенту или лечащему врачу возможность обнаружения ситуации, когда пациент подвергается риску развития пролежней в участках чрезмерного давления.
[00138] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в пригонке прилегания лицевых масок. Согласно некоторым вариантам реализации текстильный датчик может быть встроен в медицинские устройства, которые носят пациенты в клинической и "домашней" окружающей среде. Например, снабженное текстильным датчиком медицинское устройство может представлять собой лицевую маску. Текстильный датчик лицевой маски может использовать измерения сжимающих и растягивающих сил для достижения надлежащего прилегания, обеспечивающего комфорт, и устранения приложения маской чрезмерного давления, что может вызвать повреждения кожи. Такие снабженные текстильными датчиками лицевые маски могут носить, например, работники здравоохранения или служб экстренного реагирования, или персонал, для которого установлен режим промышленной безопасности.
[00139] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в кардиомониторинге. Некоторые варианты реализации настоящего изобретения могут содержать токопроводящую нить, имеющую контактное сопротивление, оптимизированное для отслеживания кардиальных электрических сигналов. Кардиальная чувствительная нить может содержать набор или множество датчиков, выполненных с возможностью размещения в различных местах на человеке, для оптимального распознавания кардиальных сигналов. Кардиальная чувствительная нить, имеющая оптимизированное контактное сопротивление, может содержать автономную кардиальную отслеживающую подкладку, или она может быть вплетена в необходимые места в текстильном датчике. В данном варианте реализации текстильного датчика каждый из отдельных датчиков может быть соединен с другими датчиками с "проводными" связями, встроенными в текстильную структуру. Кардиальные отслеживающие датчики могут соединены с электрокардиографическим (ЭКГ) выходом. Варианты реализации кардиальной отслеживающей текстильной структуры могут регистрировать электрические сигналы на коже как человека, так и животных, и может измерять, записывать и передавать кардиальную волновую форму. Такое устройство может быть использовано для отслеживания сердечного ритма и/или кардиограммы, например, у спортсменов во время тренировки, или выполнять отслеживание кардиограммы в клинических областях применения. Соответственно, варианты реализации кардиальной отслеживающей текстильной структуры могут обеспечивать работу передвижной распознающей платформы для кардиальных сигналов, включая отслеживание сердечного ритма и/или кардиограммы в медицинской и/или спортивной областях применения.
[00140] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в электромиографическом отслеживании. Электромиография (ЭМГ) представляет собой методику, используемую для записи электрической активности скелетных мышц. Эта методика может быть использована для сбора данных посредством внутримышечных или поверхностных электродов. ЭМГ как способ может быть использована при медицинском заболевании, восстановлении спортивных травм, а также для облегчения простетической интеграции и в человеко-машинных интерфейсах. В медицинской области техники ЭМГ в основном используют для постинсультного восстановления. ЭМГ используют в качестве диагностического средства для определения мышечной силы. Однако, ЭМГ также может быть использована для переучивания и повторного усиления целевых мышц и связанных с ними нейронов. Эта относительно новая область требует наличия физиологических данных для программирования игровых сценариев, которые позволяют пациентам усиливать и переобучать поврежденные мышцы и невральные проводящие пути.
[00141] Некоторые варианты реализации текстильной структуры/датчиков, имеющих оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, могут быть использованы для электромиографического (ЭМГ) отслеживания. Например, такую текстильную структуру можно носить для обеспечения сенсорной обратной связи в качестве части процедуры нервно-мышечного восстановления.
[00142] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в распознавании температуры. Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут обеспечивать возможность отслеживания температуры у человека в реальном времени. Размещение такого текстильного датчика в подмышечной области нижнего белья обеспечивает возможность отслеживания в реальном времени температуры тела и сравнивания с допустимыми клиническими параметрами. Кроме того, размещение текстильной структуры на наружной поверхности предмета одежды обеспечивает возможность считывания в реальном времени температур окружающей среды, которые могут быть сравнены с показателями состояния здоровья и/или санитарными нормами/требованиями безопасности.
[00143] Эксперимент F показывает, что электрическое сопротивление зависит от температуры. Таким образом, проводимость изменяется с изменением температуры. Соответственно, вариант реализации текстильной структуры, используемой для отслеживания температуры, может учитывать ожидаемые диапазоны температуры, если контактное сопротивление в данной текстильной структуре является оптимизированным.
[00144] В Эксперименте F два образца из непокрытой ткани, содержащей однофонтурные стежки из полиэстра и однофонтурные стежки из мериносовой шерсти, были покрыты полипирролом (PPy) путем парофазной полимеризации. Образцы размером 50×50 мм из каждой ткани выдерживали в водном растворе хлористого железа (III) (0,8 моль/л) и 1-5-нафталиндисульфоновой кислоты (0,1 моль/л) в течение одного часа. Образцы были удалены из раствора и высушены на воздухе. Затем, высушенные образцы подвесили в запечатанном резервуаре с мономером пиролла на дне и нагревали до 60°C в течение 3 ч. Затем, образцы были удалены, промыты теплой водой и оставлены на ночь для высушивания.
[00145] Электрические удельные сопротивления образцов были измерены при температурах при нагреве аргоном с приращениями 5° между 10°C и 40°C посредством мультиметра, соединенного с двумя медными лентами на ткани с разнесением 30 мм. Результаты этих измерений показаны на фиг. 19 и 20. В таблице на фиг. 19 показаны измеренные удельные сопротивления для каждого из образцов из полиэстра и мериносовой шерсти при каждой из семи исследованных температур. На фиг. 20 представлена диаграмма, показывающая результаты измерения удельного сопротивления для каждого образца ткани в форме графика в зависимости от температур. Для обоих образцов ткани наблюдается линейное обратно пропорциональное отношение между температурой и удельным сопротивлением. При увеличении температуры удельное сопротивление уменьшается. Образец из мериносовой шерсти имел удельное сопротивление, составляющее приблизительно половину сопротивления образца из полиэстра, благодаря более толстой природе ткани из шерсти, в результате обеспечившей улучшенное покрытие полипирролом.
[00146] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение при простетическом оздоровлении конечностей. Люди с протезами конечностей теряют возможность "ощущать" объекты. Нервы повреждены, и, таким образом, связь нарушена. Невральная инженерия включает клиническое внедрение устройств в системы нейропротезов для людей с пораженными или нарушенными невральными системами, так что давления в такой системе передаются нервным узлам внутри выживших частей конечностей. Примером такого давления является интерфейс нервного узла, известный как "нейромиметический интерфейс" между невральной тканью и спроектированными устройствами. Нейромиметический интерфейс определен как электрод, полимер или другое устройство или материал, которые подражают механическим, химическим и/или электрическим свойствам невральной ткани. Задача невральной инженерии состоит в объединении указанных устройств, которые ведут себя подобно естественной невральной ткани.
[00147] Некоторые варианты реализации текстильной структуры, имеющей оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, могут преобразовывать такие давления в поврежденной конечности в электрический сигнал и передавать эти сигналы нервным узлам внутри выжившей части конечности. Согласно другим вариантам реализации электроды периферического нерва могут объединять электрические и оптические способы возбуждения для воспроизведения нейромиметического интерфейса. Согласно другим вариантам реализации субстраты полимерных волокон с механическими свойствами, подобными свойствам невральной ткани, могут быть использованы в кортикальных электродах или в качестве кортикальных электродов.
[00148] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в отслеживании перемещения. Некоторые варианты реализации текстильной структуры, имеющей оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, могут измерять перемещение в текстильном материале в качестве датчика путем измерения изменения электрического сопротивления. Размещение и форма датчика способствуют определению, какое перемещение измеряется и каким способом оно измеряется. Согласно некоторым вариантам реализации имеющий оптимизированное контактное сопротивление текстильный датчик может зарегистрировать среднее перемещение, но не абсолютное перемещение. Согласно некоторым вариантам реализации текстильный датчик может быть объединен с другим датчиком, например, обычным датчиком емкостного типа. В такой комбинации абсолютное перемещение может быть измерено с высокой точностью.
[00149] Примеры типов перемещения, которое может быть отслежено с использованием различных вариантов реализации имеющей оптимизированное контактное сопротивление текстильной структуры (одной или в комбинации с датчиком другого типа) включают: (1) простую интенсивность дыхания в медицинской и/или спортивной областях применения; (2) респираторный дыхательный объем в медицинской и/или спортивной областях применения; (3) перемещение конечности, например, при медицинской реабилитации; (4) перемещение конечности и угол сустава, например, при медицинском и спортивном восстановлении; (5) машинно-человеческий интерфейс, например, в медицине, промышленности и службах экстренного реагирования с повышенным риском/военных областях применения; и (6) мониторинг недр, например, отслеживание структурных перемещений и/или перемещений вследствие землетрясения, а также отслеживание в реальном времени в геотехнических и связанных с профилактикой бедствий областях применения.
[00150] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в отслеживании силы. Некоторые варианты реализации текстильной структуры, имеющей оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, могут измерять как растягивающую, так и сжимающую силы путем измерения изменения электрического сопротивлении. Такой вариант реализации может быть использован для измерения абсолютной сжимающей силы и/или средней растягивающей силы. Такой вариант реализации может быть использован для отслеживания этих сил в различных областях применения, включая: (1) датчики давления в медицинской и/или спортивной областях применения; (2) сдавливающие медицинские бинты; (3) силу/мощность конечностей, например, при специализированном медицинском и спортивном восстановлении; (4) амбулаторное отслеживание кровяного давления; и (5) мониторинг недр, например, отслеживание структурных перемещений и/или перемещений вследствие землетрясения, а также отслеживание в реальном времени в геотехнических и связанных с профилактикой бедствий областях применения.
[00151] Некоторые варианты реализации текстильного датчика, имеющего оптимизированное контактное сопротивление, могут найти применение в интеллектуальных перевязочных материалах. Некоторые варианты реализации такой текстильной структуры могут быть использованы при изготовлении "интеллектуальных" бинтов. Такие бинты могут распознавать температуру, усилие, влажность и/или pH фактор. Согласно некоторым вариантам реализации текстильный датчик, имеющий оптимизированное контактное сопротивление, может распознавать капиллярное кровообращение в концевых частях конечностей.
[00152] Варианты реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также текстильных материалов, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, могут включать: выбор распознающего действия для текстильного материала в качестве датчика; выбор комбинации переменных из группы, состоящей из переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных; и вплетание токопроводящей нити вязанием в текстильный материал в соответствии с выбранной комбинацией переменных, причем вязаная комбинация переменных обеспечивает оптимальное контактное сопротивление в текстильном материале, соотнесенное с необходимой для распознающего действия электропроводностью. Согласно некоторым вариантам реализации вязаная комбинация переменных обеспечивает предсказуемую контактную площадь (52) для токопроводящей нити, соотнесенную с оптимальным контактным сопротивлением. Согласно некоторым вариантам реализации контактная площадь (52) нити имеет размер и форму, и вязаная комбинация переменных обеспечивает предсказуемое количество и качество контактных точек (42, 44, 46, 48, 50) нити, связанные с размером и формой контактной площади (52) нити.
[00153] Комбинация переменных может быть выбрана из переменных нити, включая тип нити, способ изготовления нити и номер нити. Комбинация переменных может быть выбрана из переменных стежка, включая рисунок стежка, длину стежка и процентное содержание стежка. Комбинация переменных может быть выбрана из текстильных переменных, включая электрическое удельное сопротивление, толщину ткани, вес ткани, оптическую пористость и процентную величину постоянного растяжения. Согласно некоторым вариантам реализации переменные стежка, включая рисунок стежка, могут быть выбраны из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10. Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать выбор чувствительности измерения для распознающего действия, и вязаная комбинация переменных может обеспечивать оптимальное контактное сопротивление текстильного материала, соотнесенное с необходимой для чувствительности измерения электропроводностью. В конкретных вариантах реализации выбор распознающего действия для текстильного материала дополнительно может включать выбор множества различных распознающих действий для текстильного материала. Согласно различным вариантам реализации распознающее действие может быть выбрано из распознавания растягивающей силы, сжимающей силы, перемещения, температуры и физиологической активности.
[00154] Другие варианты реализации способа оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также текстильных материалов, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление, могут включать: выбор комбинации переменных из группы, состоящей из переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных; и вплетание вязанием токопроводящей нити, имеющей контактную площадь, в текстильный материал в соответствии с выбранной комбинацией переменных, причем вязаная комбинация переменных обеспечивает управляемую величину контактного сопротивления текстильного материала. Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать выбор распознающего действия для текстильного материала, причем управляемая величина контактного сопротивления текстильного материала соотнесена с необходимой для распознающего действия электропроводностью. В таком варианте реализации комбинация переменных может быть выбрана из переменных нити, включая тип нити, способ изготовления нити и номер нити. Комбинация переменных может быть выбрана из переменных стежка, включая рисунок стежка, длину стежка и процентное содержание стежка. Комбинация переменных может быть выбрана из текстильных переменных, включая электрическое удельное сопротивление, толщину ткани, вес ткани, оптическую пористость и выраженное в процентах постоянное растяжение. Согласно некоторым вариантам реализации переменные стежка, включая рисунок стежка, могут быть выбраны из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10.
[00155] Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать увеличение размера контактной площади (52) нити для уменьшения контактного сопротивления. Контактная площадь (52) нити включает количество и размер контактных точек (42, 44, 46, 48, 50) нити. Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать выбор увеличенной длины стежка 20 для увеличения количества и размера контактных точек (42, 44, 46, 48, 50) нити и размера контактной площади (52) нити для уменьшения, таким образом, величины контактного сопротивления. Другие варианты реализации дополнительно могут включать выбор процентного содержания стежков из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10 для управления количеством и размером контактных точек (42, 44, 46, 48, 50) и размером контактной площади (52) нити и, таким образом, управления величиной контактного сопротивления. Тем не менее, другие варианты реализации дополнительно могут включать выбор типа нити из группы, состоящей из нити из элементарного волокна и нити из штапельного волокна, для управления количеством и размером контактных точек (42, 44, 46, 48, 50) и размером контактной площади (52) нити и, таким образом, управления величиной контактного сопротивления. В таких вариантах реализации тип нити может быть выбран из натуральной нити и синтетической нити. Тем не менее, другие варианты реализации дополнительно могут включать выбор увеличенного номера нити для увеличения количества и размера контактных точек (42, 44, 46, 48, 50) и размера контактной площади (52) нити и, таким образом, уменьшения величины контактного сопротивления.
[00156] Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать выбор увеличенной толщины ткани для увеличения размера контактной площади (52) нити и, таким образом, уменьшения величины контактного сопротивления. Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать выбор увеличенного процентного содержания стежка из пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36. Другие варианты реализации дополнительно могут включать выбор увеличенного веса ткани для увеличения размера контактной площади (52) нити и, таким образом, уменьшения величины контактного сопротивления. В таком варианте реализации выбор увеличенного веса ткани дополнительно может включать выбор увеличенного процентного содержания стежков из пропущенных стежков 34 и прессовых стежков 36. Другие варианты реализации дополнительно могут включать выбор уменьшенной оптической пористости для увеличения размера контактной площади (52) нити и, таким образом, уменьшения величины контактного сопротивления. В таком варианте реализации выбор уменьшенной оптической пористости дополнительно может включать выбор увеличенного процентного содержания прессовых стежков 36. Тем не менее, другие варианты реализации дополнительно могут включать выбор уменьшенного выраженного в процентах постоянного растяжения для увеличения размера контактной площади (52) нити и, таким образом, уменьшения величины контактного сопротивления.
[00157] Согласно некоторым вариантам реализации токопроводящая нить в текстильном материале дополнительно может иметь среднее электрическое удельное сопротивление (MER) в состоянии покоя текстильного материала, и процентное содержание стежков может быть выбрано из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10 для уменьшения среднего электрического сопротивления в состоянии покоя и величины контактного сопротивления.
[00158] Некоторые варианты реализации дополнительно могут включать выбор чувствительности измерения для распознающего действия, и управляемая величина контактного сопротивления текстильного материала может быть соотнесена с необходимой для чувствительности измерения электропроводностью. Согласно некоторым вариантам реализации чувствительность измерения может быть выбрана из группы, состоящей из растягивающей силы, сжимающей силы, перемещения, температуры и физиологической активности. Согласно некоторым вариантам реализации токопроводящая нить в текстильном материале дополнительно может иметь среднее электрическое удельное сопротивление (MER), и процентное содержание стежков может быть выбрано из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10 для обеспечения конкретного динамического диапазона значений среднего электрического сопротивления для управления чувствительностью измерения во время деформации текстильного материала. В частности, динамический диапазон значений среднего электрического сопротивления может включать большой динамический диапазон значений среднего электрического сопротивления для оптимизации контактного сопротивления для пониженной чувствительности измерений для надежных измерений сжимающей силы в большом диапазоне сил. Альтернативно, динамический диапазон значений среднего электрического сопротивления может включать малый динамический диапазон значений среднего электрического сопротивления для оптимизации контактного сопротивления для увеличенной чувствительности измерений для надежных измерений сжимающей силы в небольшом диапазоне сил.
[00159] Согласно некоторым вариантам реализации токопроводящая нить в текстильном материале дополнительно может иметь среднее электрическое удельное сопротивление (MER), и процентное содержание стежков может быть выбрано из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10 для обеспечения узкого диапазона изменений среднего электрического сопротивления для оптимизации контактного сопротивления для повышения чувствительности измерений для надежных измерений небольших нагрузочных давлений. Согласно другим вариантам реализации токопроводящая нить в текстильном материале дополнительно может иметь оптическую пористость, и конкретная оптическая пористость может быть выбрана для оптимизации контактного сопротивления для управления чувствительностью измерения сжимающих или растягивающих нагружающих сил. В частности, оптическая пористость может представлять собой низкую оптическую пористость для уменьшения контактного сопротивления для повышенной чувствительности измерений. Альтернативно, оптическая пористость может представлять собой высокую оптическую пористость для увеличения контактного сопротивления для пониженной чувствительности измерений. Согласно некоторым вариантам реализации процентное содержание стежков может быть выбрано из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10 для оптимизации величины контактного сопротивления для управления чувствительностью измерений температуры.
[00160] В конкретных вариантах реализации такого способа выбор распознающего действия для текстильного материала дополнительно может включать выбор множества различных распознающих действий для текстильного материала. Согласно различным таким вариантам реализации распознающее действие может быть выбрано из распознавания растягивающей силы, сжимающей силы, перемещения, температуры и физиологической активности.
[00161] Некоторые варианты реализации текстильного материала согласно настоящему изобретению могут содержать чувствительную область, содержащую токопроводящую нить, вплетенную вязанием в текстильный материал и выполненную с возможностью распознающего действия; причем чувствительная область содержит комбинацию переменных, выбранных из группы, состоящей из переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных, при этом указанная комбинация переменных обеспечивает оптимальное контактное сопротивление текстильного материала, соотнесенное с необходимой для распознающего действия электропроводностью. Согласно некоторым вариантам реализации комбинация переменных может включать предсказуемую контактную площадь (52) нити для токопроводящей нити, соотнесенную с оптимальным контактным сопротивлением. Согласно некоторым вариантам реализации контактная площадь (52) нити дополнительно может иметь размер и форму, и комбинация переменных дополнительно может включать предсказуемое количество и качество контактных точек (42, 44, 46, 48, 50) нити, связанных с размером и формой контактной площади (52) нити.
[00162] Комбинация переменных может быть выбрана из группы, состоящей из типа нити, способа изготовления нити и номера нити. В некоторых вариантах реализации такого текстильного материала комбинация переменных может быть выбрана из группы, состоящей из рисунка стежка, длины стежка и процентного содержания стежков. В некоторых вариантах реализации такого текстильного материала комбинация переменных может быть выбрана из группы, состоящей из электрического удельного сопротивления, толщины ткани, веса ткани, оптической пористости и выраженного в процентах постоянного растяжения. Переменные стежка, включая рисунок стежка, могут быть выбраны из группы, состоящей из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10.
[00163] В некоторых вариантах реализации такого текстильного материала распознающее действие может включать чувствительность измерения, и комбинация переменных включает оптимальное контактное сопротивление текстильного материала, соотнесенное с необходимой для чувствительности измерения электропроводностью. Некоторые варианты реализации такого текстильного материала дополнительно могут включать множество чувствительных областей, и каждая из чувствительных областей может быть выполнена с возможностью различного распознающего действия. В некоторых вариантах реализации такого текстильного материала распознающее действие может быть выбрано из распознавания растягивающей силы, сжимающей силы, перемещения, температуры и физиологической активности.
[00164] Некоторые варианты реализации текстильного материала согласно настоящему изобретению могут содержать чувствительную область, содержащую токопроводящую нить, вплетенную вязанием в текстильный материал; причем чувствительная область включает комбинацию переменных, выбранных из группы, состоящей из переменных нити, переменных стежка и текстильных переменных, при этом указанная комбинация переменных обеспечивает управляемую величину контактного сопротивления текстильного материала. Чувствительная область может быть выполнена с возможностью распознающего действия, и управляемая величина контактного сопротивления текстильного материала может быть соотнесена с необходимой для распознающего действия электропроводностью. Согласно некоторым вариантам реализации комбинация переменных может быть выбрана из группы, состоящей из типа нити, способа изготовления нити и номера нити. Согласно некоторым вариантам реализации комбинация переменных может быть выбрана из группы, состоящей из рисунка стежка, длины стежка и процентного содержания стежков. Согласно некоторым вариантам реализации комбинация переменных может быть выбрана из группы, состоящей из электрического удельного сопротивления, толщины ткани, веса ткани, оптической пористости и выраженного в процентах постоянного растяжения. Переменные стежка, включая рисунок стежка, могут быть выбраны из группы, состоящей из пропущенных стежков 34, прессовых стежков 36 и однофонтурных стежков 10.
[00165] В некоторых вариантах реализации текстильного материала распознающее действие может содержать чувствительность измерения, и комбинация переменных может включать оптимальное контактное сопротивление текстильного материала, соотнесенное с необходимой для чувствительности измерения электропроводностью. Некоторые варианты реализации текстильного материала дополнительно могут содержать множество чувствительных областей, и каждая из чувствительных областей может быть выполнена с возможностью различного распознающего действия. В некоторых вариантах реализации такой текстильного материала распознающее действие может быть выбрано из распознавания растягивающей силы, сжимающей силы, перемещения, температуры и физиологической активности.
[00166] Способ оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также текстильных материалов, имеющих такое оптимизированное контактное сопротивление согласно настоящему изобретению, обеспечивает преимущества по сравнению с известными способами создания токопроводящих нитей и текстильных материалов. Одно преимущество состоит в том, что варианты реализации настоящего изобретения содержат способ создания текстильной структуры для оптимизации положения и размера контактных площадей (52) нити, которая обеспечивает управление электрическим контактным сопротивлением и, таким образом, чувствительностью текстильной структуры. Таким образом, предложенный способ обеспечивает основание для приспособления текстильной структуры к конкретным областям применения. В результате, такой способ может быть использован в широком разнообразии областей применения и продуктов.
[00167] Другое преимущество состоит в том, что в вариантах реализации настоящего изобретения используются предсказуемые характеристики и переменные нитей и текстильных материалов, которые улучшают управление контактным сопротивлением. Соответственно, в вариантах реализации настоящего изобретения предусмотрена оптимизация контактного сопротивления токопроводящих нитей простым, рентабельным и повторяемым способом.
[00168] Другое преимущество состоит в том, что варианты реализации настоящего изобретения позволяют использовать одиночные типы токопроводящего волокна в текстильном датчике.
[00169] Другое преимущество состоит в том, что варианты реализации "текстильного датчика" согласно настоящему изобретению обеспечивают возможность встраивания в текстильный материал для отслеживания множества точек выходных сигналов (таких как физиологические переменные) и, таким образом, обеспечивают возможность более всестороннего и/или усредненного измерения таких выходных сигналов.
[00170] Другое преимущество состоит в том, что варианты реализации настоящего изобретения обеспечивают возможность использования текстильной структуры, имеющей оптимизированное контактное сопротивление, в качестве датчика для распознавания силы, давления, перемещения, температуры и/или физиологической активности.
[00171] Другое преимущество состоит в том, что варианты реализации настоящего изобретения, таким образом, обеспечивающие возможность улучшенного распознавания такими тканями, могут быть включены в композитные структуры. Такие комбинированные датчики могут обеспечить создание пассивных или активных чувствительных платформ. В одном случае применения такие датчики могут быть использованы для дистанционного измерения физиологических характеристик тела человека. Множество данных, полученных с использованием таких тканей, могут быть использованы, например, для улучшения показателей здоровья, а также увеличения безопасности для спортсменов, служб экстренного реагирования и военного контингента, в том числе для промышленных областей применения.
[00172] Другое преимущество состоит в том, что варианты реализации настоящего изобретения, содержащего вязаные ткани, могут обеспечивать превосходные драпировочные характеристики (возможность формирования на органических формах) поверх тканых материалов и, таким образом, увеличивать комфорт пользователя, срок службы и снижать стоимость.
[00173] Кроме того, некоторые варианты реализации настоящего изобретения обеспечивают преимущества в изготовлении по сравнению с известными датчиками на основе текстильного материала. Например, такой способ может быть осуществлен путем программирования с использованием автоматизированного проектирования (CAD) перед изготовлением для предотвращения, таким образом, ненужных трудозатрат, потерь машинного времени и материалов, обычно присущих методу проб и ошибок. Система автоматизированного проектирования, запрограммированная для изготовления текстильной структуры, имеющей оптимизированное контактное сопротивление, может быть использована для создания текстильной структуры, в которой гибкая проводящая сеть токопроводящих нитей находится в покое, или в которой гибкая проводящая сеть токопроводящих нитей подвергается растяжению или сжатию. Переменные стежка и нити, которыми управляют для оптимизации контактного сопротивления текстильной структуры, могут быть рассчитаны посредством программного обеспечения системы автоматизированного проектирования, используемой в существующих коммерческих вязальных машинах. Таким образом, варианты реализации настоящего изобретения могут обеспечить преимущества, состоящие в упрощении конструкций и производственных процессов при значительном сокращении затрат по сравнению с известными текстильными датчиками. При использовании существующего коммерческого оборудования варианты реализации настоящего изобретения дополнительно могут обеспечивать преимущество предложенного способа, состоящее в повторяемости изготовления надежного резистивного текстильного датчика.
[00174] Не смотря на то, что настоящее изобретение описано на примере конкретных вариантов реализации, следует признать, что эти варианты реализации являются простыми иллюстрациями принципов настоящего изобретения. Для специалистов очевидно, что предложенный способ оптимизации контактного сопротивления токопроводящих нитей и текстильных материалов, а также нитей и текстильных материалов, оптимизированных способом согласно настоящему изобретению, может быть создан и реализован другими средствами и вариантами реализации. Соответственно, содержание настоящей заявки не должно быть истолковано как ограничение настоящего изобретения, поскольку другие варианты реализации также находятся в пределах объема защиты настоящего изобретения.
1. Текстильный материал, имеющий по меньшей мере один полностью интегрированный плетеный датчик и содержащий:
по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью измерения по меньшей мере одного распознающего действия, выбранного из группы, включающей усилие растяжения, сжимающее усилие, перемещение и физиологическую активность, и содержащий токопроводящую нить, вплетенную вязанием в текстильный материал;
причем датчик содержит рисунок стежка, имеющий по меньшей мере 50% однофонтурных стежков и по меньшей мере 50% стежков, выбранных из одного или большего количества из группы, включающей: пропущенные стежки и прессовые стежки;
рисунок стежка определяет контактную область, полученную множеством контактных точек между стежками; и
обеспечена возможность измерения изменения электропроводности датчика вследствие изменения контактной области между стежками с обеспечением возможности мониторинга распознающего действия.
2. Текстильный материал по п. 1, в котором пропущенные стежки составляют по меньшей мере 5% и не более 45% в рисунке стежка в датчике.
3. Текстильный материал по п. 1 или 2, в котором прессовые стежки составляют по меньшей мере 5% и не более 45% в рисунке стежка в датчике.
4. Текстильный материал по п. 1 или 2, в котором токопроводящая нить определена типом нити, способом изготовления нити и номером нити, а выбор типа нити, способа изготовления нити и/или номера нити также определяет контактную область, полученную от каждой контактной точки.
5. Текстильный материал по п. 1 или 2, в котором стежки имеют длину стежка, также определяющую контактную область, полученную от каждой контактной точки.
6. Текстильный материал по п. 1 или 2, также имеющий электрическое удельное сопротивление, толщину ткани, вес ткани, оптическую пористость и выраженное в процентах постоянное растяжение, которые также определяют контактную область, полученную от каждой контактной точки.
7. Текстильный материал по п. 1 или 2, в котором распознающее действие включает чувствительность измерения, причем рисунок стежка выбран таким образом, что множество контактных точек между стежками образуют контактную область, соотнесенную с чувствительностью измерения.
8. Текстильный материал по п. 1 или 2, также содержащий множество из указанного по меньшей мере одного датчика, причем каждый из датчиков выполнен с возможностью осуществления различного распознающего действия.
9. Текстильный материал по п. 1 или 2, в котором токопроводящая нить в текстильном материале также имеет среднее удельное электрическое сопротивление (MER), причем распознающее действие включает распознавание сжимающего усилия, а динамический диапазон значений среднего удельного электрического сопротивления управляет чувствительностью измерения во время деформации текстильного материала.
10. Текстильный материал по п. 1 или 2, в котором распознающее действие включает распознавание физиологической активности, а распознавание физиологической активности включает активность, выбранную из группы, включающей: кардиомониторинг, мониторинг мышечной активности и распознавание сигнала мозговой волны.
11. Интеллектуальная повязка, содержащая текстильный материал по любому из пп. 1-10.
12. Предмет одежды, содержащий текстильный материал по любому из пп. 1-9, и медицинский предмет одежды, причем распознающее действие текстильного материала включает распознавание среднего значения сжимающего усилия.
13. Предмет одежды, содержащий текстильный материал по любому из пп. 1-8, и спортивный предмет одежды, причем распознающее действие текстильного материала включает распознавание физиологической активности.
