เสื้อผ้าอัจฉริยะที่สามารถกันน้ำได้

          ดังที่เราทราบกันดีว่าในปัจจุบันมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นใหม่อย่างมากมายที่สามารถตอบสนองการใช้งานของเราให้สะดวกสบายยิ่งขึ้น โดยปกติแล้วอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งจ่ายพลังงานให้อุปกรณ์สามารถทำงานได้ และมีสายเชื่อมต่อมากมายที่อาจทำให้การใช้งานไม่ค่อยสะดวกนัก ดังนั้นการนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มารวมกับอุปกรณ์ที่เราใช้สวมใส่ตามปกติในชีวิตประจำวัน ดังเช่น เสื้อผ้า จึงเป็นแนวคิดที่น่าสนใจในการพัฒนาเทคโนโลยีของอุปกรณ์ให้ล้ำสมัยขึ้น


          ในปัจจุบันมีงานวิจัยมากมายเสนอแนวคิดในการสร้างเสื้อผ้าอัจฉริยะให้เกิดขึ้น ^[1] แต่มีแนวคิดไม่มากนักที่น่าจะสามารถนำมาใช้ได้จริงในเชิงปฏิบัติ รวมถึงพัฒนาเป็นในเชิงการค้าได้ เมื่อไม่นานมานี้ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพอร์ดิว (Purdue University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ตีพิมพ์ผลงานการออกแบบเสื้อผ้าอัจฉริยะที่นอกจากสามารถควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่แล้ว ยังสามารถสวมใส่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยที่เสื้อผ้าที่ออกแบบนี้มีความสามารถในการป้องกันน้ำและน้ำมัน และยังสามารถซักทำความสะอาดได้หลายครั้งโดยที่ไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเสื้อผ้า ^[2]


          ในขั้นตอนการสร้างนั้น นักวิจัยได้เริ่มจากการเคลือบเสื้อผ้าที่ต้องการสร้างเป็นเสื้อผ้าอัจฉริยะด้วยสารเคมีที่มีคุณสมบัติกันน้ำและน้ำมัน (Hydrophobic and oleophobic) หลังจากนั้นได้มีการใช้เครื่องฉลุลวดลาย (หรือจักรปักลวดลาย (Embroidery machine)) ปักแบบลวดลายเนื้อผ้าที่มีคุณสมบัติป้องการน้ำและน้ำมันเช่นกันลงไปบนเสื้อผ้า โดยที่ก่อนที่จะปักลวดลายนั้นได้มีการฉีดเคลือบผิวด้วยอนุภาคเงินขนาดนาโน (Nanostrcutured silver) เพื่อทำเป็นขั้วไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์อีกด้วย เสื้อผ้าอัจฉริยะที่สร้างได้จากงานวิจัยนี้ได้


          ใช้หลักการทำงานตามปรากฎการณ์ไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectricity) โดยที่อุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานทั้งหมดที่ใช้หลักการนี้ จะเรียกรวมกันว่า แหล่งกำเนิดพลังงานขนาดเล็กไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectric nanogenerator) ตามการคิดค้นของกลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์ Wang ในปี ค.ศ. 2012 ^[3] อุปกรณ์ชนิดนี้ต้องการวัสดุไทรโบอิเล็กทริก ^[4] ที่มีคุณสมบัติกำเนิดประจุไฟฟ้า (Electric charge) บนพื้นผิววัสดุจากการขัดถูเสียดสีตามปรากฎการณ์ไฟฟ้าสถิตอย่างน้อย 2 ชนิด มาเชื่อมต่อร่วมกันเป็นโครงสร้าง เพราะฉะนั้นในงานวิจัยนี้ดังที่กล่าวในตอนต้น วัสดุไทรโบอิเล็กทริกหลักชนิดแรกคือเนื้อผ้าที่ทำการปักลงไปนั่นเอง เพื่อที่จะได้วัสดุไทรโบอิเล็กทริกอีกชนิดหนึ่งเพื่อที่จะนำมาจับคู่กับวัสดุไทรโบอิเล็กทริกชนิดแรก นั่นคือ ลายผ้าปัก ทางทีมวิจัยได้เลือกวัสดุเป็นเทฟลอน (Polytetrafluoroethylene (PTFE หรือ Teflon)) เหตุผลที่เลือกวัสดุชนิดนี้เพราะว่าเทฟลอนมีคุณสมบัติในการให้ประจุบวกหลังจากเกิดการเสียดสี ซึ่งตรงข้ามกับผ้าที่ให้ประจุลบ การให้ประจุตรงข้ามกันนี้จะทำให้เกิดการถ่ายเทประจุระหว่างวัสดุ หรือทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้านั่นเอง ในงานวิจัยนี้ วัสดุเทฟลอนได้ถูกเคลือบแยกไปบนเนื้อผ้าผสมอนุภาคเงินขนาดนาโนที่ทำให้มีลวดลายเดียวกันกับการปะตอนแรก ผ้านี้จะทำหน้าที่เป็นแผ่นฐาน (Substrate) หลังจากนั้นจะนำผ้านี้ไปเย็บติดไว้ให้พอดีกับลวดลายที่ถูกปะไว้บนเสื้อผ้า ซึ่งจะมีช่องว่างเกิดขึ้นระหว่างเนื้อผ้าปักและเทฟลอน ทำให้เมื่อเกิดแรงกด (หรือแรงอื่น ๆ มากระทำ) จะทำให้เกิดการเสียดสีกันระหว่างวัสดุไทรโบอิเล็กทริก 2 ชนิด ซึ่งจะสามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลได้ เมื่อทดลองนำตัวไดโอดเปล่งแสง (light emitting diode, LED) ขนาดเล็กไปเชื่อมต่อเป็นโหลดไฟฟ้า จะพบว่าอุปกรณ์ที่สร้างขึ้นนี้มีประสิทธิภาพที่สามารถทำให้ LED ติดสว่างได้อย่างเห็นได้ชัด

            เพื่อที่จะทดสอบประสิทธิภาพของเสื้อผ้าอัจฉริยะที่สร้างได้นี้ นักวิจัยได้ทำการทดสอบความสามารถในด้านการป้องกันน้ำและน้ำมันเป็นอันดับแรก จากการทดสอบพบว่าอุปกรณ์ชนิดนี้มีความสามารถในการป้องกันได้อย่างดี โดยที่สามารถล้างทำความสะอาดได้หลายครั้งโดยที่ไม่ทำให้อุปกรณ์เสียหาย นอกจากนั้นได้ทำการทดสอบผลทางไฟฟ้าจากการป้อนแรงกดเชิงกลด้วยมือ พบว่าเมื่อทำการกดเป็นจังหวะลงบนเนื้อผ้า จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าถึง 300 V ในขณะที่กระแสไฟฟ้าจะได้ประมาณ 80 \(u\)A (ไม่ได้แสดงในภาพ) ซึ่งกระแสและแรงดันไฟฟ้าขนาดนี้สามารถนำไปใช้ควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นักวิจัยได้ทำการทดสอบอุปกรณ์โดยการนำไปชาร์จประจุไฟฟ้าให้กับตัวเก็บประจุ (Capacitor) โดยที่พบว่าเสื้อผ้าอัจฉริยะสามารถชาร์จตัวเก็บประจุได้ระดับแรงดันไฟฟ้าประมาณ 12 V ภายใน 10 วินาที ในขั้นตอนสุดท้าย นักวิจัยได้นำแนวคิดเสื้อผ้าอัจฉริยะไปทดสอบในเชิงปฏิบัติ โดยการทดสอบด้วยแรงต่าง ๆ เช่น แรงยืด แรงกด และแรงเสียดสี เป็นต้น ผลการทดสอบเป็นที่พอใจตรงที่อุปกรณ์ชนิดนี้สามารถกำเนิดไฟฟ้าได้จากทุกลักษณะแรงที่ป้อนเข้ามา โดยที่สามารถนำแนวคิดนี้นำมาสร้างลวดลายแบบต่าง ๆ ลงบนเสื้อผ้า ตามที่เราต้องการ  นอกจากนั้นเสื้อผ้าอัจฉริยะยังสามารถประยุกต์ใช้เพื่อสร้างเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่น่าสนใจ ดังเช่น อุปกรณ์ควบคุมเสียงลงบนเสื้อผ้า โดยที่ผู้ใช้งานสามารถปรับฟังก์ชันตามที่ต้องการได้อีกด้วย 


          จากงานวิจัยนี้เราจึงเห็นแนวทางของเทคโนโลยีที่เป็นไปได้ในอนาคต โดยที่สามารถทำให้อุปกรณ์ที่เราสวมใส่ในชีวิตประจำวัน ดังเช่น เสื้อผ้า สามารถควบคุมการทำงานของเทคโนโลยีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ได้อย่างครอบคลุมในแค่การสวมใส่แค่ชนิดเดียว อย่างไรก็ตามเป็นที่น่าสนใจว่าในอนาคตแนวคิดนี้จะสามารถเป็นไปได้ในทางการค้ามากน้อยเพียงใด เราคงต้องตามดูกันต่อไป  

• [1] Y. Hu, Z. Zhao, and Z. Liu, Textile triboelectric nanogenerator for wearable electronics, Advanced Materials Letters 9 (2018), 199-204. 
• [2] M. S. de Medeiros et al., Waterproof, breathable, and antibacterial self-powered e-textiles based omniphobic triboelectric nanogenerators, Advanced Functional Materials (2019), 1904350. 
• [3] F. -R. Fan, Z. -Q. Tian, and Z. L. Wang, Flexible triboelectric generator!, Nano Energy 1 (2012), 328-334. 
• [4] Z. L. Wang, Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors, ACS Nano 7 (2013), 9533-9557.