Plíživou únavu pozná tričko bezpečně ještě před tím, než si ji uvědomí řidič za volantem. Umožňuje to monitorování dechové frekvence a její následné vyhodnocení, a to za pomoci nositelné elektroniky aplikované do první vrstvy oděvu a následného zkoumání závislosti změny dechové frekvence s nastupující únavou organismu.
S pomocí senzorů měřících frekvenci dechu, založených na principu změny elektrického odporu dokážou vědci z Liberce spolehlivě detekovat únavu. Technologii prakticky aplikovali v podobě tzv. nositelné elektroniky do trička. „Senzory neomylně změří zpomalující se dech, a jsme tak schopni přesně detekovat, kdy na člověka přichází únava. Naše tričko tak může přispět ke snížení počtu dopravních nehod,“ říká autor nápadu Mgr. Michal Martinka, Ph.D., z katedry oděvnictví Fakulty textilní Technické univerzity v Liberci (FT TUL). Systém je chráněn užitným vzorem a na jeho zdokonalení pracuje doktor Martinka s vědeckými týmy na univerzitě Shinshu University v Japonsku. Při vývoji a realizaci řídicí jednotky spolupracuje liberecký výzkumník s týmy Západočeské univerzity v Plzni a ČVUT v Praze.
Nositelná elektronika — předpokládaný vývoj do budoucna
Pojmem nositelná elektronika se rozumí elektronika, která se dá buď přímo, nebo nepřímo nosit, a to buď připevněná na pokožce, nebo integrovaná v oděvu. Elektronika integrovaná do oděvů umožňuje kromě tradičních i další funkce oblečení, například zvýšení oděvního komfortu, ochranu proti zimě i teplu či ergonomii při dobré cenové dostupnosti. Nové funkce jsou zpravidla spojeny s monitorováním stavu nositele a okolí. Jde např. o snímání teploty nositele i okolí, vlhkosti, pohybu, polohy, životních funkcí, osvětlení, proudění vzduchu atd. Podle odborníků se stala aplikace nositelné elektroniky do „smart“, tedy takzvaně chytrých oděvů nejen současným trendem, ale i předpokládaným směrem vývoje do budoucna Existující oděvy, které měří životní funkce, se kupříkladu využívají v nemocničních zařízeních u nepohyblivých pacientů. Jejich funkce se dá přirovnat k EKG, kdy senzory jsou většinou umístěny na podložce a velká řídicí jednotka je umístěna vedle lůžka. Tyto oděvy jsou však podle doktora Martinky extrémně drahé, pořizovací cena se pohybuje kolem 15 tisíc Kč. Aplikace vyvinutá na liberecké fakultě textilní je lehčí a nesrovnatelně levnější. Pořizovací cena bez elektroniky se počítá na stokoruny. „Jsem přesvědčen, že celková cena bude pro spotřebitele přijatelná,“ tvrdí doktor Martinka.
Několikaletý vývoj
Michal Martinka se problematice chytrých textilií věnuje pod vedením docenta Antonína Havelky dlouhodobě. Při vývoji senzorového trička na monitoring tělesných funkcí navazuje na svoji disertační práci věnovanou oděvům s nositelnou elektronikou a pracuje na něm už čtvrtým rokem. I když už jsou reálné hmatatelné výsledky, stále je podle něj co zlepšovat. „Své“ tričko nyní testuje v laboratoři katedry oděvnictví, kde vzhledem k problematickému testování únavy za volantem v reálných podmínkách sestrojil simulátor na základě hry českých vývojářů Euro Truck Simulator 2. V podstatě se jedná o trenažér simulující jízdu kamionem v reálném provozu. Komplet doplnil skutečným volantem i sedačkou z kamionu, k dispozici má ovládací panel a manuálně řadí nebo ladí a poslouchá rozhlasové stanice. „V šest hodin přijdu do laboratoře, sednu si za volant a řídím několik hodin v kuse, než mě přemůže únava a spánek. Celou dobu běží kompletní monitoring, kromě senzorů na tričku běží kamery i teplotní senzory,“ popisuje své experimenty doktor Martinka s tím, že chytré tričko by mohlo nahradit současné monitorovací systémy v autech. Tričko sleduje stav řidiče, proto je spolehlivé Nejnovější vozy jsou dnes už vybaveny monitorovacími systémy zaměřenými na mikrospánek. Podle výzkumných závěrů doktora Martinky ale nejsou zcela spolehlivé, protože sledují nestandardní chování auta, což nemusí odpovídat stavu řidiče. „Naše senzory se v průběhu testování na simulátoru na katedře oděvnictví a následně i v japonských univerzitních laboratořích u počínající únavy nemýlily nikdy. Sledují totiž přímo člověka a změny jeho dechové frekvence, přičemž mění svůj elektrický odpor v závislosti na pohybu hrudníku. Frekvence dechu klesá úměrně s tím, jak je člověk unavený a začíná usínat,“ vysvětluje doktor Martinka. Dodává, že dech odpočatého člověka je pravidelný, při únavě nebo spánku naopak mělký a nepravidelný. To znamená, že pauzy mezi nádechy a výdechy nejsou konstantní.
Běžně dostupné senzory nesnižují komfort
Tričko je vybaveno běžně dostupnými senzory pracujícími na principu změny elektrického odporu na základě pohybu. Používají se například v rukavicích při tvorbě animovaných filmů, kdy se pohyb rukou převádí do počítače. Využívají se také při měření ohybu, při pohybu tělesa do jeho prasknutí. To přivedlo doktora Martinku k nápadu využít je při měření pohybu hrudníku při dýchání a hledal možnost, jak tento pohyb snímat. Po sérii experimentů dospěl do stadia, kdy počátek usínání dokázal předvídat ještě před tím, než člověk tuto změnu při nástupu únavy zpozoruje. V počáteční fázi vývoje využil LiDAR tak, že na zadní straně autosedačky umístil vysílač a na přední straně trička přijímač, a měřila se tak změna vzdálenosti obou bodů. Fungoval, ale byl velký a drahý. Potom zkoušel 3D senzor, který snímal pozice ve třech osách. Tato metoda však byla velmi náchylná a snímala praktický každý otřes, takže bylo téměř nemožné vybrat potřebná konkrétní data. K výraznému posunu došlo, když se mu podařilo vytipovat dva vhodné senzory. Jeden od výrobce Spectra a druhý německý od 3M. Liší se svými tvary. V prvém případě jde o velmi malé, pružné a ohebné proužky o tloušťce 1 mm, které budou implementovány přímo do oděvu. Druhý typ tvoří vodivá pružná syntetika, která má podobu slabého tunýlku všitého do látky. Oba typy senzorů jsou cenově dostupné a pracují na stejném principu — na základě změny elektrického odporu v závislosti na pohybu. Nejsou na látce vidět a pocitově nijak neruší komfort nošení. V testovaném tričku se nyní používají textilní vodivé dráhy zašité do textilie, kterou je možné i prát. Jedná se o stříbrné elektricky vodivé jádro v textilním obalu ze stejného funkčního syntetického materiálu, jako je tričko. Tričko je pohodlné, přitom elastické a přiléhavé k tělu, a je tak možné kopírovat pohyb hrudníku. Aktuálně se testuje prototyp oděvu s již integrovanými zmenšenými senzory do první vrstvy. „Do trička je integrován plochý a ohebný senzorický pásek, který nositel trička prakticky nepozná. Nyní paralelně běží vývoj řídicí jednotky a celého systému, který při poklesu sledovaných hodnot pod mezní hodnotu spustí alarm. Řídicí jednotka se přes Bluetooth propojí s informačním systémem vozu, mobilem, chytrými hodinkami nebo chytrým prstenem osoby za volantem a vyburcuje ji alarmem. Tím může být zvuk nebo vibrace. Uvažujeme, že se to přes Bluetooth spáruje třeba s rádiem, aby zesílilo zvuk, nebo se stáhne okénko, aby do vozu proudil čerstvý vzduch apod. Technicky to je řešitelné. Vždyť dnes už auta běžně komunikují s mobily. Po prvotním spárování bude všechno fungovat automaticky,“ predikuje Michal Martinka. Experimenty s grafenem V současné době vědci testují také vodivou gumu s částečkami grafenu [supertenká forma uhlíku strukturou podobná grafitu, jeden z nejpevnějších známých materiálů na světě — pozn. red.]. Elektrický odpor grafenu se mění v závislosti na tom, jak se částečky grafenu oddělují a pohybují, a to nyní výzkumníci testují v podobě dlouhého senzoru, který by měl být všitý do trička v oblasti hrudníku nebo břicha. „Někdo dýchá hrudníkem a někdo do břicha. A my teď pro pevné zabudování senzoru hledáme na simulátoru v Liberci nejvhodnější pozici s nejčistšími daty pro umístění senzoru,“ říká doktor Martinka.
K detekci únavy je nutné vyhodnotit referenční data
K detekci počátku únavy podle doktora Martinky nestačí vyhodnocovat hodnoty řidiče při řízení kamionu, ale je nutné vyhodnotit frekvenční data. To znamená, že ke spolehlivému výsledku a celkovému vzorku je nutné separátně hodnotit i data v časových osách, kdy je člověk bdělý, unavený nebo spí. „Referenční data postupně porovnávám a zjišťuji, kdy se mi hodnoty z bdělého stavu přesunou do hodnoty únavy, případně až k hodnotám spánku. Na základě toho jsem schopen určit začátek únavy. Ale ani takto získaná data, pokud jsou hodnocena samostatně, nestačí. Proto při experimentech používám ještě další kamery, které například snímají, když zavřu oči nebo je ve tváři viditelná únava, k tomu externí senzor snímá okolní prostředí — třeba vliv teploty na únavu, termokamera zase snímá řidiče, kontroluje, jestli se změní teplota. Tyto poznatky potom porovnávám s daty, která měří senzory na tričku. Pak teprve mohu celé kvantum informací dát do systému, provést analýzu a nastavit systém tak, aby přesně a spolehlivě detekoval moment počáteční únavy,“ vysvětluje s tím, že v současné fázi je systém schopen avizovat počátek únavy a nutnost odpočinku o dvě minuty dříve, než si ji člověk uvědomí.
Napájení senzorů
Vědci zatím nemají dovyvinutou technologii spojující senzor a řídicí jednotku do jednoho celku. Pro napájení senzorů je jejich spojení s elektronikou nezbytné. V současné době je na povrchu trička umístěn zdroj v podobě malé krabičky, který je kvůli pohodlnějšímu řešení problémů řízen přes počítač. Ve finální podobě však bude zdroj výrazně menší, aby se vešel do kapsy, případně aby ho bylo možné všít přímo do trička. Komunikace se senzory bude bezdrátová, přes Bluetooth. „Zatím jsou senzory přichycené na tričko suchými zipy, ale budeme hledat výrobce, který je zabuduje do látky. Neměl by to být při současné úrovni textilní výroby problém,“ je přesvědčen liberecký výzkumník.
Nezapomíná se na recyklaci
Textilní průmysl je obecně považován za největší zdroj odpadu, proto v tomto odvětví sílí tlak na recyklaci. Podle dostupných dat vyprodukují jen domácnosti v ČR ročně zhruba 120 000 t textilního odpadu, z toho se zrecyklují pouhá 3 %. Zbytek končí na skládkách. Textilní sektor proto čeká podle směrnice EU povinná odpovědnost výrobců (EPR — extended producer responsibility — rozšířená odpovědnost výrobce), kdy firmy budou muset přispívat na sběr, třídění a recyklaci textilu. Zároveň se zpřísní kontrola vývozu textilního odpadu, aby bylo zajištěno jeho ekologické zpracování. Tomu na liberecké fakultě textilní přizpůsobují i vývoj smart textilií. Proto i tričko upozorňující na únavu řidiče podle doktora Martinky splňuje všechny základní požadavky nejen na údržbu, ale též případnou recyklaci. Použité vodivé dráhy jsou vyrobeny z recyklovatelných vláken a tričko včetně senzorů je proto podle něj možné recyklovat jako běžný textil. V případě, že je potřeba vyměnit jen tričko, je možné odepínatelnou elektroniku z trička vyjmout a použít v tričku novém, není tedy nutné řešit novou sadu senzorů.
Spolupráce s Japonci
Na testování spolupracoval Martinka s týmem profesora Kojamy na Fakultě textilních věd Shinshu University v Japonsku, která je předním světovým pracovištěm v oblasti měření tělesných funkcí v oděvech. Během doktorského studia na povinné zahraniční stáži představil Martinka Japoncům svůj nápad s tričkem, které monitorovalo životní funkce a setkal se s velmi kladnou odezvou. Japonský tým se s ním podělili o své zkušenosti při využití senzorů FBG [fiber Bragg grating — senzory a detektory na bázi Braggovské mřížky se využívají primárně k měření teploty a mechanického napětí nebo přetvoření — pozn. red.], které pracují na principu průchodu a odrazu určité frekvence světla a využívají se při monitorování životních funkcí v japonských nemocnicích. Jsou extrémně přesné, ale velmi drahé. „Společně jsme vytipovali, na které životní funkce se zaměříme. Bylo to měření teploty, tepu, vlhkosti a unikátně i krevního tlaku. Já jsem se nejprve zaměřil na měření životních funkcí nikoliv u ležících pacientů, ale při běžném pohybu a později jsem se soustředil na monitoring dechu, který je pro řízení auta podstatný,“ vzpomíná doktor Martinka. Nápad se líbil, a když Japoncům ukázal tričko, které v sobě mělo senzory na měření frekvence dýchání, začal společný výzkum, do kterého se zapojil i desetičlenný japonský tým a k dispozici dostal i veškeré laboratorní zařízení včetně přístupu k certifikovaným FBG senzorům. Jde o skelné vlákno, které lze zabudovat do textilu. Je využíváno pro měření v lékařských institucích na nepohyblivých pacientech. Nevýhodou je jeho vysoká cena (cca 25 000 Kč) a velká řídicí jednotka. „Je to skvělá spolupráce. Díky jejich vstřícnosti jsem mohl své výsledky porovnávat s jejich extrémně přesnými FBG senzory, takže se nestalo, že bych naměřil data, která by neodpovídala skutečnosti. Já jsem jim na oplátku pomohl vybudovat pevné prototypy chytrého oblečení na jejich FBG senzory a společně jsme pracovali na zmenšení řídicí jednotky,“ hodnotí spolupráci Martinka s doplněním, že bude probíhat i nadále. V srpnu projde tričko z liberecké univerzity několikahodinovým testem v ostrém provozu v japonské prefektuře Nagano. „Test proběhne v noci, kdy je minimální provoz a za asistence policie. Vedle řidiče bude osoba, která v případě nouze zasáhne do řízení,“ upozorňuje Michal Martinka.
Smart textile jsou v Liberci dlouhodobě předmětem vývoje
Fakulta textilní Technické univerzity v Liberci se vývoji funkčních, tzv. smart textilií věnuje dlouhodobě. Vědecké týmy se zabývají výzkumem a vývojem aplikací nových materiálů v oblasti oděvních a technických textilií, vývojem kompozitních struktur s obsahem anorganických vláken, nanovláken, nanočástic a textilních výztuží s ohledem na ekologické aspekty výroby a použití textilií. V rámci této projektové aktivity vyvíjejí nové typy membrán pro bariérové textilie, což umožňuje konstrukci ochranných vrstev oděvů pro extrémní klimatické podmínky i pro volnočasové aktivity a sport. Libereckým vědcům se podařilo vyvinout například oděv pro seniory, který díky speciálním vodivým nitím integrovaným do textile vyhřívá bedra po dobu dvou hodin na zhruba 30 °C, vyvinuli zde také textilie s antibakteriálními vlastnostmi pro nepohyblivé pacienty. Na trhu jsou oděvy, spací pytle a další sportovní potřeby vybavené unikátní nanomembránou s vysokou paropropustností a větruodolností (viz TT 2024/9). Z liberecké fakulty textilní vzešla řada zajímavých a funkčních návrhů, jak zvýšit viditelnost a rozlišitelnost nositelů oděvů i za horších podmínek a bez přímého osvitu (viz TT 2023/1). Už v roce 2014 to byl způsob, jak do textilií zabudovat liniový zdroj světla z optických vláken. Uznání ze strany BESIPu se dočkala také bunda, ve které jsou zabudované osvětlovací LED diody a je v ní elektronické zařízení i modul, který ovládá zapnutí a vypnutí. Účinným způsobem, jak zvýšit bezpečnost, je využití luminiscenčních pigmentů a na fakultě vyvinuli způsob, jak vetkat nebo zaplést reflexní a luminiscentní vlákna či nitě přímo do základní vrstvy 2D a 3D textilní struktury. Jedním z posledních nápadů z oblasti smart textilií je právě tričko, které avizuje únavu řidiče. Na trh by se mohlo dostat do tří let a cena by neměla překročit částku 2 000 Kč. Přínosem by mělo být hlavně pro profesionální řidiče. /Jaroslava Kočárková/