Одежда узнает о нас все. Электронный текстиль скоро станет таким же распространенным продуктом, как RFID-метки

Мордовский стартап разработал уникальный для России материал, позволяющий интегрировать в текстиль электронные устройства: с ними обычная одежда приобретает новые свойства и функции

В фильме «Назад в будущее» Марти Макфлай надевает «умную» куртку, которая прямо на нем за считаные секунды, считав параметры его фигуры, уменьшается, подгоняя себя под нужный размер. Чтобы такое случилось в реальности, а не в фильме, необходима, помимо всего прочего, электроника со специальными возможностями и свойствами — на той же куртке размещаются датчики и различные устройства, управляющие одеждой, придающие ей новые свойства и функции, делающие ее по-настоящему «умной». Соединяются они особыми токопроводящими материалами, которые должны отвечать нескольким требованиям: быть гибкими и растяжимыми, долговечными, биосовместимыми, гипоаллергенными и иметь малый вес.

В 2016 году было произведено 1,3 млн единиц одежды с интегрированными в нее электронными элементами. По оценкам исследовательской компании Tractica, в 2022 году будет произведено уже около 27 млн единиц «умной» одежды. В IDTechEx (аналитическая компания в сфере RFID-рынка) считают, что в 2019 году мировой рынок электронного текстиля составит 224 млн долларов, а к 2028 году вырастет до 2,2 млрд. Аналитики считают, что это самый быстрорастущий сегмент на всем рынке носимых электронных устройств.

Как раз в этом сегменте и работает компания «Печатные технологии», резидент Центра нанотехнологий и наноматериалов Республики Мордовия.

Стартап разработал токопроводящую пасту для печати на текстиле, точнее, для эластичных субстратов — элементов гибкой и растягиваемой электроники. На основе токопроводящей пасты создается «умная» одежда — с функцией снятия показаний с тела (температура, пульс — эта информация передается, например, на смартфон и анализируется). Созданные стартапом печатные составы позволяют создавать ЭМГ-электроды, RFID-метки и антенны, которые непосредственно интегрируются в элементы одежды. Гендиректор Центра нанотехнологий и наноматериалов Дмитрий Крахин считает, что «Печатным технологиям» удалось попасть в мировой тренд быстрорастущего спроса на электронный текстиль, встраиваемые напечатанные датчики и другие компоненты новой электроники.

Растягиваемая токопроводящая паста — это лишь одна десятая часть работы лаборатории «Печатных технологий», рассказывает гендиректор компании Алексей Исайкин, но, возможно, именно она «выстрелит» и придет к коммерциализации раньше других. Область эта малоисследованная: в мире растягиваемые пасты для печатной электроники специализированно разрабатывают лишь две-три компании.

Печатная электроника (промышленная область, где электронные схемы создаются с помощью печатного оборудования, позволяющего наносить «чернила», которые могут быть токопроводящими, на плоскую подложку) разнообразна с точки зрения используемых материалов и подложек. «Печатные технологии» работают во многих направлениях. «Грубо говоря, когда к нам приходит заказчик, мы ему не отказываем в 99 процентах случаев», — говорит г-н Исайкин. Для этого и создавалась лаборатория, которая входит в сеть наноцентров. Но фокус «Печатные технологии» все же выбрали: это электроника на растягиваемых подложках. В России есть лаборатории, где занимаются гибкой электроникой (например, наноцентр в Троицке), но это не одно и то же. «Не все, что гибкое, является растяжимым, но все, что растяжимое, — гибкое», — отмечает Алексей Исайкин. «Когда мы начали заниматься печатными технологиями, у нас возник ряд проблем, — продолжает он. — В России почти нет материалов для печатной электроники, это очень скудный рынок».

Оценив свои силы, в «Печатных технологиях» приняли решение выходить на рынок именно носимой электроники (то, что встраивается в одежду, чехлы, упаковку, используется в розничной торговле, медицине, проектах интернета вещей). Чтобы появилась возможность создавать такие продукты, «Печатным технологиям» пришлось самим разрабатывать пасту для текстиля и других поверхностей (например, резины), чтобы они при растягивании и сгибе не теряли своих токопроводящих свойств.

Для понимания: чтобы делать «умную» одежду, не обязательно использовать именно растягиваемую пасту. Есть конкурирующие технологии: например, можно использовать скрученные в спираль провода или же вшивать в текстиль металлические нити. «Мы принципиально отличаемся тем, что печатаем прямо на текстиле, — говорит Исайкин. — И доказываем, что лучше использовать нашу пасту, она „дышащая“, в отличие, скажем, от резинового материала, в котором человек быстро потеет».

Перед инженерами-электронщиками из «Печатных технологий» — а это всего пять человек — стояла задача подобрать оптимальный состав печатающей пасты (на 55% она состоит из частиц наносе ребра, в состав входят также эластомеры, поверхностно-активные вещества и другие химические компоненты). «Этот „рецепт“ должен был еще и совпадать с технологией изготовления, — рассказывает Алексей Исайкин. — Это касается в том числе температуры сушки: чем она выше, тем лучше результат, но нам нельзя превышать определенный предел: если больше 150 градусов, текстиль начинает гореть. При этом нужно было сделать пасту не хуже иностранных аналогов». В стартапе уверены, что по основным характеристикам пасты так и получилось — это прежде всего ее способность проводить ток при растяжении в несколько раз без сильного снижения эффективности передачи электроэнергии.

По словам Алексея Исайкина, главная научная новизна разработки — состав пасты. Если зарубежные компании используют частицы серебра одинакового размера, то мордовские ученые предпочли бимодальную модель, задействуя три размера частиц (1, 10 и 100 нанометров). «Разные частицы серебра — и по размеру, и по форме — при спекании образуют более плотную сеть, — поясняет Алексей Исайкин. — При растягивании такая паста меньше рвется и лучше проводит ток». Вторым отличием мордовской пасты будет ее низкая себестоимость по сравнению с конкурентами. Стартап занят попытками удешевить ее минимум на 30% за счет замены серебра на посеребренную медь как более дешевый металл (в чистом виде медь использовать нельзя, потому что она окисляется).

«Отпрыски» на вырост

«Печатные технологии» занимаются только исследованиями, а под изготовление прототипов продукта и мелкосерийное производство создаются отдельные компании, которые также являются резидентами мордовского Центра нанотехнологий и наноматериалов. Компания «Принтосенс» разрабатывает печатные сенсоры температуры, давления, силы и сгиба: на поверхность плоской подложки сенсора наносятся специальным принтером токопроводящие чернила (не обязательно именно такие: они могут быть и полупроводниковые, и резистивные). «Датчик давления представляет собой ПЭТ-пленку с нанесенными на нее функциональными слоями толщиной около одного миллиметра, — рассказывает Алексей Исайкин. — При нажатии меняется сопротивление слоя, и на выходе мы получаем электрический сигнал, который интерпретируется контроллером и выдает результат: как сильно на него жмут. Это нужно для носимой электроники». По оценкам «Печатных технологий», рынок печатных датчиков сейчас составляет порядка миллиарда долларов.

«Такие датчики могут выполнять самые разные задачи, — рассказывает Дмитрий Крахин. — Например, снимать данные о жизнедеятельности организма — сердцебиение, уровень глюкозы в крови, температура тела, влажность, измерять степень и распределение давления стопы при легкоатлетических нагрузках, выполнении специальных упражнений или при восстановлении после травмы. Это могут быть датчики, встраиваемые в обшивку сидений автотранспорта или домашней мягкой мебели. А еще есть большой спектр датчиков, используемых на предприятиях, внедряющих промышленный интернет вещей. И большинство этих датчиков будут произведены печатными методами, так как они позволяют создавать уникально тонкий форм фактор решений, и, что немаловажно, это быстро и дешево».

Компания «Смартстеп» (тоже резидент технопарка) занимается разработкой «умных» стелек на основе печатных сенсоров; третья компания, «Светком», — легких, гибких, прозрачных светодиодных пленок. «Все наши проекты находятся на стадии перехода от прототипа к мелкосерийному производству», — говорит Антон Кузенков, директор всех трех компаний. К «умным» стелькам проявили интерес в Центре олимпийской подготовки по спортивной ходьбе, в Федерации горнолыжного спорта и прыжков с трамплина (им важно знать распределение веса спортсмена в прыжке). А еще есть рынок индивидуального фитнеса.

Быстрее всего получится начать продажи светодиодных пленок, считает Антон Кузенков. Уже запланирован пилотный проект: установка медиафасада площадью 60 кв. м на одном из московских бизнес-центров для демонстрации рекламного видеоконтента (но можно такое полотно использовать и просто для подсветки зданий и витрин). Его преимущества в том, что он очень легкий по сравнению с традиционным светодиодным полотном — по сути, это просто пленка, которая крепится на стекло и не требует согласований с регулирующими органами. Правда, такие пленки — продукт, первоначально разработанный финской компанией Flexbright, но в Мордовии существенно доработали технологию светодиодной пленки: сделали свои контроллеры и защитный полимер, благодаря которому экрану не страшны ни дождь, ни холод. «Токопроводящие дорожки у этого продукта созданы высокоэффективным печатным методом roll-to-roll, похожим на то, как печатают газеты, — быстро и массово, — объясняет г-н Крахин. — Спрос на напечатанную светодиодную пленку обусловлен трендами на использование в качестве носителей информации пропускающих свет поверхностей: окон, фасадов, прозрачных ограждений и перегородок».

Востребованным на рынке станет и «электронный» текстиль — в первую очередь «умные» майки для спортсменов и любителей спорта, которые позволят получать данные о работе мышц, считает Алексей Исайкин: «Это уже востребовано, но сам продукт пока не доведен до ума. И мы как раз стараемся сделать такую майку, чтобы ее можно было свободно эксплуатировать и стирать». Интересуются растягиваемой пастой и модельеры, которые хотят сделать одежду светящейся и более функциональной.

Пока «Печатные технологии» продают только свою пасту, а не конечный продукт, и речь идет лишь о единицах килограммов (в лаборатории можно «сварить» не больше пяти килограммов в месяц) для инновационных стартапов — российских и зарубежных. Вокруг печатной электроники для одежды и гаджетов в мире ведется бурная деятельность: кто-то делает футболки, кто-то стельки, кепки, «умную» упаковку и многое другое. «Печатные технологии» работают в тесной связке с европейскими инноваторами, входя в международный кластер PrintoCent.

Что касается возврата вложений в стартап, то Алексей Исайкин рассчитывает, что уже через три года удастся продать часть технологий и spinoff-компаний (так называют фирмы, создаваемые материнской компанией для самостоятельной разработки и вывода на рынок нового продукта или технологии). «Продажи одной технологии — это десятки миллионов рублей, — говорит он. — Что хорошо в сети наноцентров, так это скорость работы: от появления идеи до реализации проекта проходит буквально год или даже полгода. Потому что и деньги под идею можно получить быстро, и продвинуть продукт. Помогает кооперация: мы активно привлекаем компетенции и разработки других компаний сети наноцентров».

Говоря о перспективах, Дмитрий Крахин предлагает оглянуться на несколько лет назад, когда на форумах обсуждали внедрение напечатанных RFID-меток:
«Сегодня это уже реальность и сотни коммерческих применений. То же будет и с электронным текстилем, встраиваемыми напечатанными датчиками и другими компонентами новой электроники».

Дмитрий Крахин уверен, что электронный текстиль скоро станет таким же распространенным продуктом, как RFID-метки.