РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ СТАБИЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СТРУКТУР ДЛЯ АДАПТИВНОЙ ОДЕЖДЫ

АННОТАЦИЯ

В статье представлена методика оценки стабильности электропроводящих текстильных структур, предназначенных для использования в адаптивной одежде с интеллектуальными функциями. Методика разработана на основе обобщения результатов экспериментальных исследований, направленных на изучение поведения токопроводящих путей при растяжении, угловом смещении, воздействии влажно-тепловой обработки и варьируемой геометрии токопроводящих дорожек. Представлена система блок-схем, охватывающая этапы подготовки образцов, измерения, анализа и контроля соответствия критериям пригодности. Методика позволяет стандартизировать оценку функциональности текстильных структур в условиях, приближенных к реальной эксплуатации, и может быть использована как в научных исследованиях, так и в инженерной практике при проектировании адаптивной одежды.

ABSTRACT

The article presents a methodology for assessing the stability of electrically conductive textile structures intended for use in adaptive garments with smart functions. The method is based on a synthesis of experimental results focused on the behavior of conductive pathways under stretching, angular displacement, thermal-moisture treatment, and variations in the geometry of printed conductors. A block-diagram system is proposed, covering the stages of sample preparation, measurement, analysis, and compliance control. The methodology allows for the standardized evaluation of textile functionality under realistic conditions and can be applied both in research and in engineering practice for the design of adaptive clothing.

Ключевые слова: адаптивная одежда, проводящие волокна, текстильная электроника, методика оценки, стабильность проводимости, ван-дер-Пау, умная одежда

Keywords: adaptive clothing, conductive fibers, textile electronics, assessment methodology, conductivity stability, van der Pauw, smart clothing

Введение

Современное производство одежды сталкивается с необходимостью оперативного реагирования на индивидуальные запросы потребителей [1,2], в том числе в контексте создания адаптивных изделий с интегрированными интеллектуальными компонентами [3-5]. Параметрическое проектирование и цифровые платформы создают предпосылки для внедрения самообучающихся систем [6,7], способных формировать и корректировать изделия в соответствии с реальными условиями эксплуатации [8,9].

Целью исследования является разработка структурно-функциональной модели параметрической системы проектирования адаптивной одежды, обеспечивающей интеграцию умных компонентов и возможность виртуальной верификации изделий с последующей корректировкой параметров.

Современные направления в проектировании интеллектуальной и адаптивной одежды включают создание текстильных систем, способных к функциональному отклику в условиях эксплуатации. Одним из ключевых элементов таких систем являются токопроводящие волокна и покрытия, обеспечивающие передачу сигналов, измерение физиологических параметров и интеграцию в системы «умного» контроля [1–3].

В международной практике разработаны текстильные изделия, регистрирующие ЭКГ-сигналы [4, 5], параметры дыхания [6, 7], температуру тела [8], давление [9], движения и осанку [10–13], а также электромагнитные излучения [14, 15]. Для построения подобных систем использовались как текстильные сенсоры на основе трикотажа [12], так и печатные проводящие дорожки [16], интегрированные в одежду. Работы Paradiso, Tada, Di Rienzo, Wang и других учёных показали, что эффективность таких изделий напрямую зависит от стабильности проводимости при деформации и многократной влажной обработке [4–9, 13].

Однако в большинстве исследований акцент сделан на демонстрации функционала, а не на воспроизводимой оценке надёжности токопроводящих путей. В этой связи отечественные наработки в области методик измерения электропроводности приобретают особую значимость. Ранее были разработаны подходы к защите от ЭМИ [17], предложена модифицированная методика Ван-дер-Пау [18], исследована проводимость печатных дорожек и структура гибких плат [19–21]. Представлены решения для оценки стабильности в условиях нагрузки и стирки, а также обзорно охарактеризованы направления развития электронного текстиля [22].

Тем не менее, отсутствует комплексная унифицированная система, позволяющая стандартизировать диагностику проводящих структур с учётом всех значимых эксплуатационных факторов. Целью данной работы является разработка методики, включающей поэтапный алгоритм — от базовых измерений до анализа устойчивости после деформационных и климатических воздействий. Это позволит формировать инженерные критерии отбора материалов и повысить надёжность адаптивной одежды в практическом применении.

Материалы и методы

В данной работе представлена структурированная методика оценки устойчивости электропроводящих текстильных структур к эксплуатационным воздействиям. Методика разработана на основе анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований, ранее проведённых автором по изучению проводящих покрытий на тканевых и трикотажных подложках.

Методика учитывает ключевые факторы, влияющие на проводимость: механическую деформацию, ориентацию дорожек, влажно-тепловые воздействия, а также геометрию и многослойность покрытия.

Результаты и обсуждение

Методическая система основывается на объединении следующих ключевых направлений:

– Определение базовых электрофизических характеристик по модифицированной схеме ван-дер-Пау для трикотажных и тканых образцов;

– Оценка влияния растяжения и углового смещения по отношению к направлению основы, с анализом изменений удельного сопротивления Rs на интервалах ε = 0–50 % и θ = 0–80°;

– Испытания на устойчивость к влажно-тепловой обработке, моделирующие бытовые и производственные режимы стирки, включая оценку остаточной проводимости после 10 циклов;

– Исследование печатных токопроводящих дорожек, в том числе с варьируемым числом слоёв, нанесённых на текстильные подложки различного строения;

– Выявление критических конфигураций, при которых достигается наилучшее соотношение между технологичностью и стабильностью проводимости (например, ≥3 слоя покрытия + защитный слой/шов).

Методика реализована в форме поэтапного алгоритма, охватывающего подготовку образцов, выполнение измерений, статистическую обработку и формирование заключений о пригодности материала. Все этапы представлены в виде блок-схем (рисунки 1–5), что обеспечивает воспроизводимость процедуры при её применении в научных и прикладных задачах.

В качестве контрольных показателей использованы:

– начальное удельное сопротивление Rs₀;

– относительное изменение сопротивления при растяжении (k_ε), при угловом смещении (k_θ) и после стирки (k_ws);

– пороговые значения пригодности по каждому из критериев, с последующим прохождением контрольного этапа допуска.

Блок А иллюстрирует этап подготовки образцов. Включает операции по отбору текстильных структур, кондиционированию, раскрою с допусками, нанесению маркеров и монтажу электродов в формате, совместимом с методом Ван-дер-Пау. Этот этап формирует единообразную исходную базу для дальнейших измерений.

Блок B представляет базовую процедуру измерения удельного поверхностного сопротивления Rs. Используется токово-напряженческая последовательность с чередованием контактов, включая контроль количества повторов и статистическое усреднение значений. Этот этап обеспечивает фиксацию исходного (недеформированного) состояния образца.

Блок C отражает модуль деформационных испытаний, в котором реализовано поэтапное растяжение с шагом 5 % и угловое смещение ориентации токопроводящих каналов с шагом 10°. Измерения R_s проводятся при каждом сочетании ε и θ, формируя двумерное поле данных.

Блок D отображает этап эксплуатационного воздействия — циклов влажно-тепловой обработки, имитирующих стирку. Каждый цикл включает обработку, сушку и повторное измерение Rs. Суммарная серия позволяет оценить стабильность электропроводимости в условиях повторного использования.

Блок E структурирует обработку данных: исключение выбросов, нормализация, расчёт средних значений и отклонений, дисперсионный анализ и регрессионное моделирование. По результатам формируются графические и табличные формы представления данных (включая 3D-карты и диаграммы устойчивости).

Блок F представляет заключительный этап методики — контроль соответствия полученных параметров нормативным критериям. Если по всем ключевым метрикам (Rs₀, k_ε, k_θ, k_ws) достигнуто соответствие, структура признаётся пригодной к применению. При наличии отклонений предполагается корректировка геометрии токопроводящих путей, числа слоёв или защитной архитектуры.

Таким образом, схема блоков 5.9–5.14 отражает не только последовательность экспериментальных действий, но и служит инструментом стандартизации процедур при оценке новых типов функционального текстиля для адаптивной одежды.

Заключение

Таким образом, разработанная методика представляет собой унифицированный инструмент оценки функциональных текстильных структур, предназначенных для включения в состав адаптивной и интеллектуальной одежды. Её применение обеспечивает сравнимость и достоверность данных, позволяет обосновать выбор конкретных технологических решений и формировать требования к конструкции изделий на этапе проектирования.

Список литературы:

1. Tyurin I.N., Getmantseva V.V., Tashpulatov S.Sh., Andreeva E.G. Electronic textiles: a review of main research areas // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Seriya Teknologiya Tekstil'noi Promyshlennosti. – 2024. – No. 1 (409). – P. 5–12. – DOI: 10.47367/0021-3497_2024_1_5.
2. Van Langenhove L. Smart textiles for medicine and healthcare: materials, systems and applications. – London: Taylor & Francis, 2007. – 312 p.
3. Carpi F., De Rossi D. Electroactive polymer-based devices for e-textiles in biomedicine // IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine. – 2005. – Vol. 9, No. 3. – P. 295–318.
4. Paradiso R., De Toma G., Mancuso C. Smart Textile Suit // In: Seamless Healthcare Monitoring / Eds. T. Tamura, W. Chen. – Cham: Springer, 2018. – P. 251–277.
5. Di Rienzo M., Vaini E., Lombardi P. et al. Development of a smart garment for the assessment of cardiac mechanical performance and other vital signs during sleep in microgravity // Sensors and Actuators A: Physical. – 2018. – Vol. 274. – P. 19–27.
6. Hoffmann T., Eilebrecht B., Leonhardt S. Respiratory monitoring system on the basis of capacitive textile force sensors // IEEE Sensors Journal. – 2011. – Vol. 11, No. 5. – P. 1112–1119.
7. Jakubas A., Łada-Tondyra E. A study on application of the ribbing stitch as sensor of respiratory rhythm in smart clothing designed for infants // Journal of the Textile Institute. – 2018. – Vol. 109, No. 9. – P. 1208–1216.
8. Husain M.D., Naqvi S., Asmatulu R. et al. Measuring human body temperature through temperature sensing fabric // AATCC Journal of Research. – 2016. – Vol. 3, No. 4. – P. 1–12.
9. Wang Y.Y., Hua T., Zhu B. et al. Novel fabric pressure sensors: design, fabrication and characterization // Smart Materials and Structures. – 2011. – Vol. 20, No. 6. – Art. 065015.
10. Lorussi F., Rocchia W., Scilingo E.P. et al. Wearable, redundant fabric-based sensor arrays for reconstruction of body segment posture // IEEE Sensors Journal. – 2004. – Vol. 4, No. 6. – P. 807–818.
11. Fujioka J., Yoshida Y., Ise T. et al. Measurement and analysis of human behavior using wearable sensors made of conductive knit // Journal of Textile Engineering. – 2018. – Vol. 64, No. 1. – P. 19–27.
12. Preece S.J., Kenney L.P.J., Major M.J. et al. Automatic identification of gait events using an instrumented sock // Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. – 2011. – Vol. 8. – Art. 32.
13. Trindade I.G., Machado da Silva J., Miguel R. et al. Design and evaluation of novel textile wearable systems for the surveillance of vital signals // Sensors. – 2016. – Vol. 16, No. 10. – Art. 1573.
14. Hertleer C., Van Langenhove L., Rogier H. Printed textile antennas for off-body communication // Advances in Science and Technology. – 2008. – Vol. 60. – P. 64–66.
15. Van Langenhove L. Smart textiles for medicine and healthcare: materials, systems and applications. – London: Taylor & Francis, 2007. – 312 p.
16. Barabáš J., Balogová Ľ., Gála M., Babušiak B. Conductive paths and influence of their interconnection on transmission of electric signal in smart clothing // Vlákna a Textil. – 2017. – Vol. 24, No. 4. – P. 9–14.
17. Тюрин И.Н., Гетманцева В.В. Обеспечение защитных функций одежды при эксплуатации её в условиях электромагнитного излучения // Синергия Наук. – 2018. – № 23. – С. 1232–1238.
18. Tyurin I.N., Getmantseva V.V., Andreeva E.G. Van der Pauw Method for Measuring the Electrical Conductivity of Smart Textiles // Fibre Chemistry. – 2019. – Vol. 51, No. 2. – P. 139–146. – DOI: 10.1007/s10692-019-10060-1.
19. Тюрин И.Н., Гетманцева В.В., Андреева Е.Г., Белгородский В.С. Исследование проводимости контактных дорожек для проектирования гибких печатных плат на текстильной основе // Известия вузов. Технология легкой промышленности. – 2019. – № 3. – С. 25–28.
20. Тюрин И.Н., Цогоев И.Х., Андреева Е.Г. и др. Токопроводящие контактные дорожки для проектирования умной одежды с биометрическими функциями // Костюмология. – 2019. – № 4(4). – С. 7.
21. Сильченко Е.В., Николаев С.Д. Новая ткань для защиты человека от воздействия электромагнитных полей // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2015. – № 6 (360). – С. 59–64.
22. Lorussi F., Scilingo E.P., Tesconi M. et al. Strain sensing fabric for hand posture and gesture monitoring // IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine. – 2005. – Vol. 9, No. 3. – P. 372–381.