Puettava elektroniikka ja älyvaatteiden uudet sovellukset

Ollaanpa rehellisiä: nykyinen käsityksemme ”puettavasta elektroniikasta” on hieman väärä. Älykello ranteessasi ei ole vaate. Se on pienennetty tietokone, joka on hihnalla kiinni kehossasi. Se on kova, se on jäykkä, ja jos nukut sen kanssa, se painaa ikävästi poskea vasten.

Todellinen vallankumous – se, jonka parissa olemme Flexbrightilla painineet vuosia – tapahtuu vasta, kun elektroniikka katoaa. Kun sensorit, valonlähteet ja liitettävyys sulautuvat osaksi kangasta niin saumattomasti, ettet edes huomaa niitä ennen kuin laitat virran päälle. Me puhumme nyt Flexible Hybrid Electronics (FHE) -teknologiasta ja siitä, miten se muuttaa kaiken työvaatteista huippu-urheiluun.

Tässä ei ole kyse scifi-leffojen visioista vuodelta 2050. Teknologia on jo täällä. Haaste on ollut skaalautuvuus ja kestävyys. Mutta kun olet kerran nähnyt ohuen, taipuisan LED-kalvon integroituna suoraan laminaattiin teollisessa R2R (Roll-to-roll) -prosessissa, ymmärrät, miksi vanhat piirilevyt ovat menneisyyttä.

Miksi jäykkä elektroniikka ei kuulu vaatteisiin

Perinteinen elektroniikkateollisuus rakastaa FR4-piirilevyjä. Ne ovat halpoja, luotettavia ja… täysin sopimattomia ihmiskeholle. Ihmiskeho on pehmeä, se venyy, hikoilee ja liikkuu kolmessa ulottuvuudessa. Jos ompelet kovan piirilevyn juoksupaitaan, lopputulos on epämukava ja liitokset pettävät ensimmäisessä pesussa.

Siksi me olemme siirtyneet painettuun elektroniikkaan ja ohuisiin kalvoihin. Puhumme alle millimetrin paksuisista rakenteista. Käytännössä homma toimii näin: johtavat musteet (usein hopeapohjaiset) painetaan suoraan joustavalle substraatille, kuten TPU:lle (termoplastinen polyuretaani) tai polyimidille. Tämä mahdollistaa sen, että ”johdot” venyvät kankaan mukana.

Kun olemme integroineet Flexbrightin LED-kalvoja asiakkaiden sovelluksiin, suurin oivallus on usein se, miten vähän tilaa valaistus vie. Ei enää paksuja valokuituja tai irrallisia lamppuja. Valo tulee suoraan ”kankaasta”. Tämä on se suuri harppaus, jota ala on odottanut.

Turvallisuus: Kun heijastin ei enää riitä

Suomen pimeä syksy on armoton testi mille tahansa näkyvyystuotteelle. Perinteinen heijastinliivi on loistava keksintö, mutta sillä on yksi fataali heikkous: se toimii vain, jos siihen osuu valoa. Jos autoilija ajaa ”sokealla” kulmalla tai katuvalot ovat pimeänä, heijastin on vain harmaa pala muovia.

Aktiivinen valaistus älyvaatteissa muuttaa pelikentän täysin. Olemme nähneet valtavaa kiinnostusta raskaasta teollisuudesta ja logistiikasta.

• Työmaalla vaatteen on kestettävä, ja valon on oltava integroitu niin, ettei se takerru rakennustelineisiin. Ohut LED-kalvo voidaan laminoida suoraan takin rakenteisiin – esimerkiksi hartioihin tai selkään – ilman, että työntekijän liikkuminen vaikeutuu.
• Kuvittele rekkakuski, joka hyppää ohjaamosta pimeälle levähdysalueelle tarkistamaan perävaunua. Takin integroidut valot tekevät hänestä itsenäisen valonlähteen. Autoilija näkee hänet satojen metrien päästä, vaikkei omat ajovalot osuisikaan suoraan kohteeseen.
• Autoteollisuus on herännyt tähän myös sisätiloissa. Ei niinkään vaatteissa, vaan verhoiluissa. Samalla teknologialla, jolla teemme älyvaatteita, voimme tehdä auton kattoverhoilusta yhden suuren valoelementin.

Terveydenhuolto: Etämonitoroinnin uusi aika

Tässä mennään syvemmälle kuin pelkkä askelmittaus. Ikääntyvä väestö ja terveydenhuollon resurssipula ajavat meitä kohti etämonitorointia, ja iholle puettava elektroniikka (ns. e-skin tai smart patches) on ratkaisu.

Olen jutellut lääkäreiden kanssa, jotka ovat turhautuneita nykyisiin Holter-laitteisiin (ne laatikot, joita kannetaan sydänfilmin mittauksessa). Ne ovat kömpelöitä, johdot irtoilevat ja potilas ei voi mennä suihkuun. Painetulla elektroniikalla voimme tehdä EKG-paidan, joka näyttää ja tuntuu tavalliselta urheilualusasulta.

Mutta se ei rajoitu sydämeen. Urheilupuolella EMG (lihassähkökäyrä) on iso juttu. Huippu-urheilijat haluavat tietää, aktivoituuko pakaralihas oikeassa vaiheessa askellusta vai kompensoiko hän takareidellä. Perinteisesti tämä vaati laboratorion ja piuhahelvetin. Nyt sensorit voidaan painaa suoraan trikoisiin.

Haasteiden pyhä kolminaisuus

Kaikki kuulostaa hienolta paperilla, mutta insinöörinä tiedän, että todellisuus lyö vasten kasvoja heti kun siirrytään prototyypistä tuotantoon. Älyvaatteiden tiellä on kolme isoa mörköä, jotka olemme joutuneet ratkomaan kantapään kautta.

1. Pesukone on elektroniikan pahin vihollinen
Tämä on se testi, johon 90 % projekteista kaatuu. Vesi, lämpö, pesuaineiden kemikaalit ja linkouksen aiheuttama mekaaninen rääkki ovat tappava yhdistelmä. Emme voi odottaa kuluttajan ”irrottavan elektroniikkaa” ennen pesua. Kukaan ei jaksa sellaista. Ratkaisu on kapselointi. Kun käytämme Flexbrightin prosessissa oikeanlaisia TPU-kalvoja ja laminoimme komponentit tiiviiksi paketiksi, ne kestävät kymmeniä pesukertoja. Mutta se vaatii kemian ja fysiikan täydellistä liittoa.

2. Liitokset (The Interconnect Issue)
Miten yhdistät kovan akun pehmeään kankaaseen? Tai miten saat datan ulos paidasta puhelimeen? Bluetooth-moduuli on edelleen ”kova” komponentti. Kriittisin piste on aina se, missä joustava kohtaa jäykän. Olemme kehittäneet tähän hybridiratkaisuja, mutta se on edelleen suunnittelun herkin vaihe.

3. Virran saanti
LEDit vaativat energiaa. Sensorit vaativat energiaa. Kukaan ei halua takkia, joka painaa kilon akkujen takia. Tulevaisuus on energian keräämisessä (energy harvesting) – esimerkiksi kehon lämmöstä tai liikkeestä – mutta toistaiseksi tarvitsemme ohuita, taipuisia akkuja. Ne ovat kehittymässä, mutta hinta on vielä kova.

Rullalta rullalle (Roll-to-roll) – Ainoa tapa skaalata

Tässä tullaan meidän leipälajiimme. Jos älyvaatteita tehdään käsityönä tai arkki kerrallaan (sheet-to-sheet), ne maksavat tuhansia euroja kappale. Se ei toimi massamarkkinoilla.

R2R-valmistus on ainoa järkevä tapa tuoda älyvaatteet kaikkien saataville. Kuvittele valtava painokone, mutta paperin sijaan rullalla kulkee muovia tai tekstiiliä, ja musteen sijaan painamme sähköisiä toimintoja. Flexbrightilla olemme vieneet tämän pidemmälle: pystymme asentamaan komponentteja (kuten LED-siruja) suoraan rullalla kulkevaan materiaaliun suurella nopeudella.

Kun elektroniikkaa voidaan valmistaa metreittäin kuin tapettia, yksikkökustannus romahtaa. Tämä mahdollistaa sen, että valaiseva turvatakki ei maksa 500 euroa, vaan hinta on kilpailukykyinen tavallisen laatuvaatteen kanssa. Se demokratisoi teknologian.

Mihin olemme menossa?

Älyvaatteet ovat siirtymässä ”gadget”-vaiheesta ”näkymättömään” vaiheeseen. Isossa kuvassa tavoite on se, että teknologiaa ei enää ajatella erillisenä asiana. Kun ostat juoksukengät vuonna 2030, oletat todennäköisesti, että ne analysoivat askellustasi ja varoittavat, kun vaimennus on pettämässä.

Kyse ei ole enää siitä, voidaanko jotain tehdä. Kyse on siitä, tuottaako se aitoa arvoa. Vilkkuva paita diskossa on hauska, mutta paita, joka hälyttää apua kun muistisairas vanhus kaatuu ja jää makaamaan kylmään, on elintärkeä.

Flexbrightin näkökulmasta tulevaisuus on kirkas – sananmukaisesti. Ohuet valokalvot, läpinäkyvät johtimet ja joustavat sensorit ovat rakennuspalikat, joilla seuraavan sukupolven vaatesuunnittelijat ja insinöörit luovat tuotteita, joita emme vielä osaa edes kuvitella. Se vaatii kuitenkin materiaalitieteen, elektroniikan ja tekstiiliteollisuuden syvempää yhteistyötä. Siinä rajapinnassa me viihdymme.