„Striukė, kuri „lieknėja“ prakaituojant“: bakterinė celiuliozė išmokė drabužius savarankiškai reguliuoti šilumą

„Science Advances“ aprašė „išmanųjį“ šiltą audinį, kurio užpildas pagamintas iš natūralios bakterinės celiuliozės, reaguojančios į prakaitavimą: kai aplink kūną drėgna, medžiaga automatiškai suplonėja, o kai išdžiūsta, vėl įgauna „pūkumo“ ir išlaiko šilumą. Prototipe storis pasikeitė nuo maždaug 13 mm (sauso audinio) iki 2 mm (drėgno), o bendra idėja – pailginti šiluminio komforto laiką be elektronikos ir baterijų.

Fonas

Ką jau bandėte anksčiau:

1. Mikrokapsulėse esančios fazių kaitos medžiagos (PCM) lydymosi metu „praryja“ šilumą ir ją išskiria kristalizacijos metu, tačiau veikia siaurame temperatūros lange ir blogai reaguoja į realų prakaitavimą.
2. Spinduliuojantys audiniai, pagaminti iš nanoporinio polietileno (nanoPE), praleidžia kūno šiluminę IR spinduliuotę, užtikrindami pasyvų „spinduliuojantį vėsinimą“, tačiau tai iš esmės yra pašalinimo kanalas, o ne „izoliacijos savireguliacija“ prakaitavimo metu.
3. Drėgmės pavaros / higromorfiniai audiniai keičia formą / poras didėjant drėgmei, taip išplėsdami „komforto zoną“ be laidų – ši kryptis sparčiai bręsta.

• Problema, kurią išsprendžia „išmanieji“ audiniai. Drabužių šiluminis komfortas sumažėja, kai aktyvumas greitai keičiasi: perkaista ir prakaituojama pastangų metu, sustojus atsiranda hipotermija dėl drėgno sluoksnio. Todėl pastaraisiais metais sparčiai vystosi adaptyvūs šiluminiai/drėgmės tekstilės gaminiai, kurie reguliuoja šilumos mainus be baterijų ir sudėtingos elektronikos. Apžvalgose pabrėžiamas pagrindinis vektorius – dinaminis šilumos ir drėgmės valdymas pluošto/audinio sluoksnio lygmenyje.
• Kodėl drėgmė/prakaitas yra geriausias perkaitimo „sukėlėjas“. Prakaitas yra pagrindinis greitas perkaitimo požymis: kai tik padidėja vietinė drėgmė, sistema turi sumažinti šiluminę varžą (mažiau „pūsčių“/oro kamerų) ir padidinti garavimą; kai išdžiūsta, grąžinkite izoliaciją. Todėl kilo idėja naudoti medžiagas, kurios automatiškai reaguoja į drėgmę, o ne į išorinę temperatūrą. Tai taupo energiją ir padeda išvengti didelių gabaritų elektronikos prietaisų.
• Kas yra bakterinė celiuliozė ir kodėl ji perspektyvi? BC yra biopolimeras, kurį „augina“ acto rūgšties bakterijos ( „Komagataeibacter “): jis sudaro nanofibrilinį tinklą, pasižymintį didele vandens talpa, stiprumu, pralaidumu orui ir biologiniu suderinamumu. Tekstilės / medžiagų moksle BC vertinama dėl jautrumo drėgmei ir tvarios gamybos iš atsinaujinančių žaliavų.
• Mokslinė spraga, kurią užpildo naujas straipsnis. Dauguma pasyviųjų sprendimų arba pašalina šilumą (spinduliuojanti), arba ją buferuoja (PCM), silpnai manydami, kad pati drėgmė turėtų „perjungti“ izoliaciją. Žurnale „Science Advances“ paskelbtame darbe BC sluoksnis naudojamas kaip šiltų drabužių „širdis“, kuri plonėja nuo prakaito (mažiau oro → mažiau izoliacijos) ir išdžiūvus vėl išsitiesina – tai yra, ji sukuria savaime reguliuojančią šilumos izoliaciją, pagrįstą kūno drėgme.
• Lauko kontekstas: kur tai tinka? Tendencija yra pasyvios, bio- ir polimerinės sistemos, kurios išplečia „komforto langą“ be vartotojo energijos. Šalia jų yra: naujos kartos higromorfiniai pavaros (pastebimai išplečiančios komforto zoną) ir celiuliozės / biologinės kilmės spindulinis vėsinimas – BC puikiai dera prie šios „žaliosios“ asmeninio šilumos valdymo šakos.
• Praktinė reikšmė pramonei: jei drėgmės kontroliuojamas BC izoliacijos „purumas“ bus patvirtintas atliekant dėvėjimo bandymus (plovimas, dėvėjimasis, kvapai, reakcijos slenksčio reguliavimas), gamintojai turės keičiamo dydžio, biologinės kilmės užpildą žiemos / aktyviems sluoksniams – mažiau perkais judant ir mažiau drebės ramybės būsenoje. Tai papildo, o ne konkuruoja su spinduliavimo ir PCM sprendimais: juos galima derinti daugiasluoksnėse sistemose.

Kaip tai veikia

• Bakterinės celiuliozės (BC) užpildas yra natūralus nanofibrilų „tinklas“, kurį gamina nekenksmingos bakterijos (visiems pažįstamos iš arbatgrybio/kombučios). Ši membrana yra lengva, patvari, laidi orui ir hidrofilinė – ji puikiai „jaučia“ drėgmę.
• Prasidėjus prakaitavimui, padidėja vietinė drėgmė po drabužiais, skaidulinis sluoksnis praranda „pūslumą“ ir išsilygina – mažiau oro viduje → mažiau izoliacijos → kūnui lengviau prarasti šilumos perteklių. Kai tik išdžiūstate, struktūra vėl išsitiesina ir grąžina aukštą šilumos izoliacijos lygį dėl oro tarp skaidulų. Tai paprastas pasyvus mechanizmas, veikiantis drėgmę, o ne elektroniką.

Ką autoriai parodė

• Prisitaikymas prie prakaito ir drėgmės. Sausomis sąlygomis medžiaga išlaiko maksimalų ~13 mm storį, o esant didelei drėgmei (imituojant prakaitavimą) ji suplonėja iki ~2 mm. Dėl tokio „kintamo storio“ prototipas žymiai pailgina šiluminio komforto laiką, palyginti su įprastu šiltu audiniu, ypač keičiant „poilsio → apkrovos“ režimą.
• Šis principas yra keičiamo dydžio. Autoriai pabrėžia, kad „užpildas“ gali būti įsiūtas į įvairių tipų drabužius – nuo pamušalų iki izoliacinių sluoksnių – ir pritaikytas prie klimato / apkrovos.

Kodėl tai apskritai būtina?

Klasikiniai šilti drabužiai yra kompromisas: kuo šiltesnis sluoksnis, tuo didesnė „perkaitimo ir prakaitavimo“, o vėliau – peršalimo dėl šlapio apatinio trikotažo „mini pirties“ rizika. Tekstilė, kuri prakaituojant silpnina izoliaciją ir, išdžiūvusi, ją grąžina, padeda išlaikyti „auksinį viduriuką“ be nereikalingų užtrauktukų, vožtuvų ir baterijų. Drėgmė vaidina pagrindinį vaidmenį žmogaus šilumos valdyme (šiluma nunešama garuojant), todėl „išmanieji“ audiniai vis dažniau mokosi reaguoti konkrečiai į drėgmę/oro drėgmę.

Kuo tai skiriasi nuo kitų išmaniųjų audinių?

• Jokios elektronikos. Kitaip nei aktyviose sistemose (termoelementuose / minkštojoje robotikoje), čia vyrauja gryna medžiagos fizika: šlapia → plonesnė, sausa → storesnė. Tai paprasčiau, pigiau ir potencialiai patvariau.
• Ne „vožtuvai“, o „putlumas“. Anksčiau buvo siūlomi audiniai su drėgmės vožtuvais/poromis arba su akordeono storiu ant polimerinių įdėklų. Dabar „akordeono“ vaidmenį perima natūrali bakceliuliozė, jau žinoma medicininiuose tvarsčiuose ir „žaliuosiuose“ tekstilės gaminiuose.
• Ekologinis potencialas. Bakterinė celiuliozė yra biologiškai suderinama ir biologiškai skaidoma, gali būti auginama be medvilnės ir aliejaus, o jos gamyba atitinka dabartinę tvarių medžiagų tendenciją.

Kur tai gali būti naudinga

• Žiema mieste ir „biuras-gatvė-metro“. Veiklos ir klimato pokyčiai mažiau „įmeta“ kūną į karštį/šaltį – komfortas „užsitęsia“ ilgiau.
• Kalnų / bėgimo veikla. Kopiant / bėgiojant audinys vėdina, o sustojus poilsiui vėl izoliuoja.
• Lauko ir gamybos sąlygos. Kuo mažiau judančių dalių ir elektronikos, tuo patikimesnis. (Pliusas – lengvas ir „kvėpuojantis“ liemenės svoris.)

Apribojimai

Tai vis dar mokslinė plėtra ir prototipas; jį vis dar reikia išbandyti kasdieniam dėvėjimui:

• Patvarumas ir skalbimas (keli drėkinimo ir džiovinimo ciklai, „visą gyvenimą trunkantis sausas valymas“),
• Odos komfortas ir kvapai ilgą laiką dėvint,
• Atsako „slenksčių“ nustatymas skirtingiems klimato / prakaitavimo profiliams,
• Bakceliuliozės auginimo iki audinio ritinių kaina ir mastelio keitimas. Palyginimui: „termoreguliuojančių“ audinių sritis aktyviai auga, tačiau tik dalis idėjų pasiekia masinę rinką.

Išvada

„Drabužiai, prisitaikantys prie prakaito“ yra logiškas dešimtmetį trukusių drėgmei ir temperatūrai jautrių tekstilės gaminių paieškų tęsinys. Naujame žurnale „Science Advances“ paskelbtame straipsnyje natūrali bakterinė celiuliozė į šią sritį įtraukiama kaip adaptyviosios izoliacijos „širdis“ ir parodoma didelė storio pokyčio amplitudė (13 → 2 mm) kartu su padidėjusiu šiluminio komforto laiku – be laidų ir jutiklių.

Šaltinis: Prakaitui jautrūs adaptyvūs šilti drabužiai, „Science Advances“ (AAAS), 2025. DOI: 10.1126/sciadv.adu3472