Армии мира на пути внедрения формы из «умных» тканей

Революция в военных технологиях. Эти слова в первую очередь соотносят с супероружием, лазерными танками, программным обеспечением нового поколения, искусственным интеллектом. Однако в ближайшее время переворот военную промышленность ждет в сфере менее заменой, но не менее важной – в военной форме. Армии мира — на пути к внедрению совершенно новой военной формы.

Предполагается, что «умная» форма массово начнёт появляться в армиях разных стран в ближайшие 7-10 лет. Сейчас разработкой Hi-Tech-ткани и одежды на ее основе занимаются сразу несколько стран.

Условно «умные» ткани можно разделить на несколько типов:

1. Пассивные. В этом случае материал только собирает и передает информацию для последующих действий пользователю.

2. Активные. В этом случае HiTech-ткань не только принимает информацию, но и реагирует, часть данных передается персональному компьютеру, который дает сигнал на отработку функционалу согласно заданному алгоритму.

3. Интерактивные. «Умная ткань» не только собирает информацию, но и реагирует и адаптируется в соответствии с внешними изменениями. В частности, бронежилет и защитные пластины, созданные с использованием этих технологий, смогут восстанавливать свои прочностные характеристики во время боя. Или материал униформы сможет затвердевать, создавая, например, шину для сломанной конечности.

К «умной ткани» предъявляют много требований

К перспективной форме нового поколения предъявляется сразу несколько серьезных требований. Например она, с одной стороны, будет «дышащей», однако с другой — предназначена для защиты от таких опасностей, как вирусы и химическое оружие. С чем связаны такие требования?

В первую-очередь, современные костюмы биохимической защиты являются крайне неудобной формой для поля боя. Они громоздкие, герметично закрыты. Тело солдата из-за последнего фактора обильно потеет. Сопутствующее оборудование также не отличается особым удобством. Перегрев, истощение… Эффективность войск, действующих в подобном облачении, снижается за счет усталости бойцов, их отвлеченности на бытовые неудобства.

Решением этой проблемы является защитное снаряжение, которое «дышит»: оно пропускает воздух и, в особенности, позволяет отводить водяной пар. В итоге пот, основной механизм охлаждения человеческого организма, может испаряться. Тем не менее, механизм должен блокировать химические и биологические агенты. И именно здесь вступают в игру технологии т.н. «второй кожи». Но эта технология на самом деле является лишь одним из элементов более революционных изменений в современной форме. Мы говорим о ткани, основанной на углеродных нанотрубках.

Ширина — менее 5 нанометров

Углерод является одним из самых востребованных и известных «строительных материалов» в химии. В частности, органическая химия во многом основана на использовании именно этого элемента таблицы Менделеева.

Однако именно благодаря их способности выполнять функции трубопроводов, пишет Энн М. Старк из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (университет Беркли, США), исследователи разрабатывают ткани с мембранами, в состав которых входят углеродные нанотрубки.

«Нанотрубки в пять тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Они обеспечивают каналы, через которые могут проходить воздух и пары воды, но также блокируют биологические агенты.«
— рассказывает Старк: ее слова приводит news.com.ua.

Кроме того, технологические компании, специализирующиеся на аэрокосмической сфере и глобальной безопасности (к примеру, Northrop Grumman), активно финансируют исследования в этой сфере совместно с академическими и правительственными лабораториями.

Применение углеродных нанотрубок не ограничивается технологией «второй кожи»; разработчики видят их широкое применение и в других инновациях, включая гибкую электронику, производство передовых аэрокосмических компонентов, и даже потенциальное развитие космических лифтов.

Углерод давно привлекает ученых

Потенциал углерода давно привлекал ученых, первые настоящие нанотрубки им удалось получить в 1991 году. Построенные из связанных атомов углерода, при использовании соответствующих технологий, трубки могут послужить основной для материала, поры которого лишь в несколько раз больше диаметра отдельных атомов.

Даже вирусы являются слишком громоздкими, чтобы проникать сквозь такую ткань. В то же время, воздух и водяной пар проходят так свободно, что ткань «дышит» лучше, чем популярные коммерческие ткани наподобие Gore-Tex.

В тоже время химические агенты более компактны и могут проскользнуть даже через нанотрубку. Решение состоит в том, чтобы сделать нанотрубки умными, снабдив их функциональными группами молекул, которые будут действовать как привратники, чтобы блокировать угрозу. По словам руководителя команды из Ливермора Куанга Джен Ву, ткань «будет похожа на умную вторую кожу, которая реагирует на окружающую среду»: отсюда и упоминавшийся выше название.

«Таким образом, ткань сможет блокировать химические агенты, такие как иприт, нервнопаралитические газы GD и VX, такие яды, как стафилококковые энтеротоксин, и биологические споры, наподобие сибирской язвы.» — подчеркивает Джен Ву.

Подобный материал разрабатывался и Объединенным научно-техническим бюро Агентства по сокращению угроз в сфере обороны США. О возможном появлении новой умной ткани Пентагон сообщил в декабре 2016 года: информацию об этом опубликовал портал Forces Network.

Использование нанотрубок дает и иные интересные перспективы. В частности, экипировка солдата будущего предполагает, что в форму будут встроены гибкие умные элементы, диагностирующие состояние здоровье бойца в режиме реального времени. Кроме того, ученые ищут способы облегчить перспективные боевые системы, встроив их элементы в униформу. В частности, их интересует возможность избавиться от проводов и обеспечить как высокоскоростную передачу данных, так и питание электроники.

Наноуглеродные трубки как нельзя лучше подходят для разработки гибких процессоров. Однако не только на них сосредоточен интерес исследователей.

Джон Хо, доцент Института инноваций и технологий в здравоохранении Национального университета Сингапура (NUS) и NUS Engineering, рассказал изданию Futurity о том, как его команде удалось создать умную ткань, которую можно использовать в качестве проводника сигнала для нескольких носимых устройств одновременно. Статья была опубликована 29 июля этого года.

На текущий момент большинство устройств используют для беспроводной связи Bluetooth и Wi-Fi. Однако эти технологии быстро разряжают электронику, что неприемлемо для солдат, находящихся на боевой операции. В армии США подсчитали, что расходы на зарядные устройства типа батареек могут превышать расходы на боеприпасы для стрелкового оружия, поскольку на миссиях военные предпочитают заменять любые батареи на абсолютно новые.

Метаматериалы

Для создания новой Hi-Tech-ткани в Сингапуре использовали так называемые метаматериалы. Искусственно созданные и обладающие отрицательным показателем преломления, они имеют уникальные электрические, магнитные, оптические и иные свойства.

Метаматериалы способны создавать т.н. «поверхностные волны», которые могут обеспечить передачу данных с мощностью в 1000 раз меньшей, чем современные протоколы. Кроме того, передача такого сигнала менее уязвима для взлома – информация «путешествует» в 10 см от тела – в Bluetooth и Wi-Fi она может «улететь» на расстояние до нескольких десятков метров.

Созданная «умная» одежда очень прочна. Она может складываться и изгибаться с минимальными потерями в силе сигнала, а проводящие полосы могут даже разрезаться или разрываться, не ограничивая возможности беспроводной связи. Предметы одежды также можно стирать, сушить и гладить также, как обычную одежду.

Подобная интеллектуальная форма может эффективно использоваться для мониторинга работоспособности и состояния здоровья бойца, снижения уровня звука в наушниках, печати сообщений. На нее уже зарегистрирован патент, и создан образец ткани.

Самое интересное, что данная технология может быть использована вместе с уже имеющимися образцами униформы. Для кройки и шитья используется лазер. А сам проводящий материал, полоски которого крепятся изнутри на униформу посредством тканевого клея, дешев. Он стоит в пределах нескольких долларов за погонный метр и может поставляться рулонами для использования в промышленном производстве.

Упоминавшийся ранее углерод имеет еще одну известную форму: графен. Если нанотрубки имеют форму каркаса, то графен плоский. Он состоит из атомов углерода, образующих решетку. За его открытие выпускники российских вузов Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию. С помощью графена ученым из университета RMIT в Мельбурне, Австралия, удалось разработать рентабельный и масштабируемый метод для быстрого изготовления текстиля, в который встроены устройства накопления энергии.

Следующее поколение умных водонепроницаемых тканей будет напечатано лазером и изготовлено за считанные минуты. Это будущее, которое представляют исследователи, стоящие за новыми технологиями разработки электронного текстиля. Уже на опытном этапе за три минуты метод позволяет создавать образец интеллектуальной ткани размером 10×10 см. Ткань водонепроницаема, растягивается и легко интегрируется с технологиями накопления энергии.

Лазер вместо швеи

Технология позволяет с помощью лазерной печати наносить непосредственно на текстиль графеновые суперконденсаторы. Они являются мощными и долговечными аккумуляторами, которые легко комбинируются с солнечными или другими источниками энергии. В перспективе метод дает возможность быстро создавать умный текстиль в рулонах.

Доктор Литти Теккакара, исследователь из Школы Науки RMIT, особо подчеркивает то, что умный текстиль со встроенной технологией зондирования, беспроводной связи или мониторинга состояния здоровья требует мощных и надежных энергетических решений.

«Современные подходы к интеллектуальному хранению энергии в текстильной промышленности, такие как вшивание батарей в одежду или использование электронных волокон, могут быть громоздкими и тяжелыми, а также иметь проблемы с производительностью.» — прокомментировала ситуацию Теккакара журналу Science Daily в конце августа этого года.

«Эти электронные компоненты также могут быть подвержены коротким замыканиям и механическим повреждениям, когда они вступают в контакт с потом или с влагой из окружающей среды. Наш суперконденсатор на основе графена не только полностью моется, он может накапливать энергию, необходимую для питания интеллектуального предмета одежды, и его можно изготовить за считанные минуты в большом количестве.«

«Решая задачи, связанные с хранением энергии в электронном текстиле, мы надеемся создать новое поколение носимых технологий и Hi-Tech униформы.»

На данный момент с помощью исследований было доказано, что данный материал показал устойчивость к различным температурам и стирки, его свойства остаются стабильными.

Концепция публично обсуждается с начала 2000-х

Испытания «умной» формы начались достаточно давно. Концепция ее использования была опубликована в 2005 году, а в апреле 2012 года, британская компания Intelligent Textiles из Суррея продемонстрировала перспективную форму на мероприятии, организованном Центром оборонных предприятий (CDE). Фирма запатентовала ряд методик для плетения сложных токопроводящих тканей.

«Электронная ткань» может обеспечить униформу единым центральным источником питания и передачи, отказавшись от большинства громоздких кабелей и проводов.

Система позволяет переправлять данные и электроэнергию даже в том случае, если ткань повреждена – в этом ее отличие от технологий, в которых используются кабели.

«У нас есть ткань, встроенная в жилет, рубашку, шлем, рюкзак и перчатку с оружием. Это позволило создать сеть, которая передает энергию и данные туда, где нам это необходимо.» — сообщила Аша Томпсон, директор Intelligent Textiles, в интервью BBC News.

Компания получила тогда около 240 000 фунтов на дальнейшее развитие технологии. Также фирма разрабатывала тканевую клавиатуру, для использования с портативным компьютером, который планировалось интегрировать с униформой.

Мировой рынок «умных» тканей растет

В отчете Market Research Future, дающем прогноз по этому сектору рынка до 2023 отмечается, что к означенному сроку мировой рынок интеллектуальных тканей для военного применения превысит отметку в 1,7 миллиарда долларов США.

Согласно оценке аналитиков, больше всего в этом направлении работают США, однако в данный сектор немалые средства готовы вкладывать страны Азии, такие как Индия и КНР.

Россия ведет свои разработки

Россия тоже не готова оставаться в стороне. Телеканал «Звезда» сообщает об использовании интеллектуальных тканей в комплекте перспективной экипировки российского «солдата будущего» «Ратник-2». В частности, в форме используется арамидная ткань, пропитанная специальным составом от АО «Каменскволокно». Об этом в своем материале о новой экипировке рассказывал телеканал «Звезда».

«Ростех» в 2018 году представил материал-хамелеон, а в 2019 году – его доработанную версию. Эта ткань способна имитировать ландшафт – этим материалом покрыли шлем «Ратника». Для эффективной маскировки бойца или техники материалу достаточно всего несколько Ватт электроэнергии. За разработку ответственны инженеры из научно-исследовательского технологического института «Техномаш».

Для Арктики Фонд перспективных исследований (ФПИ) разработал особый материал, способный аккумулировать тепло при физических нагрузках, а затем выделять его обратно. По запасу аккумулируемой энергии эта ткань способна в 3-5 раз превзойти имеющиеся зарубежные материалы. Об этом сообщил директор фонда Андрей Григорьев в комментарии ТАСС 9 июля 2019 года. Ткань была создана при посредством технологии получения ультратонких волокон при помощи электроформования.

Кроме того, российским ученым удалось разработать умные материалы, аналогичные тем, что были описаны в начале статьи: они пропускают воздух и водяные испарения, но задерживают аэрозольные частицы. ФПИ сообщил, что работы над тканью ведутся совместно с Саратовским госуниверситетом.

/Евгений Каменецкий, topwar.ru/