Puettava elektroniikka tekee vaatteista älykkäitä

Tulevaisuudessa vaatteet ovat enemmän kuin aatteet, niiden avulla voidaan esimerkiksi mitata kehon toimintoja, antaa komentoja älylaitteille ja vaikkapa ohjata kodinkoneita. Internet of things eli esineiden kytkentäisyys on ollut pinnalla useita vuosia, ja kärsimättömimmät kyselevät jo, milloin kaupan hyllyiltä löytyy älyvaatteita.

“Tutkimus ottaa aikansa”, akatemiatutkija Johanna Virkki muistuttaa. Hän on kehittänyt älyvaatteissa käytettävää sensoriteknologiaa Suomen Akatemian rahoituksella vuodesta 2016 lähtien ja uskoo, että jonain päivänä vaatteet voivat toimia kännykän kaltaisena käyttöliittymänä.

Tarkemmin sanottuna Virkki tutkii RFID-sensoreiden käyttämistä vaatteissa. Karkeasti jaoteltuna vaatteissa on kahdenlaisia sensoreita. Monimutkaisemmat sensorit mittaavat kehon sisäisiä tapahtumia, esimerkiksi sykettä. Yksinkertaisemmat sensorit taas mittaavat kehon ulkopuolista toimintaa, muun muassa liikettä ja asentoa.

“RFID-sensori on kehon ulkoisia asioita mittaava passiivinen sensori, eli se ei tarvitse lainkaan omaa virtalähdettä. Siinä on vain antenni ja mikrosiru, mutta se mahdollistaa paljon.”

Yksinkertaisuudessaan RFID-lukulaite lähettää vaatesensoriin signaalin, jonka sensori heijastaa sellaisenaan takaisin, mutta lisää siihen ID-tunnisteen. Tunniste kertoo muun muassa sen, onko sensori kädessä vai jalassa.

“Heijastetun signaalin vahvuus muuttuu vaatteen venymisen ja liikkeen myötä, joten sitä lukemalla saamme tarkkaa tietoa toiminnasta.” Liikkeet, kuten käden heilautukset ja jalan nostot, piirtyvät esimerkiksi RFID-lukijaan yhteydessä olevan tabletin ruudulle.

Kuva: Vasemmalla vaatteeseen kiinnitettävä tägi ja oikealla lukijalaitteen antenni testiympäristössä.

Grillityöntekijästä tutkijaksi

Virkki ei unelmoinut nuorena tutkijan urasta. “Lukion jälkeen mietin, mitä tekisin. Opiskelin hetken ammattikorkeakoulussa ja työskentelin grillillä.” Lopulta Virkki päätyi Tampereen teknillisen yliopistoon opiskelemaan elektroniikan tuotantotekniikkaa.

Tekniikka alkoikin toden teolla kiinnostaa Virkkiä ja välillä hän ihmetteli, miten kovin harvat naiset lähtivät tekemään väitöskirjaa tekniikan alalta.

“Meitä oli aluksi ohjelmassa vain kaksi naista opiskelemassa, mutta onneksi nykyään tekniikka ei ole enää vain miesten ala. Haluan ehdottomasti kannustaa nuoria naisia tekemään väitöskirjaa.”

Virkin väitöskirjan ohjaaja vaihtui kesken kaiken: “Aluksi tein väitöskirjaa elektroniikan luotettavuudesta. Uusi ohjaajani teki kuitenkin RFID-tutkimusta ja sitä kautta innostuin itsekin. Löysin vihdoin oman alani.”

Haasteena vaatteiden pesu – avuksi ompeleet

RFID-teknologia itsessään ei ole järin uutta, ja sitä käytetään esimerkiksi lähimaksussa ja kulkukorteissa. Virkin tutkimuksen haasteena on sensorien toimiva kiinnittäminen tekstiilimateriaaleihin – käytännössä niiden tekeminen pesunkestäviksi.

“Antennin ja mikrosirun välinen liitos hajoaa helposti vaatetta pestäessä, joten meidän piti paitsi kehittää kestäviä ja joustavia tapoja, myös valmistaa ja kiinnittää komponentit.”

Kokeilujen tuloksena kaksi metodia nousi ylitse muiden: ompeleminen ja 3D-tulostaminen.

“Grafeeni- ja kuparimusteesta 3D-tulostetut antennit ovat joustavia ja kestäviä, ja ne voidaan tulostaa suoraan kankaalle. Etenkin grafeeni on taipuisaa ja kiinnostaa kansainvälisesti.”

Ongelmana on materiaalin kallis hintalappu. Lisäksi kehon liike itsessään hankaloittaa antennin toimintaa ja se irtoaa helposti.

Niinpä Virkin mieleen onkin sensorin eli “tägin” liittäminen perinteisellä ompelulla. Sähköä johtavalla hopealangalla antennin ja mikrosirun liitos saadaan joustamaan sekä toimimaan: “Ratkaisuna ompeleminen on edullinen, ympäristöystävällinen ja luotettava. Itse ompelu voidaan tehdä aivan tavallisella ompelukoneella.”

Kuva: Hopealangalla ommeltuja tägejä

Kuva: Vasemmalla 3D-tulostettu antenni ja oikealla antenni ja mikrosiru yhteen ommeltuina.

Tavoitteena peli, joka toimii fysioterapian apuna

Tutkimus on kansainvälistä ja poikkitieteellistä, ja sitä tehdään yhdessä suomalaisten, japanilaisten ja kiinalaisten yhteistyökumppanien kanssa. Mukana älyvaatteiden testaamisessa ovat myös fysioterapian ammattilaiset, joille liikeratoja mittaavat vaatteet avaavat uusia ovia.

“Kehitämme fysioterapeuttien ja Satakunnan ammattikorkeakoulun kanssa yhteistyössä eräänlaista peliä, jonka avulla kehon liikkeitä voidaan seurata ja antaa palautetta siitä, tuleeko liikkeet tehtyä oikein.”

Virkki teki pitkään tutkimusta eri säätiöiltä saaduilla lyhyillä apurahapätkillä, ja lopulta viides hakemus toi Akatemialta pidemmän rahoituksen.

“On mahtavaa, että monet säätiöt Suomessa rahoittavat tiedettä ja mahdollistavat tutkimuksen tekemisen. Akatemialta saatu rahoitus tuntui lottovoitolta, sillä saatoin perustaa oman ryhmän ja keskittyä täysillä tutkimukseen.”

Tulevaisuudessa Virkki aikoo jatkaa työtään älyvaatteiden parissa. Kun valmistus ja käytäntö ovat hallussa, on aika suunnitella käyttöliittymää ja erilaisia sovelluksia puettavalle elektroniikalle.

Teksti: Juho Karjalainen

Kuvat: Tampereen teknillinen yliopisto ja Johanna Virkki