باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يبتكرون نسيجاً قادراً على استشعار حركات المستخدم والاستجابة لها
قد يكون إنتاج المنسوجات من أقدم التقنيات المعروفة للإنسان، لكن تبين أن تطبيق إنجازات عصر المعلومات على ملابسنا ليس بالأمر السهل. فبعض المحاولات، مثل مشروع Google Project Jacquard الذي سعى إلى نقل الملابس إلى العصر الحديث، لم تحقق نجاحاً يُذكر.
من نوع جديد من الألياف طوره باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومن السويد، يمكن تصنيع ملابس تحدد مقدار تمددها أو انضغاطها، ثم توفر استجابة لمسية فورية في صورة ضغط أو شد جانبي أو اهتزاز.
ويرى الفريق أن هذه الأنسجة يمكن استخدامها في ملابس تساعد السباحين على التدريب، والرياضيين على التحكم في التنفس، والمرضى المتعافين من مرض أو عملية جراحية على استعادة نمط التنفس الطبيعي. يقترح
تحتوي الألياف متعددة الطبقات في مركزها على قناة سائلة يمكن تفعيلها بواسطة نظام سوائل خاص. يتحكم هذا النظام في هندسة الألياف عبر إنشاء ضغط وضخ مائع، مثل الهواء المضغوط أو الماء، داخل القناة، ما يتيح للألياف العمل كعضلة اصطناعية. وتحتوي الألياف أيضاً على مستشعرات قابلة للتمدد تستطيع رصد مقدار التمدد وقياسه. والألياف المركبة الناتجة (متعددة المكونات) رقيقة ومرنة بما يكفي لخياطتها أو نسجها أو حياكتها على الآلات التجارية القياسية.
عُرفت الألياف باسم OmniFibers، وقُدمت في أكتوبر 2021 خلال مؤتمر عبر الإنترنت نظمته جمعية البرمجيات وتقنيات واجهة المستخدم. وتتميز البنية الجديدة للألياف بعدة خصائص رئيسية. فأبعادها الدقيقة للغاية واستخدامها مادة رخيصة الثمن يتيحان تشكيل الألياف بسهولة نسبية في أشكال مختلفة من النسيج. كما أنها متوافقة مع جلد الإنسان، لأن طبقتها الخارجية مصنوعة من مادة مشابهة للبوليستر التقليدي.
تتيح سرعة الاستجابة والتنوع في القوى التي يستطيع النسيج نقلها استخدام نظام تغذية راجعة سريعة للتدريب أو للتواصل عن بُعد باستخدام الإحساس اللمسي. ويرى العلماء أن عيب معظم ألياف العضلات الاصطناعية الحالية أنها إما تُنشَّط حرارياً، ما قد يسبب ارتفاع الحرارة عند ملامسة جلد الإنسان، أو تتسم بكفاءة طاقة منخفضة أو عمليات تدريب معقدة وثقيلة. وغالباً ما تتسم هذه الأنظمة ببطء في الاستجابة والاستعادة، ما يحد من استخدامها الفوري في التطبيقات التي تتطلب تغذية راجعة سريعة.
كتطبيق اختباري أولي للمادة، طورت الفرقة نوعاً من الملابس الداخلية يمكن للمغنين ارتداؤه لتتبع حركة عضلات التنفس وإعادة إنتاجها، ثم توفير تغذية راجعة حركية عبر الملابس نفسها لتحفيز وضعية الجسم المثلى ونمط التنفس المطلوب للأداء الصوتي المنشود.
قالت الباحثة في معهد MIT أوزغون كيليتش أفسار: «الغناء قريب جداً من قلبي، لأن أمي مغنية أوبرا. فهي سوبرانو». وخلال تطوير هذه الملابس وتصنيعها، تعاون الباحثون مع مغنية الأوبرا كيلسي كوتون، وهي خريجة تعليم كلاسيكي. فطلبوا منها الأداء بملابس مصنوعة من ألياف الروبوتات التي طوروها، وسجلوا بيانات حركة مستشعرات الإجهاد المنسوجة في القماش. ثم حوّلوا تلك البيانات إلى تغذية راجعة لمسية مناسبة.
«في النهاية، تمكنا من تحقيق الإحساس وطرق التفعيل التي أردناها في النسيج، لتسجيل الحركات المعقدة التي استطعنا التقاطها من فسيولوجيا المغني المحترف وإعادة تشغيلها، ونقلها ليس إلى المغني، بل إلى جسد المبتدئ. وبهذا لا نكتفي باكتساب هذه المعرفة من الخبير، بل نستطيع نقلها إلى من يبدأ التعلم للتو»
ورغم أن هذا الاختبار الأولي يُجرى في سياق تعليم الغناء، يمكن استخدام النهج نفسه لمساعدة الرياضيين على معرفة أفضل طريقة للتحكم في تنفسهم في موقف محدد، استناداً إلى مراقبة رياضيين محترفين يؤدون أنشطة مختلفة، وتحفيز مجموعات العضلات التي «تعمل». وفي النهاية، يأمل الباحثون في أن تُستخدم هذه الملابس لمساعدة المرضى على استعادة تنفس سليم بعد عملية جراحية كبيرة أو مرض تنفسي مثل فيروس كورونا، بل وربما كعلاج بديل لانقطاع النفس أثناء النوم.
تُجري أفسار هذا العمل ضمن أطروحة الدكتوراه التي تعدها في معهد stockholm الملكي للتكنولوجيا في ستوكهولم. وتوضح قائلة: «فسيولوجيا التنفس معقدة للغاية في الواقع. نحن لا نفهم تماماً العضلات التي نستخدمها وما الذي تتكون منه فسيولوجيا التنفس». لذلك تضم الملابس التي طوروها وحدات منفصلة لمراقبة مجموعات مختلفة من العضلات أثناء شهيق المستخدم وزفيره، ويمكنها إعادة إنتاج حركات فردية لتحفيز تنشيط كل مجموعة عضلية على حدة.
وقال أستاذ الفنون الإعلامية والعلوم هيروشي إيشي إنه يتوقع عدة تطبيقات لهذه التقنية: «الجميع يجب أن يتنفس. فالتنفس يؤثر بشكل كبير في الإنتاجية والثقة بالنفس والأداء. التنفس مهم للغناء، لكنه قد يساعد أيضاً في التعافي من عملية جراحية أو من الاكتئاب. كما أن التنفس مهم للتأمل». وبحسب قوله، قد يكون النظام مفيداً في تدريب أنواع أخرى من الحركات العضلية، إلى جانب التنفس.
«لقد درس كثير من فنانينا الخط العربي المدهش، لكنني أريد أن أشعر بديناميكية ضربة الفرشاة، وهو أمر يمكن تحقيقه بكم وقفاز مصنوعين من هذه المادة ذات التغذية الراجعة. كما يستطيع الرياضيون الأولمبيون صقل مهاراتهم بارتداء ملابس تعيد إنتاج حركات أفضل الرياضيين، سواء كان رافع أثقال أو متزلجاً على الثلج»
يتكون المركب الليفي الناعم، الذي يشبه الغزل، من خمس طبقات:
- القناة الداخلية الأعمق للسائل
- أنبوب مرن من مادة إيلاستومرية قائمة على السيليكون، يحتوي على السائل العامل
- مستشعر ناعم قابل للتمدد يحدد التشوه بوصفه تغيراً في المقاومة الكهربائية
- شبكة خارجية قابلة للتمدد من بوليمر مضفور، تتحكم في الأبعاد الخارجية للليف
- خيط غير مرن يوفر قيداً ميكانيكياً على إجمالي قابلية التمدد
«تجمع هذه الدراسة بين هندسة مستوى الليف وتصميم مستوى النسيج بشكل جيد. ويعرض العمل تقنيات مختلفة للحياكة الآلية، من بينها التطعيم والنسيج الفراغي النشط، وهي تمثل أحدث ما توصل إليه المجال في طرق إدماج الألياف المنشطة في المنسوجات. ويعد دمج مستشعرات التشوه والتغذية الراجعة أمراً مهماً عندما نتحدث عن تفاعل الأجهزة القابلة للارتداء مع الأنسجة النشطة»
يخطط الباحثون لمواصلة العمل على تطوير نسيجهم، بما في ذلك إلكترونيات التحكم ونظام توفير الهواء المضغوط، بحيث يكون أقل ظهوراً وأصغر حجماً قدر الإمكان، إضافة إلى تطوير نظام إنتاج يتيح تصنيع ألياف أطول. وفي الأشهر المقبلة من المقرر بدء تجارب لاستخدام النظام في نقل المهارات من الخبير إلى المغني المبتدئ، ثم دراسة أنواع مختلفة من الممارسات الحركية، بما في ذلك مصممو الرقصات والراقصون.
