Les chercheurs du MIT ont créé un tissu capable de percevoir les mouvements de l'utilisateur et d'y réagir
La production textile est peut-être l'une des technologies les plus anciennes connues de l'humanité, mais il s'avère difficile d'adapter les acquis de l'ère de l'information à nos vêtements. Certaines tentatives, comme Google Project Jacquard, qui cherchaient à faire entrer les vêtements dans l'ère moderne, n'ont pas vraiment réussi.
Avec un nouveau type de fibre mis au point par des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology et de Suède, il est possible de fabriquer des vêtements qui détectent leur degré d'étirement ou de compression, puis fournissent un retour tactile immédiat sous forme de pression, d'étirement latéral ou de vibration.
L'équipe suppose que ces tissus pourraient être utilisés dans des vêtements qui aident les nageurs à s'entraîner, les sportifs à contrôler leur respiration et les patients en convalescence après une maladie ou une opération à retrouver un rythme respiratoire normal.
Ces fibres multicouches comportent en leur centre un canal fluidique, activable par un système hydraulique spécial. Ce système contrôle la géométrie des fibres en créant une pression et en injectant dans le canal un fluide, tel que de l'air comprimé ou de l'eau, ce qui permet à la fibre de fonctionner comme un muscle artificiel. Les fibres intègrent aussi des capteurs extensibles capables de détecter et de mesurer le degré d'étirement. Les fibres composites obtenues sont suffisamment fines et souples pour être cousues, tissées ou tricotées sur des machines commerciales standard.
Ces fibres, baptisées OmniFibers, ont été présentées en octobre 2021 lors d'une conférence en ligne de l'Association for Computing Machinery consacrée aux logiciels et aux technologies d'interface utilisateur. Cette nouvelle architecture de fibre présente plusieurs caractéristiques clés. Ses dimensions extrêmement réduites et l'usage d'un matériau bon marché permettent de structurer relativement facilement les fibres en différentes formes de tissu. Elle est aussi compatible avec la peau humaine, car la couche externe est fabriquée à partir d'un matériau proche du polyester ordinaire.
La rapidité de réaction et la diversité des forces que le tissu peut transmettre permettent d'utiliser ce système de retour rapide pour l'apprentissage ou la communication à distance par le toucher (fondée sur le sens tactile). Les scientifiques estiment que le défaut de la plupart des fibres musculaires artificielles existantes est soit qu'elles sont activées thermiquement, ce qui peut provoquer une surchauffe au contact de la peau humaine, soit qu'elles présentent un faible rendement énergétique ou des procédés d'entraînement lourds. Ces systèmes ont souvent des temps de réponse et de récupération lents, ce qui limite leur usage immédiat dans les applications nécessitant un retour rapide.
Comme première application test du matériau, l'équipe a créé un type de sous-vêtement que les chanteurs peuvent porter pour suivre et reproduire le mouvement des muscles respiratoires, afin de fournir ensuite un retour kinesthésique via le même vêtement, pour favoriser une posture optimale et un schéma respiratoire adapté à la performance vocale recherchée.
La chercheuse postdoctorale du MIT Ozgun Kiliç Afsar raconte : « Le chant me touche de près, car ma mère est cantatrice. Elle est soprano. » Lors de la conception et de la fabrication de ce vêtement, les chercheurs ont collaboré avec la cantatrice Kelsey Cotton, formée au chant classique. Ils lui ont demandé de se produire dans un vêtement fabriqué à partir de leurs fibres robotisées, et ont enregistré les données de mouvement des capteurs de tension tissés dans le tissu. Ils ont ensuite converti ces données en un retour tactile correspondant.
« En fin de compte, nous sommes parvenus à obtenir à la fois les sensations et les modes de déclenchement que nous souhaitions dans le textile, afin d'enregistrer et de reproduire des mouvements complexes captés à partir de la physiologie d'un chanteur expérimenté, et de les transférer non pas au chanteur, mais au corps d'un débutant. Ainsi, nous ne faisons pas que recueillir ce savoir auprès d'un expert, nous pouvons le transmettre à celui qui apprend »
Bien que ces premiers tests soient menés dans le cadre de la pédagogie du chant, la même approche pourrait aider les sportifs à apprendre comment contrôler au mieux leur respiration dans une situation donnée, à partir de l'observation de sportifs expérimentés effectuant différentes actions et de la stimulation des groupes musculaires qui « travaillent ». À terme, on espère que ce type de vêtement pourra aider les patients à retrouver une respiration saine après une opération lourde ou une maladie respiratoire, comme le coronavirus, ou même servir de traitement alternatif de l'apnée du sommeil.
Afsar mène ce travail dans le cadre de sa thèse de doctorat à l'Institut royal de technologie de Stockholm. Elle explique : « La physiologie de la respiration est en réalité assez complexe. Nous ne comprenons pas tout à fait quels muscles nous utilisons ni de quoi se compose la physiologie respiratoire. » Ainsi, le vêtement qu'ils ont conçu comporte des modules distincts pour surveiller les différents groupes musculaires pendant l'inspiration et l'expiration de l'utilisateur, et peut reproduire des mouvements précis pour stimuler l'activation de chaque groupe musculaire.
Le professeur d'arts et de sciences des médias Hiroshi Ishii affirme pouvoir anticiper de nombreuses applications de cette technologie : « Tout le monde doit respirer. La respiration a une grande influence sur la productivité, la confiance en soi et la capacité de travail. La respiration est importante pour le chant, mais elle peut aussi aider à la récupération après une opération ou une dépression. La respiration est également essentielle à la méditation. » Selon lui, ce système pourrait aussi servir à entraîner d'autres mouvements musculaires que ceux de la respiration.
« Beaucoup de nos artistes ont étudié la calligraphie, un art remarquable, mais je voudrais ressentir la dynamique du geste du pinceau, ce qui pourrait être fait avec une manche et un gant fabriqués à partir de ce matériau à retour tactile. Et les athlètes olympiques pourraient perfectionner leurs compétences en enfilant un vêtement qui reproduit les mouvements des meilleurs sportifs, qu'il s'agisse d'un haltérophile ou d'un skieur »
Ce composite souple, qui ressemble à un fil, comporte cinq couches :
- le canal interne pour le fluide
- un tube élastomère en silicone contenant le liquide de travail
- un capteur souple et extensible qui détecte la déformation sous forme de variation de résistance électrique
- une gaine externe extensible en polymère tressé, qui contrôle les dimensions extérieures de la fibre
- un fil non élastique qui limite mécaniquement l'extensibilité globale
« Cette étude associe avec justesse l'ingénierie au niveau de la fibre et la conception au niveau du tissu. Ce travail démontre diverses techniques de tricotage mécanique, notamment l'incrustation et le tissu espaceur actif, qui représentent une avancée de pointe dans les méthodes d'intégration de fibres actives dans les textiles. L'intégration de capteurs de déformation et de retour est essentielle lorsqu'on parle d'interaction entre appareils portables et tissus actifs »
Les chercheurs prévoient de poursuivre le développement de leur tissu, notamment son électronique de commande et son système d'alimentation en air comprimé, afin qu'il soit le plus discret possible et encore plus miniaturisé, ainsi que de concevoir un système de production permettant de fabriquer des fibres plus longues. Dans les prochains mois, des expériences sont prévues pour transmettre des compétences d'un expert à un jeune chanteur, puis pour étudier différents types de pratiques motrices, y compris celles des chorégraphes et des danseurs.
