MIT研究者ら、ユーザーの動きを感知して反応する布を開発
繊維製造は人類が知る最も古い技術の一つかもしれませんが、情報化時代の成果を衣服に取り入れるのは容易ではないことが分かってきました。Google Project Jacquardのように衣服を現代に近づけようとする試みの中には、あまり成功したとは言えないものもあります。
マサチューセッツ工科大学（MIT）とスウェーデンの研究者が開発した新しいタイプの繊維を使うと、伸縮の度合いを検知し、その直後に圧力、横方向の引っ張り、振動といった触覚フィードバックを返す衣服を作ることができます。
研究チームは、この布地を水泳選手の練習を助ける衣服、アスリートの呼吸コントロールを補助する衣服、病気や手術から回復する患者が呼吸のリズムを取り戻すための衣服に使えると考えています。
この多層繊維は中心に液体の流路を持ち、専用の液体システムで制御されます。このシステムは、圧縮空気や水などの流体を流路に送り込んで圧力を加えたり放出したりすることで繊維の形状を制御し、繊維を人工筋肉のように動かします。繊維にはさらに伸縮センサーが組み込まれており、伸びの度合いを検知して測定できます。こうして得られた複合（多成分）繊維は十分に細く柔軟なため、市販の標準的な機械で縫ったり、織ったり、編んだりすることができます。
OmniFibersと名付けられたこの繊維は、2021年10月にユーザーインターフェース・ソフトウェア技術協会のオンライン会議で発表されました。新しい繊維構造にはいくつかの重要な特徴があります。極めて細く、安価な素材を使うため、さまざまな形状の布地に比較的容易に組み込むことができます。また、外層には一般的なポリエステルに似た素材を使っているため、人の肌にも適しています。
この布地は素早く反応し、さまざまな強さの力を伝えられるため、触覚（触れた感覚に基づく）を使った迅速なフィードバックシステムを、学習や遠隔コミュニケーションに利用することができます。研究者によると、既存の人工筋繊維の多くには欠点があります。熱によって作動するものは、人の肌に触れると過熱する恐れがあり、エネルギー効率が低かったり、訓練工程が複雑だったりするものもあります。こうしたシステムは反応や復元の時間が遅いことが多く、素早いフィードバックが必要な用途にすぐ使うことが難しいのです。
素材の最初の試験的な用途として、研究チームは歌手が身に着けるタイプの下着を開発しました。この下着は呼吸に使う筋肉の動きを追跡して再現し、同じ衣服を通じて運動感覚的なフィードバックを返します。これにより、望ましい歌唱のために最適な姿勢と呼吸のパターンを身につけることを促します。
MITの研究員オズグン・キリチ・アフサルさんは次のように話します。「歌は私にとって特に身近なものです。母がオペラ歌手で、ソプラノなんです」。この衣服の開発と製作では、研究者たちが古典教育を受けたオペラ歌手ケルシー・コットンさんと協力しました。研究者たちは、開発した繊維で作られた衣服を着て歌ってもらい、布に織り込まれた電圧センサーの動きのデータを記録しました。その後、そのデータを対応する触覚フィードバックに変換しました。
「最終的に、布地に求めていた感覚と作動方法を実現できました。熟練した歌手の身体から捉えた複雑な動きを記録して再現し、それを歌手本人ではなく初心者の身体に伝えることができたのです。つまり、私たちはこの知識を専門家から得るだけでなく、それを学び始めた人に直接伝えることができるのです」
今回の初期試験は声楽指導の文脈で行われていますが、同じアプローチは、アスリートが特定の状況で最適な呼吸の仕方を学ぶ助けにもなり得ます。熟練したアスリートがさまざまな動作を行う様子を観察し、「働いている」筋肉群を刺激することで実現できます。最終的には、重篤な手術や、新型コロナウイルスのような呼吸器疾患から回復する患者が健康な呼吸を取り戻す助けとなる衣服になる可能性があります。さらに、睡眠時無呼吸症候群の代替治療として使われることも期待されています。
アフサルさんは、ストックホルムの王立工科大学で博士論文の一環としてこの研究を行っています。彼女は次のように説明します。「呼吸の生理学は実はとても複雑です。どの筋肉を使っているのか、呼吸の生理学が何から成り立っているのか、まだ完全には理解できていません」。そのため、研究チームが開発した衣服には、利用者の吸気と呼気の際にそれぞれの筋肉群を監視する独立したモジュールが備わっており、各筋肉群の活動を促すために個別の動きを再現することができます。
メディア芸術・科学の教授である石井裕さんは、この技術には多くの応用の可能性があると述べています。「誰もが呼吸をします。呼吸は生産性、自信、パフォーマンスに大きく影響します。呼吸は歌にとって重要ですが、手術やうつ病からの回復にも役立ちます。また、瞑想にとっても呼吸は大切です」。石井さんによると、このシステムは呼吸以外の筋肉の動きのトレーニングにも役立つ可能性があるとのことです。
「私たちの芸術家の多くは素晴らしい書道を学んできましたが、この触覚フィードバック素材で作った袖と手袋を使えば、筆の運びのダイナミクスを感じ取ることができると思います。また、オリンピック選手は、重量挙げの選手でもスキーヤーでも、トップアスリートの動きを再現する衣服を着ることで技術を磨くことができるでしょう」
この柔らかい繊維複合体は糸に似ており、5つの層から構成されています:
- 最も内側の流体用の流路
- 作動液を含むシリコーン系のエラストマーチューブ
- 変形を電気抵抗の変化として検出する柔らかい伸縮センサー
- 繊維の外寸を制御する、伸縮可能な編組ポリマーの外側メッシュ
- 全体の伸縮性に機械的な制限を加える伸びない糸
「この研究は、繊維レベルの工学と布地レベルの設計がうまく組み合わさっています。機械編みの様々な技術、例えばインレイ編みや能動的スペーサー織りを示しており、作動する繊維を布地に組み込む方法として最先端の水準にあります。ウェアラブル機器と能動的な布地の相互作用を考えるとき、ひずみセンサーとフィードバックの統合は重要です」
研究者たちは、布地をさらに改良する作業を続ける予定です。制御用の電子回路や圧縮空気の供給システムを含めて、できるだけ目立たず、さらに小型化することを目指します。また、より長い繊維を生産できる製造システムの開発も計画しています。今後数か月のうちに、専門家から初心者の歌手へ技能を伝えるシステムの実験を開始し、その後、振付師やダンサーを含むさまざまな身体運動の練習方法の研究に進む予定です。
