Исследователи MIT создали ткань, которая может ощущать движения пользователя и реагировать на них
Производство текстиля может быть одной из старейших технологий, известных человеку, но оказалось, что адаптировать достижения информационной эпохи к нашей одежде непросто. Некоторые попытки, как Google Project Jacquard, пытающиеся перенести одежду в современную эпоху, не были особенно успешными.
Из нового типа волокна, разработанного исследователями из Массачусетского технологического института и Швеции, можно изготавливать одежду, которая определяет, насколько она растягивается или сжимается, а затем обеспечивает немедленную тактильную обратную связь в виде давления, бокового растяжения или вибрации.
Команда предполагает, что такие ткани можно использовать в одежде, которая помогает пловцам в тренировках, спортсменам в контролировании дыхания, а пациентам, выздоравливающим после болезни или операции, в восстановлении режима дыхания.
Многослойные волокна содержат в центре жидкостный канал, который может активироваться специальной жидкостной системой. Эта система контролирует геометрию волокон путем создания давления и выпуска текучей среды, такой как сжатый воздух или вода, в канал, позволяя волокну действовать как искусственная мышца. Волокна также содержат растягиваемые датчики, которые могут обнаруживать и измерять степень растяжения. Полученные композитные (многокомпонентные) волокна являются тонкими и достаточно гибкими, чтобы их можно было сшивать, ткать или вязать на стандартных коммерческих машинах.
Волокна, получившие название OmniFibers, были представлены в октябре 2021 года на онлайн-конференции Ассоциации программного обеспечения и технологий пользовательского интерфейса. Новая волоконная архитектура имеет ряд ключевых особенностей. Ее чрезвычайно узкие размеры и использование недорогого материала позволяют относительно легко структурировать волокна в различные формы ткани. Она также совместима с кожей человека, поскольку внешний слой изготовлен из материала, аналогичного обычному полиэстеру.
Быстрый отклик и разнообразие сил, которые ткань может передать, позволяют использовать систему быстрой обратной связи для обучения или удаленной связи с использованием тактильных ощущений (на основе осязания). Ученые утверждают, что недостатком большинства существующих искусственных мышечных волокон является то, что они либо термически активируются, что может вызвать перегрев при контакте с кожей человека, либо имеют низкую энергоэффективность или тяжелые тренировочные процессы. Эти системы часто имеют медленное время отклика и восстановления, что ограничивает их немедленное использование в применениях, требующих быстрой обратной связи.
В качестве первоначального тестового применения материала команда создала тип нижнего белья, который певцы могут носить для отслеживания и воспроизведения движения дыхательных мышц, чтобы впоследствии обеспечить кинестетическую обратную связь через ту же одежду для стимулирования оптимальной осанки и модели дыхания для желаемого вокального исполнения.
Научный сотрудник MIT Озгун Килич Афсар рассказала: «Пение особенно близко к дому, потому что моя мама — оперная певица. Она сопрано». В процессе разработки и изготовления этой одежды исследователи сотрудничали с оперной певицей Келси Коттон, получившей классическое образование. Они попросили певицу выступить в одежде, сделанной из их роботизированных волокон, и записали данные о движении датчиков напряжения, вплетенных в ткань. Затем они преобразовали данные в соответствующую тактильную обратную связь.
«В конце концов, мы смогли достичь как ощущений, так и способов срабатывания, которые мы хотели в текстиле, чтобы записывать и воспроизводить сложные движения, которые мы могли уловить из физиологии опытного певца, и перенести их не на певца, а в тело новичка. Таким образом, мы не просто получаем эти знания от эксперта, мы можем передать их тому, кто только учится»
Хотя это первоначальное тестирование проводится в контексте вокальной педагогики, тот же подход может быть использован, чтобы помочь спортсменам узнать, как лучше всего контролировать свое дыхание в конкретной ситуации, на основе мониторинга опытных спортсменов, выполняющих различные действия, и стимуляции групп мышц, которые «работают». В конце концов, есть надежда, что такую одежду можно будет использовать, чтобы помочь пациентам восстановить здоровое дыхание после серьезной операции или респираторного заболевания, такого как коронавирус, или даже в качестве альтернативного лечения апноэ во сне.
Афсар выполняет эту работу в рамках своей докторской диссертации в Королевском технологическом институте в Стокгольме. Она объясняет: «Физиология дыхания на самом деле довольно сложна. Мы не совсем понимаем, какие мышцы мы используем и из чего состоит физиология дыхания». Таким образом, одежда, которую они разработали, имеет отдельные модули для мониторинга различных групп мышц при вдохе и выдохе пользователя и может воспроизводить отдельные движения, чтобы стимулировать активацию каждой группы мышц.
Профессор медиаискусств и наук Хироши Исии заявил, что может предвидеть множество применений этой технологии: «Все должны дышать. Дыхание оказывает большое влияние на продуктивность, уверенность в себе и работоспособность. Дыхание важно для пения, но оно также может помочь при восстановлении после операции или депрессии. Также дыхание важно для медитации». По его словам, система может быть полезна для тренировки других видов мышечных движений, помимо дыхания.
«Многие из наших художников изучали удивительную каллиграфию, но я хочу почувствовать динамику мазка кистей, что можно было бы сделать с помощью рукава и перчатки, сделанных из этого материала с обратной связью. А олимпийские спортсмены могут отточить свои навыки, надев одежду, которая воспроизводит движения лучших спортсменов, будь то штангист или лыжник»
Мягкий волокнистый композит, который напоминает пряжу, имеет пять слоев:
- самый внутренний канал для текучей среды
- эластомерная трубка на основе силикона, содержащая рабочую жидкость
- мягкий растягиваемый датчик, который определяет деформацию как изменение электрического сопротивления
- растягиваемая внешняя сетка из плетеного полимера, которая контролирует внешние размеры волокна
- неэластичная нить, которая обеспечивает механическое ограничение на общую растяжимость
«В этом исследовании хорошо сочетается инженерия на уровне волокна и дизайн на уровне ткани. Эта работа демонстрирует различные техники машинного вязания, в том числе инкрустацию и активную спейсерную ткань, продвинутый современный уровень в способах встраивания активирующих волокон в текстиль. Интеграция датчиков деформации и обратной связи важна, когда мы говорим о взаимодействии носимых устройств с активными тканями»
Исследователи планируют продолжить работу над преобразованием своей ткани, включая ее управляющую электронику и систему подачи сжатого воздуха, чтобы она была максимально незаметной и еще более миниатюрной, а также разработать производственную систему, позволяющую производить более длинные волокна. В ближайшие месяцы планируется начало экспериментов по использованию системы для передачи навыков от эксперта начинающему певцу, а затем изучение различных видов двигательных практик, в том числе хореографов и танцоров.
