Дослідники MIT створили тканину, яка може відчувати рухи користувача і реагувати на них
Виробництво текстилю може бути однією з найстаріших технологій, відомих людині, але виявилося, що адаптувати досягнення інформаційної епохи до нашого одягу непросто. Деякі спроби, як Google Project Jacquard, що намагалися перенести одяг у сучасну епоху, не були особливо успішними.
З нового типу волокна, розробленого дослідниками з Массачусетського технологічного інституту та Швеції, можна виготовляти одяг, який визначає, наскільки він розтягується або стискається, а потім забезпечує негайний тактильний зворотний зв'язок у вигляді тиску, бічного розтягування або вібрації.
Команда припускає, що такі тканини можна використовувати в одязі, який допомагає плавцям у тренуваннях, спортсменам у контролі дихання, а пацієнтам, які одужують після хвороби або операції, у відновленні режиму дихання.
Багатошарові волокна містять у центрі рідинний канал, який може активуватися спеціальною рідинною системою. Ця система контролює геометрію волокон шляхом створення тиску та випуску текучого середовища, такого як стиснене повітря або вода, у канал, що дозволяє волокну діяти як штучний м'яз. Волокна також містять розтяжні датчики, які можуть виявляти і вимірювати ступінь розтягнення. Отримані композитні (багатокомпонентні) волокна є тонкими і достатньо гнучкими, щоб їх можна було зшивати, ткати або в'язати на стандартних комерційних машинах.
Волокна, що отримали назву OmniFibers, були представлені в жовтні 2021 року на онлайн-конференції Асоціації програмного забезпечення і технологій користувацького інтерфейсу. Нова волоконна архітектура має низку ключових особливостей. Її надзвичайно вузькі розміри і використання недорогого матеріалу дозволяють відносно легко структурувати волокна у різні форми тканини. Вона також сумісна зі шкірою людини, оскільки зовнішній шар виготовлений з матеріалу, подібного до звичайного поліестеру.
Швидкий відгук і різноманітність сил, які тканина може передати, дозволяють використовувати систему швидкого зворотного зв'язку для навчання або віддаленого зв'язку з використанням тактильних відчуттів (на основі дотику). Учені стверджують, що недоліком більшості існуючих штучних м'язових волокон є те, що вони або термічно активуються, що може спричинити перегрів при контакті зі шкірою людини, або мають низьку енергоефективність чи важкі тренувальні процеси. Ці системи часто мають повільний час відгуку і відновлення, що обмежує їх негайне використання в застосуваннях, які потребують швидкого зворотного зв'язку.
Як первинне тестове застосування матеріалу, команда створила тип спідньої білизни, яку співаки можуть носити для відстеження і відтворення руху дихальних м'язів, щоб згодом забезпечити кінестетичний зворотний зв'язок через той самий одяг для стимулювання оптимальної постави та моделі дихання для бажаного вокального виконання.
Науковець MIT Озгун Кілич Афсар розповіла: «Спів особливо близький до дому, бо моя мама — оперна співачка. Вона сопрано». У процесі розробки та виготовлення цього одягу дослідники співпрацювали з оперною співачкою Келсі Коттон, яка отримала класичну освіту. Вони попросили співачку виступити в одязі, зробленому з їхніх роботизованих волокон, і записали дані про рух датчиків напруги, вплетених у тканину. Потім вони перетворили дані на відповідний тактильний зворотний зв'язок.
«Зрештою, ми змогли досягти як відчуттів, так і способів спрацювання, яких хотіли в текстилі, щоб записувати і відтворювати складні рухи, які ми могли вловити з фізіології досвідченого співака, і перенести їх не на співака, а в тіло новачка. Таким чином, ми не просто отримуємо ці знання від експерта, ми можемо передати їх тому, хто тільки вчиться»
Хоча це первинне тестування проводиться в контексті вокальної педагогіки, той самий підхід можна використати, щоб допомогти спортсменам дізнатися, як найкраще контролювати своє дихання в конкретній ситуації, на основі моніторингу досвідчених спортсменів, які виконують різні дії, і стимуляції груп м'язів, які «працюють». Зрештою, є надія, що такий одяг можна буде використовувати, щоб допомогти пацієнтам відновити здорове дихання після серйозної операції або респіраторного захворювання, такого як коронавірус, або навіть як альтернативне лікування апное уві сні.
Афсар виконує цю роботу в рамках своєї докторської дисертації в Королівському технологічному інституті в Стокгольмі. Вона пояснює: «Фізіологія дихання насправді досить складна. Ми не повністю розуміємо, які м'язи ми використовуємо і з чого складається фізіологія дихання». Таким чином, одяг, який вони розробили, має окремі модулі для моніторингу різних груп м'язів під час вдиху і видиху користувача та може відтворювати окремі рухи, щоб стимулювати активацію кожної групи м'язів.
Професор медіамистецтва і наук Хіроші Ісіі заявив, що може передбачити безліч застосувань цієї технології: «Всі мають дихати. Дихання має великий вплив на продуктивність, впевненість у собі і працездатність. Дихання важливе для співу, але воно також може допомогти під час відновлення після операції або депресії. Також дихання важливе для медитації». За його словами, система може бути корисною для тренування інших видів м'язових рухів, окрім дихання.
«Багато наших художників вивчали дивовижну каліграфію, але я хочу відчути динаміку мазка пензлів, що можна було б зробити за допомогою рукава і рукавички, зроблених з цього матеріалу зі зворотним зв'язком. А олімпійські спортсмени можуть відточити свої навички, одягнувши одяг, який відтворює рухи найкращих спортсменів, будь то штангіст чи лижник»
М'який волокнистий композит, який нагадує пряжу, має п'ять шарів:
- найвнутрішній канал для текучого середовища
- еластомерна трубка на основі силікону, що містить робочу рідину
- м'який розтяжний датчик, який визначає деформацію як зміну електричного опору
- розтяжна зовнішня сітка з плетеного полімеру, яка контролює зовнішні розміри волокна
- нееластична нитка, яка забезпечує механічне обмеження загальної розтяжності
«У цьому дослідженні добре поєднується інженерія на рівні волокна і дизайн на рівні тканини. Ця робота демонструє різні техніки машинного в'язання, зокрема інкрустацію та активну спейсерну тканину, передовий сучасний рівень у способах вбудовування активних волокон у текстиль. Інтеграція датчиків деформації та зворотного зв'язку важлива, коли ми говоримо про взаємодію носимих пристроїв з активними тканинами»
Дослідники планують продовжити роботу над удосконаленням своєї тканини, включно з її керуючою електронікою і системою подачі стисненого повітря, щоб вона була максимально непомітною і ще мініатюрнішою, а також розробити виробничу систему, що дозволяє виготовляти довші волокна. Найближчими місяцями планується початок експериментів із використання системи для передачі навичок від експерта початківцю-співаку, а потім вивчення різних видів рухових практик, зокрема хореографів і танцюристів.
