Из новых волокон можно изготавливать одежду, регулирующую дыхание

Команда предполагает, что такие ткани могут быть использованы в одежде, которая поможет тренировать певцов или спортсменов лучше контролировать свое дыхание или поможет пациентам, выздоравливающим после болезни или операции, восстановить свой режим дыхания.

Новый тип волокна, разработанный исследователями из Массачусетского технологического института и в Швеции, получивший название OmniFibers, содержит канал для жидкости в центре, который может быть активирован и позволяет волокну действовать как искусственная мышца. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

Многослойные волокна содержат в центре жидкостный канал, который может активироваться жидкостной системой. Эта система контролирует геометрию волокон, создавая давление и выпуская текучую среду, такую ​​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 волокон. Полученные композитные волокна являются тонкими и достаточно гибкими, чтобы их можно было сшить, ткать или вязать на стандартных коммерческих машинах.

Волокна, получившие название OmniFibers, представлены на этой неделе на онлайн-конференции Ассоциации программного обеспечения и технологий пользовательского интерфейса для вычислительной техники в докладе Озгуна Килича Афсара, приглашенного докторанта и научного сотрудника Массачусетского технологического института; Хироши Исии, профессор медиаискусств и наук Джерома Б. Визнера; и восемь других из Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института, Уппсальского университета и Королевского технологического института KTH в Швеции.

Новая волоконная архитектура имеет ряд ключевых особенностей. Его чрезвычайно узкие размеры и использование недорогого материала позволяют относительно легко структурировать волокна в различные формы ткани. Он также совместим с кожей человека, поскольку его внешний слой основан на материале, похожем на обычный полиэстер. А его быстрое время отклика, а также сила и разнообразие сил, которые он может передать, позволяют использовать систему быстрой обратной связи для обучения или удаленной связи с использованием тактильных ощущений (на основе осязания).

Афсар говорит, 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. По ее словам, эти системы часто имеют медленное время отклика и восстановления, что ограничивает их немедленное использование в приложениях, 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, чтобы стимулировать оптимальную осанку и модели дыхания для желаемых вокальное исполнение. «Пение особенно близко к дому, потому что моя мама — оперная певица. Она сопрано », — говорит она. В процессе разработки и изготовления этой одежды Афсар тесно сотрудничала с оперной певицей Келси Коттон, получившей классическое образование.

Заголовок: Ключевыми особенностями новой волоконной архитектуры являются ее чрезвычайно узкий размер и использование недорогих материалов, которые позволяют относительно легко структурировать волокна в различные формы ткани. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

«Я действительно хотел передать этот опыт в осязаемой форме», — говорит Афсар. Исследователи попросили певца выступить в одежде, сделанной из их роботизированных волокон, и записали данные о движении с датчиков напряжения, вплетенных в одежду. Затем они преобразовали данные датчика в соответствующую тактильную обратную связь. «В конечном итоге мы смогли достичь как ощущений, так и режимов срабатывания, которые мы хотели в текстиле, для записи и воспроизведения сложных движений, которые мы могли уловить из физиологии опытного певца и перенести их на непевца, в тело новичка. Таким образом, мы не просто получаем эти знания от эксперта, мы можем тактично передать их тому, кто только учится », — говорит она.

Хотя это первоначальное тестирование проводится в контексте вокальной педагогики, тот же подход можно использовать, чтобы помочь спортсменам узнать, как лучше всего контролировать свое дыхание в данной ситуации, на основе наблюдения за опытными спортсменами, выполняющими различные действия, и стимуляции групп мышц. «которые действуют», — говорит Афсар. 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 COVID-19, или даже в качестве альтернативного лечения апноэ во сне (которым Афсар страдал в детстве, она говорит).

«Физиология дыхания на самом деле довольно сложна», — объясняет Афсар, которая выполняет эту работу в рамках своей докторской диссертации в Королевском технологическом институте KTH. «Мы не совсем понимаем, какие мышцы мы используем и из чего состоит физиология дыхания», — говорит она. Таким образом, одежда, которую они разработали, имеет отдельные модули для мониторинга различных групп мышц при вдохе и выдохе и может воспроизводить отдельные движения, чтобы стимулировать активацию каждой группы мышц.

Исии говорит, что он может предвидеть множество применений этой технологии. «Все должны дышать. «Дыхание оказывает большое влияние на продуктивность, уверенность в себе и работоспособность», — говорит он. «Дыхание важно для пения, но оно также может помочь при восстановлении после операции или депрессии. Например, дыхание так важно для медитации ».

По его словам, система также может быть полезна для тренировки других видов мышечных движений, помимо дыхания. Например, «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 с обратной связью. А олимпийские спортсмены могут отточить свои навыки, надев одежду, которая воспроизводит движения лучших спортсменов, будь то штангист или лыжник, — предполагает он.

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, чтобы стимулировать оптимальную осанку и модели дыхания для желаемых вокальное исполнение. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

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, плетеный полимер. растягиваемая внешняя сетка, которая контролирует внешние размеры волокна, и неэластичная нить, которая обеспечивает механическое ограничение на общую растяжимость.

«В этом исследовании хорошо сочетаются инженерия на уровне волокна и дизайн на уровне ткани», — говорит Лининг Яо, доцент кафедры взаимодействия человека и компьютера в Университете Карнеги-Меллона, который не участвовал в этом исследовании. Эта работа демонстрирует «различные техники машинного вязания, в том числе инкрустацию и активную спейсерную ткань, которые продвинули современный уровень в способах встраивания активирующих волокон в текстиль», — говорит она. «Интеграция датчиков деформации и обратной связи имеет важное значение, когда мы говорим о взаимодействии носимых устройств с активными тканями».

Afsar планирует продолжить работу над тем, чтобы сделать всю систему, включая ее управляющую электронику и систему подачи сжатого воздуха, еще более миниатюрной, чтобы сделать ее максимально незаметной, а также разработать производственную систему, позволяющую производить более длинные волокна. В ближайшие месяцы она планирует начать эксперименты по использованию системы для передачи навыков от эксперта начинающему певцу, а затем изучить различные виды двигательных практик, в том числе хореографов и танцоров.