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      可感受呼吸的新型纖維開發成功

      來源:NTMT紡織新材料 | 作者:NTMT紡織新材料 | 時間:2021-11-02 09:27:40 | 訂閱《東方紡織》周刊

      纖維是構建世界的基本元素之一,也是人類重要的發明之一。根據中國考古發現,人類從5000多年前就開始使用纖維材料,它們被編成紡織品,為人類遮身蔽體、保暖抗寒。近年來,隨著信息技術和人工智能的飛速發展,纖維材料更是具備了發電、儲能、發光、變色、變形、傳感等一系列全新功能。

      與塊狀和薄膜器件相比,纖維狀電子器件可以緊粘在不規則基底上、可適應扭曲和拉伸等復雜形變,同時具有透氣導濕等獨特性能。這些優點使得纖維電子器件,在電源系統、信息技術、物聯網、人工智能、大健康、空間探測等領域有著廣泛的應用空間。

      麻省理工學院和瑞典的研究人員開發的一種新型纖維可以制成衣服,它可以感知它被拉伸或壓縮的程度,然后以壓力、橫向拉伸或振動的形式提供即時的觸覺反饋。該團隊建議,此類面料可用于幫助訓練歌手或運動員更好地控制呼吸的服裝,或幫助患者從疾病或手術中恢復以恢復呼吸模式。

      多層纖維在中心包含一個流體通道,可以通過流體系統激活。該系統通過將流體介質(例如壓縮空氣或水)加壓并釋放到通道中來控制纖維的幾何形狀,從而使纖維充當人造肌肉。纖維還包含可拉伸傳感器,可以檢測和測量纖維的拉伸程度。由此產生的復合纖維足夠細且柔韌,可以使用標準商用機器進行縫紉、機織或針織。

      這種被稱為OmniFibers的纖維在計算機協會用戶界面軟件和技術在線會議上發表。

      新的光纖架構具有許多關鍵特性。其極窄的尺寸和廉價材料的使用使得將纖維構造成各種織物形式變得相對容易。它還與人體皮膚相容,因為它的外層是基于類似于普通聚酯的材料。而且,它的快速響應時間以及它可以傳遞的力量的強度和多樣性允許使用觸覺(基于觸覺)進行訓練或遠程通信的快速反饋系統。

      Afsar說,大多數現有人造肌肉纖維的缺點是它們要么是熱激活的,當與人體皮膚接觸時會導致過熱,要么它們的功率效率低或訓練過程繁重。她說,這些系統通常具有緩慢的響應和恢復時間,限制了它們在需要快速反饋的應用程序中的直接可用性。

      作為該材料的初始測試應用,該團隊制作了一種歌手可以穿著的內衣來監測和回放呼吸肌的運動,然后通過同一件衣服提供動覺反饋,以鼓勵最佳姿勢和呼吸模式以達到所需聲樂表演。“唱歌離家特別近,因為我媽媽是一名歌劇演員。她是一名女高音,”她說。在這件衣服的設計和制作過程中,Afsar與受過古典訓練的歌劇歌手Kelsey Cotton密切合作。

      “我真的很想以有形的形式捕捉這種專業知識,”Afsar 說。研究人員讓這位歌手在穿著由他們的機器人纖維制成的服裝時進行表演,并記錄來自編織在服裝中的應變傳感器的運動數據。然后,他們將傳感器數據轉換為相應的觸覺反饋。“我們最終能夠在紡織品中實現我們想要的傳感和驅動模式,記錄和重放我們可以從專業歌手的生理學中捕捉到的復雜運動,并將其轉換為非歌手,一個新手學習者的身體。因此,我們不僅僅是從專家那里獲取這些知識,而且我們還能夠將其傳遞給剛剛學習的人,”她說。

      雖然這個初步測試是在聲樂教育的背景下進行的,但同樣的方法可以用來幫助運動員學習如何在給定情況下最好地控制他們的呼吸,基于監測完成各種活動和刺激肌肉群的運動員Afsar 說,這些都在起作用。最終,希望這些服裝也可以用于幫助患者在大手術或 Covid-19 等呼吸道疾病后恢復健康的呼吸模式,甚至作為睡眠呼吸暫停的替代療法(Afsar 小時候患有這種疾病,她說)。

      該系統還可用于訓練除呼吸之外的其他類型的肌肉運動。例如,“我們的許多藝術家學習了驚人的書法,但我想感受筆觸的動態”,這可能是用這種閉環反饋材料制成的袖子和手套來完成的。他建議,奧林匹克運動員可以通過穿著模仿頂級運動員(無論是舉重運動員還是滑雪運動員)動作的服裝來提高他們的技能。

      這種類似于紗線的軟纖維復合材料有五層:最里面的流體通道、包含工作流體的基于硅樹脂的彈性管、可檢測應變為電阻變化的柔軟可拉伸傳感器、編織聚合物控制纖維外部尺寸的可拉伸外網,以及對整體可延展性提供機械約束的非拉伸長絲。

      “纖維級工程和織物級設計在這項研究中得到了很好的結合,”卡內基梅隆大學人機交互助理教授李寧說,他與這項研究沒有關系。她說,這項工作展示了“不同的機器針織技術,包括鑲嵌和主動間隔織物,推進了將驅動纖維嵌入紡織品的最先進技術”。“當我們談論可穿戴設備與驅動織物的交互時,集成應變傳感和反饋是必不可少的。”

      Afsar計劃繼續致力于使整個系統(包括其控制電子設備和壓縮空氣供應)更加小型化以使其盡可能不引人注目,并開發制造系統以能夠生產更長的長絲。在接下來的幾個月里,她計劃開始嘗試使用該系統將技能從專家轉移到新手歌手,然后探索不同類型的動作練習,包括編舞和舞者的動作。

      值得一提的是,該纖維制成的衣物反應靈敏,還能夠承受多種力量強度形成一個快速反饋系統,未來,其或還可用于培訓或使用基于觸覺的遠程通信。

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      責任編輯:任萍

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