比翱工程实验室丨材料科学与纺织的融合带来了新的创新

纤维级工程和织物级设计在这项研究中很好地结合在一起:“机器人”纺织品可以帮助表演者和运动员训练他们的呼吸，并有可能帮助患者从术后呼吸变化中恢复过来。

麻省理工学院和瑞典的研究人员开发了一种新型纤维，这种纤维可以制成衣服，感知它被拉伸或压缩的程度，然后以压力、横向拉伸或振动的形式提供即时的触觉反馈。研究小组建议，这种织物可用于服装，帮助训练歌手或运动员更好地控制呼吸，或帮助从疾病和手术中康复的患者恢复呼吸模式。多层纤维在中心包含一个流体通道，可以通过流体系统激活。该系统通过将流体介质（例如压缩空气或水）加压并释放到通道中来控制纤维的几何形状，从而使纤维充当人造肌肉。纤维还包含可拉伸传感器，可以检测和测量纤维的拉伸程度。由此产生的复合纤维足够细且柔韧，可以使用标准商用机器进行缝纫、机织或针织。这种被称为OmniFibers的纤维将在本周计算机协会用户界面软件和技术在线会议上发表，论文由麻省理工学院访问博士生Ozgun Kilic Afsar撰写；Hiroshi Ishii，媒体艺术与科学Jerome B. Wiesner教授；以及来自麻省理工学院媒体实验室、乌普萨拉大学和瑞典KTH皇家理工学院的其他八人。新的纤维架构具有许多关键特性。其极窄的尺寸和廉价材料的使用使得将纤维构造成各种织物形式变得相对容易。它还与人体皮肤相容，因为它的外层是基于类似于普通聚酯的材料。而且，它的快速响应时间以及它可以传递的力量的强度和多样性允许使用触觉（基于触觉）进行训练或远程通信的快速反馈系统。 
Afsar表示，大多数现有人造肌肉纤维的缺点是它们要么是热激活的，当与人体皮肤接触时会导致过热，要么它们的功率效率低或训练过程繁重。她说，这些系统通常具有缓慢的响应和恢复时间，限制了它们在需要快速反馈的应用程序中的直接可用性。作为该材料的初步测试应用，研究小组制作了一种内衣，歌手可以穿着它来监测和回放呼吸肌肉的运动，随后通过同一件衣服提供动觉反馈，以鼓励最佳姿势和呼吸模式，从而达到预期的发声效果。她说：“唱歌离家特别近，因为我妈妈是一名歌剧演员。她是一名女高音。”。在这件服装的设计和制作过程中，Afsar与一位受过古典训练的歌剧演员Kelsey Cotton密切合作。“我真的很想以有形的形式捕捉这种专业知识，”Afsar说。研究人员让这位歌手在穿着由他们的机器人纤维制成的服装时进行表演，并记录来自编织在服装中的应变传感器的运动数据。然后，他们将传感器数据转换为相应的触觉反馈。“我们最终能够在纺织品中实现我们想要的传感和驱动模式，记录和重放我们可以从专业歌手的生理学中捕捉到的复杂运动，并将其转换为非歌手，一个新手学习者的身体。因此，我们不仅仅是从专家那里获取这些知识，而且我们还能够将其传递给刚刚学习的人，”她说。Afsar说，尽管这项初步测试是在声乐教育的背景下进行的，但同样的方法也可以用于帮助运动员在特定情况下学习如何最好地控制呼吸，其基础是在运动员完成各种运动时对他们进行监测，并刺激正在活动的肌肉群。最终，人们希望这些衣服也能用于帮助患者在大手术或新冠肺炎等呼吸道疾病后恢复健康的呼吸模式，甚至可以作为睡眠呼吸暂停的替代疗法（Afsar说，她小时候就患有睡眠呼吸暂停）。“呼吸的生理学实际上相当复杂，”Afsar解释说，她正在KTH皇家理工学院完成这项工作，作为她的博士论文的一部分。她说：“我们不太清楚我们使用哪种肌肉以及呼吸的生理组成。”。因此，他们设计的服装有单独的模块，在穿着者吸气和呼气时监控不同的肌肉群，并可以回放单个动作以刺激每个肌肉群的激活。Ishii说，他可以预见这项技术的各种应用。“每个人都必须呼吸。呼吸对生产力、信心和表现有着重大影响，”他说。呼吸对唱歌很重要，但这也有助于从手术或抑郁症中恢复。例如，呼吸对冥想非常重要。他说，该系统还可以用于训练呼吸以外的其他类型的肌肉运动。例如，“我们的许多艺术家都学习了令人惊叹的书法，但我想感受画笔笔触的动态”，这可以通过这种闭环反馈材料制成的袖子和手套来实现。他建议，奥运会运动员可以通过穿着模仿顶级运动员（无论是举重运动员还是滑雪者）动作的服装来提高自己的技能。类似于一股纱线的软纤维复合材料有五层：最里面的流体通道、容纳工作流体的硅基弹性管、检测阻性变化的软拉伸传感器、控制纤维外部尺寸的编织聚合物可拉伸外网，以及对整体延展性提供机械约束的非拉伸长丝。“纤维级工程和织物级设计在这项研究中很好地结合在一起，”卡内基梅隆大学人机交互副教授姚琳说。她说，这项工作展示了“不同的机器编织技术，包括镶嵌和活性间隔织物，提高了将驱动纤维嵌入纺织品的方法的先进性。”。“当我们谈论与驱动织物的可穿戴交互时，整合应变传感和反馈是至关重要的。”Afsar计划继续致力于使整个系统（包括其控制电子设备和压缩空气供应）更加小型化，以使其尽可能不引人注目，并开发能够生产更长丝的制造系统。在接下来的几个月里，她计划开始实验使用该系统将技能从专家传授给新手歌手，然后探索不同类型的动作练习，包括编舞和舞蹈演员的动作练习。   

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