Το χαμηλού κόστους FibeRobo, το οποίο είναι συμβατό με τις υπάρχουσες τεχνικές κατασκευής κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ενδύματα προσαρμοστικής απόδοσης ή συμπίεσης.
Αντί να χρειάζεστε ένα παλτό για κάθε εποχή, φανταστείτε να έχετε ένα σακάκι που θα άλλαζε δυναμικά σχήμα, ώστε να γίνεται πιο μονωτικό για να σας κρατά ζεστούς καθώς πέφτει η θερμοκρασία.
Μια προγραμματιζόμενη, ενεργοποιητική ίνα που αναπτύχθηκε από μια διεπιστημονική ομάδα ΜΕ οι ερευνητές θα μπορούσαν κάποια μέρα να κάνουν αυτό το όραμα πραγματικότητα. Γνωστός ως FibeRoboη ίνα συστέλλεται ως απόκριση σε αύξηση της θερμοκρασίας και, στη συνέχεια, αυτοαναστρέφεται όταν η θερμοκρασία μειώνεται, χωρίς ενσωματωμένους αισθητήρες ή άλλα σκληρά εξαρτήματα.
Ομαλή ενσωμάτωση στην παραγωγή κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων
Η ίνα χαμηλού κόστους είναι πλήρως συμβατή με τις τεχνικές κατασκευής κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων των αργαλειών ύφανσης, του κεντήματος και των βιομηχανικών πλεκτομηχανών, και μπορεί να παραχθεί συνεχώς ανά χιλιόμετρο. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στους σχεδιαστές να ενσωματώσουν εύκολα τις δυνατότητες ενεργοποίησης και αίσθησης σε ένα ευρύ φάσμα υφασμάτων για μυριάδες εφαρμογές.
Διαβάστε επίσης: Η επαναστατική θεραπεία με βλαστοκύτταρα προσφέρει νέα ελπίδα σε ασθενείς με καρδιακή ανεπάρκεια
Οι ίνες μπορούν επίσης να συνδυαστούν με αγώγιμο νήμα, το οποίο λειτουργεί ως θερμαντικό στοιχείο όταν το διατρέχει ηλεκτρικό ρεύμα. Με αυτόν τον τρόπο, οι ίνες ενεργοποιούνται χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια, η οποία προσφέρει στον χρήστη ψηφιακό έλεγχο της μορφής ενός υφάσματος. Για παράδειγμα, ένα ύφασμα θα μπορούσε να αλλάξει σχήμα με βάση οποιαδήποτε ψηφιακή πληροφορία, όπως μετρήσεις από έναν αισθητήρα καρδιακών παλμών.
Προσαρμοστικά κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα και διεπιστημονική έρευνα
«Χρησιμοποιούμε υφάσματα για τα πάντα. Φτιάχνουμε αεροπλάνα με σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες, καλύπτουμε το Διεθνής Διαστημικός Σταθμός με ύφασμα προστασίας από την ακτινοβολία, τα χρησιμοποιούμε για προσωπική έκφραση και φθορά απόδοσης. Τόσο μεγάλο μέρος του περιβάλλοντός μας είναι προσαρμοστικό και ανταποκρινόμενο, αλλά το μόνο πράγμα που πρέπει να είναι το πιο προσαρμοστικό και ανταποκρινόμενο – τα υφάσματα – είναι εντελώς αδρανές», λέει ο Jack Forman, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Tangible Media Group του MIT Media Lab, με ένας δευτερεύων συνεργάτης στο Center for Bits and Atoms και επικεφαλής συγγραφέας μιας εργασίας σχετικά με την ίνα ενεργοποίησης.
Μαζί του στην εργασία συμμετέχουν άλλοι 11 ερευνητές στο MIT και στο Northeastern University, συμπεριλαμβανομένων των συμβούλων του, του καθηγητή Neil Gershenfeld, ο οποίος ηγείται του Κέντρου Bits and Atoms, και του Hiroshi Ishii, του Jerome B. Wiesner, καθηγητή Τεχνών και Επιστημών των Μέσων και σκηνοθέτη. του Ομίλου Tangible Media. Η έρευνα θα παρουσιαστεί στο ACM Symposium on User Interface Software and Technology.
Μορφοποίηση Υλικών
Οι ερευνητές του MIT ήθελαν μια ίνα που θα μπορούσε να ενεργοποιηθεί αθόρυβα και να αλλάξει δραματικά το σχήμα της, ενώ θα ήταν συμβατή με τις κοινές διαδικασίες κατασκευής κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων. Για να το πετύχουν αυτό, χρησιμοποίησαν ένα υλικό γνωστό ως ελαστομερές υγρών κρυστάλλων (LCE).
Ένας υγρός κρύσταλλος είναι μια σειρά μορίων που μπορούν να ρέουν σαν υγρό, αλλά όταν αφήνονται να καθιζάνουν, στοιβάζονται σε μια περιοδική κρυσταλλική διάταξη. Οι ερευνητές ενσωματώνουν αυτές τις κρυσταλλικές δομές σε ένα ελαστομερές δίκτυο, το οποίο είναι ελαστικό σαν λάστιχο.
Καθώς το υλικό LCE θερμαίνεται, τα μόρια των κρυστάλλων πέφτουν εκτός ευθυγράμμισης και τραβούν το ελαστομερές δίκτυο μαζί, προκαλώντας τη συστολή της ίνας. Όταν αφαιρείται η θερμότητα, τα μόρια επιστρέφουν στην αρχική τους ευθυγράμμιση και το υλικό στο αρχικό του μήκος, εξηγεί ο Forman.
Με την προσεκτική ανάμειξη χημικών ουσιών για τη σύνθεση του LCE, οι ερευνητές μπορούν να ελέγξουν τις τελικές ιδιότητες της ίνας, όπως το πάχος της ή τη θερμοκρασία στην οποία ενεργοποιείται.
Τελειοποίησαν μια τεχνική προετοιμασίας που δημιουργεί ίνες LCE που μπορούν να ενεργοποιηθούν σε ασφαλείς για το δέρμα θερμοκρασίες, καθιστώντας το κατάλληλο για φορητά υφάσματα.
«Υπάρχουν πολλά πόμολα που μπορούμε να γυρίσουμε. Ήταν πολλή δουλειά για να καταλήξουμε σε αυτή τη διαδικασία από την αρχή, αλλά τελικά μας δίνει μεγάλη ελευθερία για την προκύπτουσα ίνα», προσθέτει.
Ωστόσο, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η κατασκευή ινών από ρητίνη LCE είναι μια περίπλοκη διαδικασία. Οι υπάρχουσες τεχνικές συχνά καταλήγουν σε μια λιωμένη μάζα που είναι αδύνατο να ξετυλιχθεί.
Οι ερευνητές διερευνούν επίσης άλλους τρόπους για να φτιάξουν λειτουργικές ίνες, όπως με την ενσωμάτωση εκατοντάδων ψηφιακών τσιπ μικροκλίμακας σε ένα πολυμερές, τη χρήση ενός ενεργοποιημένου συστήματος ρευστού ή τη συμπερίληψη πιεζοηλεκτρικού υλικού που μπορεί να μετατρέψει τους ηχητικούς κραδασμούς σε ηλεκτρικά σήματα.
Κατασκευή ινών
Ο Forman κατασκεύασε ένα μηχάνημα χρησιμοποιώντας εξαρτήματα τρισδιάστατα εκτυπωμένα και κομμένα με λέιζερ και βασικά ηλεκτρονικά για να ξεπεράσει τις προκλήσεις κατασκευής. Κατασκεύασε αρχικά το μηχάνημα ως μέρος του μαθήματος μεταπτυχιακού επιπέδου MAS.865 (Rapid-Prototyping of Rapid-Prototyping Machines: How to Make Something that Makes [almost] Οτιδήποτε).
Αρχικά, η παχύρρευστη και παχύρρευστη ρητίνη LCE θερμαίνεται και στη συνέχεια πιέζεται αργά μέσα από ένα ακροφύσιο όπως αυτό ενός πιστολιού κόλλας. Καθώς η ρητίνη βγαίνει, ωριμάζεται προσεκτικά χρησιμοποιώντας λάμπες UV που λάμπουν και στις δύο πλευρές της αργά εξωθούμενης ίνας.
Εάν το φως είναι πολύ αμυδρό, το υλικό θα διαχωριστεί και θα στάξει έξω από το μηχάνημα, αλλά αν είναι πολύ φωτεινό, μπορεί να σχηματιστούν συστάδες, οι οποίες δημιουργούν ανώμαλες ίνες.
Στη συνέχεια, η ίνα βυθίζεται σε λάδι για να της δώσει μια ολισθηρή επίστρωση και ωριμάζει ξανά, αυτή τη φορά με τις λυχνίες UV να ανάβουν σε πλήρη έκρηξη, δημιουργώντας μια ισχυρή και λεία ίνα. Τέλος, συλλέγεται σε ένα επάνω καρούλι και βυθίζεται σε σκόνη, ώστε να γλιστράει εύκολα σε μηχανές για την κατασκευή υφασμάτων.
Από τη χημική σύνθεση μέχρι το τελικό καρούλι, η διαδικασία διαρκεί περίπου μία ημέρα και παράγει περίπου ένα χιλιόμετρο έτοιμων προς χρήση ινών.
«Στο τέλος της ημέρας, δεν θέλεις ντίβα. Θέλετε μια ίνα που, όταν εργάζεστε με αυτήν, να εμπίπτει στο σύνολο των υλικών – μια ίνα με την οποία μπορείτε να δουλέψετε όπως κάθε άλλο υλικό ινών, αλλά στη συνέχεια έχει πολλές συναρπαστικές νέες δυνατότητες», λέει ο Forman.
Η δημιουργία μιας τέτοιας ίνας χρειάστηκε πολλές δοκιμές και λάθη, καθώς και η συνεργασία ερευνητών με εξειδίκευση σε πολλούς κλάδους, από τη χημεία έως τη μηχανολογία μέχρι την ηλεκτρονική και το σχεδιασμό.
Η προκύπτουσα ίνα, που ονομάζεται FibeRobo, μπορεί να συστέλλεται έως και 40 τοις εκατό χωρίς να λυγίζει, να ενεργοποιείται σε θερμοκρασίες που είναι ασφαλείς για το δέρμα (η ασφαλής για το δέρμα έκδοση της ίνας συστέλλεται έως περίπου 25 τοις εκατό) και να παραχθεί με ρύθμιση χαμηλού κόστους για 20 σεντ ανά μέτρο, που είναι περίπου 60 φορές φθηνότερο από τις ίνες που αλλάζουν σχήμα στο εμπόριο.
Η ίνα μπορεί να ενσωματωθεί σε βιομηχανικές ραπτομηχανές και πλεκτομηχανές, καθώς και σε μη βιομηχανικές διεργασίες όπως αργαλειούς χειρός ή χειροκίνητο κροσέ, χωρίς να χρειάζεται καμία τροποποίηση της διαδικασίας.
Εφαρμογές Κλωστοϋφαντουργίας και Μελλοντικές Κατευθύνσεις
Οι ερευνητές του MIT χρησιμοποίησαν το FibeRobo για να επιδείξουν διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένου ενός προσαρμοστικού αθλητικού σουτιέν κατασκευασμένο με κέντημα που σφίγγει όταν ο χρήστης αρχίζει να ασκείται.
Χρησιμοποίησαν επίσης μια βιομηχανική πλεκτομηχανή για να δημιουργήσουν ένα σακάκι συμπίεσης για τον σκύλο του Forman, του οποίου το όνομα είναι Professor. Το σακάκι ενεργοποιούσε και «αγκάλιαζε» τον σκύλο με βάση ένα σήμα Bluetooth από το smartphone του Forman. Τα μπουφάν συμπίεσης χρησιμοποιούνται συνήθως για να ανακουφίσουν το άγχος αποχωρισμού που μπορεί να νιώσει ένας σκύλος ενώ ο ιδιοκτήτης του λείπει.
Στο μέλλον, οι ερευνητές θέλουν να προσαρμόσουν τα χημικά συστατικά της ίνας έτσι ώστε να μπορεί να είναι ανακυκλώσιμη ή βιοαποδομήσιμη. Θέλουν επίσης να απλοποιήσουν τη διαδικασία σύνθεσης πολυμερών, έτσι ώστε οι χρήστες χωρίς τεχνογνωσία στο υγρό εργαστήριο να μπορούν να το κάνουν μόνοι τους.
Ο Forman είναι ενθουσιασμένος που βλέπει τις εφαρμογές FibeRobo που προσδιορίζουν άλλες ερευνητικές ομάδες καθώς βασίζονται σε αυτά τα πρώτα αποτελέσματα. Μακροπρόθεσμα, ελπίζει ότι το FibeRobo μπορεί να γίνει κάτι που θα μπορούσε να αγοράσει ένας κατασκευαστής σε ένα κατάστημα χειροτεχνίας, όπως μια μπάλα από νήμα, και να το χρησιμοποιήσει για να παράγει εύκολα μεταμορφωμένα υφάσματα.
«Οι ίνες LCE ζωντανεύουν όταν ενσωματώνονται σε λειτουργικά υφάσματα. Είναι ιδιαίτερα συναρπαστικό να παρατηρείς πώς οι συγγραφείς έχουν εξερευνήσει δημιουργικά σχέδια υφασμάτων χρησιμοποιώντας μια ποικιλία μοτίβων ύφανσης και πλεξίματος», λέει ο Lining Yao, αναπληρωτής καθηγητής Cooper-Siegel Αλληλεπίδρασης Ανθρώπινου Υπολογιστή στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με αυτήν την εργασία. .
Παραπομπή: “FibeRobo: Κατασκευάζοντας 4D διασυνδέσεις ινών με συνεχή σχεδίαση ελαστομερών υγρών κρυστάλλων με δυνατότητα ρύθμισης θερμοκρασίας” από τους Jack Forman, Ozgun Kilic Afsar,
Sarah Nicita, Rosalie Hsin-Ju Lin, Liu Yang, Megan Hofmann, Akshay Kothakonda, Zachary Gordon, Cedric Honnet, Kristen Dorsey, Neil Gershenfeld και Hiroshi Ishii, 29 Οκτωβρίου, UIST ’23.
DOI: 10.1145/3586183.3606732
Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από την υποτροφία William Asbjornsen Albert Memorial, το Πρόγραμμα Επισκεπτών Καθηγητών του Dr. Martin Luther King Jr., την Toppan Printing Co., την Honda Research, το Chinese Scholarship Council και τη Shima Seiki. Η ομάδα περιελάμβανε τους Ozgun Kilic Afsar, Sarah Nicita, Rosalie (Hsin-Ju) Lin, Liu Yang, Akshay Kothakonda, Zachary Gordon και Cedric Honnet στο MIT. και η Megan Hofmann και η Kristen Dorsey στο Northeastern University.
Διαβάστε επίσης:
Οι αυτόχθονες εισροές αποκάλυψαν πρώιμες ενδείξεις παραγωγής ινών στις τροπικές περιοχές
Η τεχνολογία των αόρατων φυτών των προϊστορικών Φιλιππίνων
Συγκομιδή νερού από τον αέρα της ερήμου: Επαναστατική υπεραπορροφητική υδρογέλη του MIT
