Eine neue Art von Fasern, die von Forschern am MIT und in Schweden entwickelt wurde, kann zu Kleidungsstücken verarbeitet werden, die spüren, wie stark sie gedehnt oder gestaucht werden, und dann ein unmittelbares taktiles Feedback in Form von Druck, seitlicher Dehnung oder Vibration geben. Das Team schlägt vor, solche Stoffe in Kleidungsstücken zu verwenden, die Sängern oder Sportlern helfen, ihre Atmung besser zu kontrollieren, oder die Patienten, die sich von einer Krankheit oder einer Operation erholen, bei der Wiederherstellung ihrer Atemmuster unterstützen.
Die mehrschichtigen Fasern, die so genannten OmniFibers, enthalten in der Mitte einen Flüssigkeitskanal, der durch ein Fluidiksystem aktiviert werden kann. Dieses System steuert die Geometrie der Fasern, indem es ein flüssiges Medium, z. B. Druckluft oder Wasser, unter Druck setzt und in den Kanal abgibt, so dass die Faser wie ein künstlicher Muskel wirken kann. Die Fasern enthalten auch dehnbare Sensoren, die den Grad der Dehnung der Fasern erkennen und messen können. Die resultierenden Verbundfasern sind dünn und flexibel genug, um mit handelsüblichen Maschinen genäht, gewebt oder gestrickt zu werden.
Die neue Faserarchitektur zeichnet sich durch eine Reihe von Schlüsseleigenschaften aus. Die extrem schmale Größe und die Verwendung von preiswertem Material machen es relativ einfach, die Fasern in eine Vielzahl von Stoffformen zu strukturieren. Außerdem ist sie mit der menschlichen Haut kompatibel, da ihre äußere Schicht aus einem Material besteht, das dem üblichen Polyester ähnelt. Und die schnelle Reaktionszeit sowie die Stärke und Vielfalt der Kräfte, die es übertragen kann, ermöglichen ein schnelles Feedbacksystem für das Training oder die Fernkommunikation mit Hilfe von Haptik (basierend auf dem Tastsinn).
Afsar (Gastdoktorand und Forschungsmitarbeiter am MIT) sagt, dass die meisten existierenden künstlichen Muskelfasern entweder thermisch aktiviert werden, was zu Überhitzung führen kann, wenn sie in Kontakt mit der menschlichen Haut verwendet werden, oder sie haben eine niedrige Leistungseffizienz oder mühsame Trainingsverfahren. Diese Systeme haben oft langsame Reaktions- und Erholungszeiten, was ihre unmittelbare Verwendbarkeit bei Anwendungen, die eine schnelle Rückmeldung erfordern, einschränkt, sagt sie.
Als erste Testanwendung des Materials stellte das Team eine Art Unterwäsche her, die Sängerinnen und Sänger tragen können, um die Bewegung der Atemmuskulatur zu überwachen und wiederzugeben, um später über dasselbe Kleidungsstück ein kinästhetisches Feedback zu geben, das eine optimale Haltung und Atemmuster für die gewünschte Gesangsleistung fördert. Die Forscher ließen die Sängerin in dem Kleidungsstück aus ihren Roboterfasern singen und zeichneten die Bewegungsdaten der in das Kleidungsstück eingewebten Dehnungssensoren auf. Anschließend übersetzten sie die Sensordaten in ein entsprechendes taktiles Feedback.
So konnten wir die komplexen Bewegungen aufzeichnen und wiedergeben, die wir von der Physiologie eines erfahrenen Sängers erfassen und auf den Körper eines Nicht-Sängers, eines Anfängers, übertragen konnten. Wir erfassen also nicht nur das Wissen eines Experten, sondern können es auch haptisch auf jemanden übertragen, der gerade lernt", sagt sie. Obwohl diese ersten Tests im Rahmen der Gesangspädagogik durchgeführt wurden, könnte derselbe Ansatz auch verwendet werden, um Sportlern zu helfen, zu lernen, wie sie ihre Atmung in einer bestimmten Situation am besten kontrollieren können, und zwar auf der Grundlage der Beobachtung erfahrener Sportler bei der Ausübung verschiedener Aktivitäten und der Stimulierung der aktiven Muskelgruppen, so Afsar.
Die Physiologie der Atmung ist eigentlich recht komplex, erklärt Afsar, die diese Arbeit im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Königlichen Technischen Hochschule KTH durchführt. "Wir wissen nicht genau, welche Muskeln wir benutzen und woraus die Physiologie der Atmung besteht", sagt sie. Die Kleidungsstücke, die sie entworfen haben, verfügen daher über separate Module, die die verschiedenen Muskelgruppen beim Ein- und Ausatmen des Trägers überwachen und die einzelnen Bewegungen wiedergeben können, um die Aktivierung der einzelnen Muskelgruppen zu stimulieren.
Der weiche Faserverbundstoff, der einem Garnstrang ähnelt, besteht aus fünf Schichten: dem innersten Flüssigkeitskanal, einem elastomeren Schlauch auf Silikonbasis, der die Arbeitsflüssigkeit enthält, einem weichen, dehnbaren Sensor, der die Dehnung als Änderung des elektrischen Widerstands erkennt, einem geflochtenen, dehnbaren Polymer-Außengewebe, das die äußeren Abmessungen der Faser steuert, und einem nicht dehnbaren Faden, der eine mechanische Beschränkung der Gesamtdehnbarkeit darstellt.
Die Technik auf Faserebene und das Design auf Gewebeebene sind in dieser Studie sehr gut integriert", sagt Lining Yao, Assistenzprofessorin für Mensch-Computer-Interaktion an der Carnegie Mellon University, die nicht an dieser Forschung beteiligt war. Diese Arbeit zeigt, dass "verschiedene maschinelle Stricktechniken, einschließlich Inlay und aktives Abstandsgewirke, den Stand der Technik in Bezug auf die Einbettung aktiver Fasern in Textilien weiterentwickelt haben", sagt sie. "Die Integration von Dehnungsmessern und Rückkopplungen sind von entscheidender Bedeutung, wenn wir über tragbare Interaktionen mit aktiven Stoffen sprechen.
Letztendlich besteht die Hoffnung, dass solche Kleidungsstücke auch eingesetzt werden könnten, um Patienten nach größeren Operationen oder Atemwegserkrankungen wie Covid-19 wieder zu gesunden Atemmustern zu verhelfen, oder sogar als alternative Behandlung für Schlafapnoe (unter der Afsar als Kind litt, wie sie sagt).
Ishii (der Jerome B. Wiesner Professor für Medienkunst und -wissenschaften) sagt, er könne sich eine Vielzahl von Anwendungen für diese Technologie vorstellen. "Jeder muss atmen. Die Atmung hat einen großen Einfluss auf Produktivität, Selbstvertrauen und Leistung", sagt er. "Die Atmung ist wichtig für das Singen, aber sie kann auch helfen, wenn man sich von einer Operation oder einer Depression erholt. Die Atmung ist zum Beispiel sehr wichtig für die Meditation".
Das System könnte auch für das Training anderer Muskelbewegungen als der Atmung nützlich sein, sagt er. Viele unserer Künstler haben zum Beispiel Kalligrafie studiert, aber ich möchte die Dynamik des Pinselstrichs spüren", was mit einem Ärmel und einem Handschuh aus diesem Material mit geschlossenem Regelkreis erreicht werden könnte. Und olympische Athleten könnten ihre Fähigkeiten verbessern, indem sie ein Kleidungsstück tragen, das die Bewegungen eines Spitzensportlers, sei es ein Gewichtheber oder ein Skifahrer, reproduziert, schlägt er vor.
Weitere Informationen finden Sie unter:
https://www.media.mit.edu/articles/new-fibers-can-make-breath-regulating-garments/ [This is automatically translated from English