Un nouveau type de fibre mis au point par des chercheurs du MIT et de Suède peut être transformé en vêtements qui détectent l'ampleur de l'étirement ou de la compression, puis fournissent un retour tactile immédiat sous forme de pression, d'étirement latéral ou de vibration. Selon l'équipe, de tels tissus pourraient être utilisés dans des vêtements permettant d'entraîner les chanteurs ou les athlètes à mieux contrôler leur respiration, ou d'aider les patients en convalescence après une maladie ou une opération à retrouver leur rythme respiratoire.
Les fibres multicouches, appelées OmniFibers, contiennent un canal de fluide au centre, qui peut être activé par un système fluidique. Ce système contrôle la géométrie des fibres en pressurisant et en libérant un milieu fluide, tel que de l'air comprimé ou de l'eau, dans le canal, permettant à la fibre d'agir comme un muscle artificiel. Les fibres contiennent également des capteurs étirables qui peuvent détecter et mesurer le degré d'étirement des fibres. Les fibres composites obtenues sont suffisamment fines et flexibles pour être cousues, tissées ou tricotées à l'aide de machines commerciales standard.
La nouvelle architecture de fibres présente un certain nombre de caractéristiques essentielles. Sa taille extrêmement réduite et l'utilisation d'un matériau peu coûteux rendent relativement facile la structuration des fibres en une variété de formes de tissus. Elle est également compatible avec la peau humaine puisque sa couche extérieure est basée sur un matériau similaire au polyester courant. Enfin, son temps de réponse rapide ainsi que la force et la variété des forces qu'il peut transmettre permettent de créer un système de retour d'information rapide pour la formation ou les communications à distance utilisant l'haptique (basée sur le sens du toucher).
Selon M. Afsar (doctorant invité et chercheur affilié au MIT), la plupart des fibres musculaires artificielles existantes présentent les inconvénients suivants : soit elles sont activées thermiquement, ce qui peut entraîner une surchauffe lorsqu'elles sont utilisées au contact de la peau humaine, soit elles ont un faible rendement énergétique ou des processus d'entraînement ardus. Ces systèmes ont souvent des temps de réponse et de récupération lents, ce qui limite leur utilisation immédiate dans les applications qui nécessitent un retour d'information rapide, dit-elle.
Dans le cadre d'une première application test du matériau, l'équipe a fabriqué un type de sous-vêtement que les chanteurs peuvent porter pour surveiller et reproduire le mouvement des muscles respiratoires, afin de fournir ultérieurement un retour kinesthésique par le biais du même vêtement pour encourager une posture et une respiration optimales pour la performance vocale souhaitée. Les chercheurs ont demandé à la chanteuse de se produire tout en portant le vêtement fabriqué à partir de leurs fibres robotiques, et ont enregistré les données de mouvement à partir des capteurs de tension tissés dans le vêtement. Ils ont ensuite traduit les données des capteurs en un retour tactile correspondant.
Nous avons finalement réussi à obtenir à la fois la détection et les modes d'actionnement que nous souhaitions dans le textile, pour enregistrer et reproduire les mouvements complexes que nous pouvions capturer à partir de la physiologie d'un chanteur expert et les transposer sur le corps d'un non-chanteur, d'un apprenant novice. Ainsi, nous ne nous contentons pas de capturer les connaissances d'un expert, mais nous sommes capables de les transférer de manière haptique à quelqu'un qui ne fait qu'apprendre", explique-t-elle. Bien que ces premiers essais s'inscrivent dans le contexte de la pédagogie vocale, la même approche pourrait être utilisée pour aider les athlètes à apprendre à mieux contrôler leur respiration dans une situation donnée, en surveillant les athlètes accomplis pendant qu'ils effectuent diverses activités et en stimulant les groupes musculaires en action, explique Mme Afsar.
La physiologie de la respiration est en fait assez complexe, explique Mme Afsar, qui réalise ces travaux dans le cadre de sa thèse de doctorat au KTH Royal Institute of Technology. "Nous ne savons pas vraiment quels muscles nous utilisons et en quoi consiste la physiologie de la respiration", explique-t-elle. Les vêtements qu'elles ont conçus sont donc dotés de modules distincts pour surveiller les différents groupes de muscles lorsque le porteur inspire et expire, et peuvent rejouer les mouvements individuels pour stimuler l'activation de chaque groupe de muscles.
Le composite de fibres souples, qui ressemble à un fil, comporte cinq couches : le canal de fluide le plus interne, un tube élastomère à base de silicone pour contenir le fluide de travail, un capteur extensible souple qui détecte la déformation sous la forme d'une variation de la résistance électrique, une maille extérieure extensible en polymère tressé qui contrôle les dimensions extérieures de la fibre, et un filament non extensible qui fournit une contrainte mécanique sur l'extensibilité globale.
L'ingénierie au niveau de la fibre et la conception au niveau du tissu sont bien intégrées dans cette étude", explique Lining Yao, professeur adjoint en interaction homme-machine à l'université Carnegie Mellon, qui n'a pas été associé à cette recherche. Ces travaux démontrent que "différentes techniques de tricotage mécanique, notamment l'incrustation et le tissu d'espacement actif, ont fait progresser l'état de l'art en ce qui concerne les moyens d'intégrer des fibres d'actionnement dans les textiles", ajoute-t-elle. "L'intégration de la détection des contraintes et des réactions est essentielle lorsque nous parlons d'interactions portables avec des tissus actifs.
À terme, l'espoir est que ces vêtements puissent également être utilisés pour aider les patients à retrouver un rythme respiratoire sain après une intervention chirurgicale majeure ou une maladie respiratoire telle que le Covid-19, ou même comme traitement alternatif de l'apnée du sommeil (dont Afsar a souffert dans son enfance, dit-elle).
M. Ishii (professeur d'arts et de sciences des médias Jerome B. Wiesner) dit qu'il peut prévoir une variété d'applications pour cette technologie. "Tout le monde doit respirer. La respiration a un impact majeur sur la productivité, la confiance et les performances", explique-t-il. "La respiration est importante pour le chant, mais cela peut aussi aider à se remettre d'une opération ou d'une dépression. Par exemple, la respiration est très importante pour la méditation."
Le système pourrait également être utile pour entraîner d'autres types de mouvements musculaires que la respiration, dit-il. Par exemple, "beaucoup de nos artistes ont étudié la calligraphie, mais je veux ressentir la dynamique du coup de pinceau", ce qui pourrait être accompli avec une manche et un gant fabriqués dans ce matériau à rétroaction en boucle fermée. Et les athlètes olympiques pourraient affiner leurs compétences en portant un vêtement qui reproduit les mouvements d'un athlète de haut niveau, qu'il s'agisse d'un haltérophile ou d'un skieur, suggère-t-il.
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