科学家开发“机器人”纤维OmniFibers 可被用来制作帮助调节呼吸的服装

据外媒报道,麻省理工学院和瑞典的研究人员开发的一种新型纤维可以被制成衣服,它可以感知衣服被拉伸或压缩的程度,然后以压力、侧向拉伸或振动的形式提供即时的触觉反馈。该团队建议,这种织物可用于帮助训练歌手或运动员更好地控制他们的呼吸,或帮助从疾病或手术中恢复的病人恢复他们的呼吸模式。

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这种多层纤维在中间含有一个流体通道,可以由一个流体系统激活。该系统通过向通道内加压和释放流体介质(如水)来控制纤维的几何形状,使纤维能够作为一种人造肌肉发挥作用。这些纤维还包含可拉伸的传感器,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薄和灵活,可以使用标准的商业机器进行缝制、编织或针织。

这种被称为OmniFibers的纤维本周将在美国计算机协会的用户界面软件和技术在线会议上发表,论文作者包括麻省理工学院的访问博士生和研究成员Ozgun Kilic Afsar、Jerome B. Wiesner媒体艺术和科学教授Hiroshi Ishii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位研究人员。

此外,这种新的纤维架构有一些关键特征。其极窄的尺寸和廉价材料的使用使其相对容易将纤维构造成各种织物形式。它还与人类皮肤相容,因为它的外层是基于一种与普通聚酯相似的材料。而且,它的快速反应时间和它所能施加的力量的强度和多样性使得它可以成为一个快速反馈系统,用于培训或使用触觉(基于触觉)的远程通信。

Afsar说,现有的大多数人造肌肉纤维的缺点是,它们要么是热激活的,在与人类皮肤接触使用时可能导致过热,要么是功率效率低或训练过程过于繁琐。她表示,这些系统通常有缓慢的反应和恢复时间,限制了它们在需要快速反馈的应用中的直接可用性。

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作为该材料的初步测试应用,该团队制作了一种内衣,歌手可以穿上它来监测和回放呼吸肌肉的运动,以后通过同一件衣服提供运动反馈,以鼓励最佳姿势和呼吸模式,达到理想的声乐表现。在这件衣服的设计和制作过程中,Afsar与一位受过古典训练的歌剧歌手Kelsey Cotton密切合作。

Afsar表示:"我真的想以一种有形的形式捕捉这种专业知识。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,并从编织在服装上的应变传感器中记录运动数据。然后,他们将传感器数据转化为相应的触觉反馈。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,记录和重放复杂的动作,我们可以从专家歌手的生理学中捕捉到这些动作,并将其移植到非歌手、新手学习者的身上。因此,我们不只是从专家那里捕捉到这些知识,而且我们能够将这些知识以触觉的方式传递给刚刚学习的人。"

Afsar称,尽管这一初步测试是在声乐教育学的背景下进行的,但同样的方法可以用来帮助运动员学习如何在特定情况下最好地控制自己的呼吸,其依据是监测有成就的运动员进行各种活动并刺激正在发挥作用的肌肉群。最终,研究人员希望这种服装也能用于帮助病人在做完大手术或患呼吸道疾病(如Covid-19)后恢复健康的呼吸模式,甚至作为睡眠呼吸暂停的替代治疗方法。

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呼吸的生理学实际上是相当复杂的,Afsar解释说,她正在进行这项工作,作为她在瑞典皇家理工学院博士论文的一部分。她说:“我们并不十分清楚我们使用哪些肌肉,以及呼吸的生理学包括什么。因此,他们设计的服装有独立的模块,在穿戴者吸气和呼气时监测不同的肌肉群,并能重放个别动作以刺激每个肌肉群的激活。”

Hiroshi Ishii说,他可以预见到这项技术的各种应用。“每个人都必须要呼吸。呼吸对生产力、信心和表现有重大影响,”他说。“呼吸对唱歌很重要,而且这对从手术或抑郁症中恢复时也有帮助。例如,呼吸对冥想是如此重要。”

他表示,该系统也可能对训练除呼吸之外的其他类型的肌肉运动有帮助。例如,"我们的许多艺术家学习了令人惊叹的书法,但我想感受一下毛笔的笔触动态,"这可能通过这种闭环反馈材料制成的袖子和手套来实现。他建议,奥林匹克运动员可以通过穿着一件再现著名运动员(无论是举重运动员还是滑雪运动员)动作的服装来磨练他们的技能。

这种类似于纱线的软纤维复合材料有五层:最里面的液体通道、用于容纳工作液体的硅基弹性管、以电阻变化的形式检测应变的软可拉伸传感器、控制纤维外部尺寸的编织聚合物可拉伸外网,以及为整体可扩展性提供机械约束的非拉伸长丝。

"在这项研究中,纤维级工程和织物级设计很好地结合在一起,"卡内基·梅隆大学人机交互助理教授姚立宁说,她没有参与这项研究。这项工作展示了 “不同的机器编织技术,包括镶嵌和主动间隔织物,推进了有关将致动纤维嵌入纺织品的方式的最先进水平,”她说。“当我们谈论与致动织物的可穿戴互动时,整合应变感应和反馈是至关重要的。”

Afsar计划继续努力使整个系统,包括其控制电子设备和压缩空气供应,更加微型化,以保持其尽可能不引人注目,并开发制造系统,以便能够生产更长的长丝。在未来几个月里,她计划开始实验使用该系统将技能从专家传授给歌手,随后探索不同类型的运动实践,包括编舞和舞者的运动。

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