Umesto da vam je potreban kaput za svako godišnje doba, zamislite da imate jaknu koja bi dinamički menjala oblik kako bi postala izolovanija da bi vas zagrejala kako temperatura pada.
Programabilno, aktivirajuće vlakno koje je razvio interdisciplinarni tim istraživača MIT-a moglo bi jednog dana ovu viziju pretvoriti u stvarnost. Poznato kao FibeRobo, vlakno se skuplja kao odgovor na povećanje temperature, a zatim se samoobrće kada se temperatura smanji, bez ikakvih ugrađenih senzora ili drugih tvrdih komponenti.
Jeftino vlakno je u potpunosti kompatibilno sa tehnikama proizvodnje tekstila, uključujući razboje za tkanje, vez i industrijske mašine za pletenje, i može se proizvoditi kontinuirano na kilometar. Ovo bi moglo omogućiti dizajnerima da lako ugrade mogućnosti aktiviranja i senzora u širok spektar tkanina za bezbroj aplikacija, kao što su programabilni kompresijski odevni predmeti koji bi mogli da pomognu u oporavku nakon operacije.
Vlakna se takođe mogu kombinovati sa provodljivom niti, koja deluje kao grejni element kada električna struja prolazi kroz njega. Na ovaj način, vlakna se aktiviraju pomoću električne energije, što korisniku nudi digitalnu kontrolu nad oblikom tekstila. Na primer, tkanina može promeniti oblik na osnovu bilo koje digitalne informacije, kao što su očitavanja sa senzora otkucaja srca.
„Koristimo tekstil za sve. Pravimo avione sa kompozitima ojačanim vlaknima, pokrivamo Međunarodnu svemirsku stanicu tkaninom koja štiti od zračenja, koristimo ih za lično izražavanje i nošenje. Toliko naše okruženje je prilagodljivo i prilagodljivo, ali jedina stvar koja treba da bude najprilagodljivija i prilagodljiva – tekstil – je potpuno inertna“, kaže Džek Forman, diplomirani student u Grupi za materijalne medije i Centru za bitove i atome u MIT Media Lab-u, i glavni autor papir na pokretačkom vlaknu.
Njemu se u radu pridružuje još 11 istraživača sa MIT-a i Univerziteta Northeastern, uključujući njegove savetnike, profesora Nila Geršenfelda, koji vodi Centar za bitove i atome, i Hirošija Išiija, profesora medijske umetnosti i nauke Jerome B. Viesnera i direktora Grupe za materijalne medije. Istraživanje će biti predstavljeno na ACM simpozijumu o softveru i tehnologiji korisničkog interfejsa koji je održan od 29. oktobra do novembra. 1. Zasluge: Massachusetts Institute of Technologi
Trenutna vlakna koja menjaju oblik imaju zamke koje su u velikoj meri sprečile da se ugrade u tekstil izvan laboratorijskih postavki.
Jedno vlakno, poznato kao legura koja menja oblik, skuplja se samo za oko 5%, ne preokreće se i često prestaje da radi nakon nekoliko pokreta. Drugi, nazvan McKibben aktuator, ima pneumatski pogon i zahteva vazdušni kompresor da bi se aktivirao.
Istraživači sa MIT-a želeli su vlakno koje bi moglo da se aktivira tiho i dramatično promeni svoj oblik, dok je kompatibilno sa uobičajenim postupcima proizvodnje tekstila. Da bi to postigli, koristili su materijal poznat kao tečni kristalni elastomer (LCE).
Tečni kristal je niz molekula koji mogu da teku kao tečnost, ali kada im se dozvoli da se slegnu, oni se slažu u periodični kristalni raspored. Istraživači ugrađuju ove kristalne strukture u elastomernu mrežu, koja je rastezljiva poput gumene trake.
Kako se LCE materijal zagreva, molekuli kristala ispadaju iz poravnanja i povlače elastomernu mrežu zajedno, uzrokujući da se vlakno skuplja. Kada se toplota ukloni, molekuli se vraćaju u prvobitno poravnanje, a materijal na svoju prvobitnu dužinu, objašnjava Forman.
Pažljivim mešanjem hemikalija da bi se sintetizovao LCE, istraživači mogu da kontrolišu konačna svojstva vlakna, kao što su njegova debljina ili temperatura na kojoj se aktivira.
Usavršili su tehniku pripreme koja stvara LCE vlakna koja se mogu aktivirati na temperaturama bezbednim za kožu, što ga čini pogodnim za nosive tkanine. Istraživači nisu uspeli da to postignu sa drugim LCE vlaknima, kaže Forman.
„Postoji mnogo dugmadi koje možemo da okrenemo. Bilo je mnogo posla da se ovaj proces osmisli od nule, ali nam na kraju daje mnogo slobode za rezultujuća vlakna“, dodaje on.
Međutim, istraživači su otkrili da je pravljenje vlakana od LCE smole izbirljiv proces. Postojeće tehnike često rezultiraju spojenom masom koju je nemoguće odmotati.
Istraživači takođe istražuju druge načine za pravljenje funkcionalnih vlakana, kao što je ugrađivanje stotina digitalnih čipova u mikrorazmeru u polimer, korišćenje aktiviranog fluidnog sistema ili uključivanje piezoelektričnog materijala koji može da pretvara zvučne vibracije u električne signale.
Forman je napravio mašinu koristeći 3D štampane i laserski isečene delove i osnovnu elektroniku kako bi prevazišao izazove proizvodnje. U početku je napravio mašinu kao deo kursa na diplomskom nivou MAS.865 (Rapid-Prototiping of Rapid-Prototiping Machines: Hov to Make Something that Makes [gotovo] Anithing).
Za početak, gusta i viskozna LCE smola se zagreva, a zatim polako istiskuje kroz mlaznicu kao u pištolju za lepljenje. Kako smola izlazi, pažljivo se očvršćava korišćenjem UV svetla koje sijaju sa obe strane vlakna koje se polako ekstrudira.
Ako je svetlo suviše slabo, materijal će se odvojiti i iscuriti iz mašine, ali ako je previše svetao, mogu se formirati grudvice, što daje kvrgava vlakna.
Zatim se vlakno potapa u ulje da bi se dobilo klizav premaz i ponovo osuši, ovog puta uz UV svetla koja su pojačana do punog intenziteta, stvarajući snažno i glatko vlakno. Na kraju se skuplja u gornji kalem i umoči u prah tako da lako klizi u mašine za proizvodnju tekstila.
Od hemijske sinteze do gotovog kalema, proces traje oko jedan dan i proizvodi približno kilometar vlakana spremnog za upotrebu.
„Na kraju krajeva, ne želite diva vlakno. Želite vlakno koje, kada radite sa njim, spada u ansambl materijala—ono sa kojim možete da radite kao i sa svakim drugim materijalom od vlakana, ali onda ima mnogo uzbudljivih novih mogućnosti“, kaže Forman.
Stvaranje takvog vlakna zahtevalo je mnogo pokušaja i grešaka, kao i saradnju istraživača sa ekspertizom u mnogim disciplinama, od hemije preko mašinstva, preko elektronike do dizajna.
Dobijeno vlakno, nazvano FibeRobo, može da se skupi do 40% bez savijanja, da se aktivira na temperaturama koje su bezbedne za kožu i da se proizvedu sa niskom cenom za 20 centi po metru, što je oko 60 puta jeftinije od komercijalno dostupnog menjača oblika. vlakna.
Vlakna se mogu ugraditi u industrijske mašine za šivenje i pletenje, kao iu neindustrijske procese kao što su ručni razboji ili ručno heklanje, bez potrebe za bilo kakvim modifikacijama procesa.
Istraživači sa MIT-a su koristili FibeRobo da demonstriraju nekoliko aplikacija, uključujući prilagodljivi sportski grudnjak napravljen vezom koji se zateže kada korisnik počne da vežba.
Takođe su koristili industrijsku mašinu za pletenje da naprave kompresijsku jaknu za Formanovog psa, koji se zove Profesor. Jakna bi aktivirala i „zagrlila“ psa na osnovu Bluetooth signala sa Formanovog pametnog telefona. Kompresijske jakne se obično koriste za ublažavanje anksioznosti odvajanja koju pas može da oseti dok je njegov vlasnik odsutan.
U budućnosti, istraživači žele da prilagode hemijske komponente vlakana kako bi se moglo reciklirati ili biorazgradivo. Oni takođe žele da pojednostave proces sinteze polimera kako bi korisnici bez stručnosti u vlažnoj laboratoriji mogli da ga urade sami.
Forman je uzbuđen što vidi FibeRobo aplikacije koje identifikuju druge istraživačke grupe dok se nadograđuju na ove rane rezultate. Na duge staze, on se nada da FibeRobo može postati nešto što bi proizvođač mogao kupiti u zanatskoj radnji, baš kao klupko prediva, i koristiti za lako proizvodnju morfing tkanina.
„LCE vlakna oživljavaju kada se integrišu u funkcionalne tekstile. Posebno je fascinantno posmatrati kako su autori istraživali kreativne dizajne tekstila koristeći različite obrasce tkanja i pletenja“, kaže Lining Iao, Cooper-Siegel vanredni profesor za interakciju sa ljudskim računarima na Univerzitetu Karnegi Melon, koji nije bio uključen u ovaj rad.
