Un nouveau type de fibre développé par des chercheurs du MIT et en Suède, baptisé OmniFibers, contient un canal de fluide au centre qui peut être activé et permet à la fibre d’agir comme un muscle artificiel. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Les textiles « robotiques » pourraient aider les artistes et les athlètes à entraîner leur respiration, et potentiellement aider les patients à se remettre des changements respiratoires postopératoires.
Un nouveau type de fibre développé par des chercheurs de AVEC et en Suède, ils peuvent être transformés en vêtements qui détectent à quel point ils sont étirés ou comprimés, 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 qui aident les chanteurs ou les athlètes à mieux contrôler leur respiration, ou qui aident les patients qui se remettent d’une maladie ou d’une intervention chirurgicale à retrouver leur respiration.
Les fibres multicouches 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 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 extensibles qui peuvent détecter et mesurer le degré d’étirement des fibres. Les fibres composites résultantes sont suffisamment fines et flexibles pour être cousues, tissées ou tricotées à l’aide de machines commerciales standard.
Les fibres, baptisées OmniFibers, sont présentées cette semaine à la conférence en ligne sur les logiciels et technologies d’interface utilisateur de l’Association for Computing Machinery, dans un article d’Ozgun Kilic Afsar, doctorant invité et affilié de recherche au MIT ; Hiroshi Ishii, le professeur Jerome B. Wiesner des arts et sciences médiatiques ; et huit autres du MIT Media Lab, de l’Université d’Uppsala et du KTH Royal Institute of Technology en Suède.
La nouvelle architecture de fibre présente un certain nombre de caractéristiques clés. Sa taille extrêmement étroite et l’utilisation d’un matériau peu coûteux facilitent la structuration des fibres en une variété de formes de tissu. Il est également compatible avec la peau humaine, car sa couche externe est basée sur un matériau similaire au polyester commun. Et, son temps de réponse rapide et la force et la variété des forces qu’il peut transmettre permettent un système de rétroaction rapide pour la formation ou les communications à distance utilisant l’haptique (basé sur le sens du toucher).
L’Afsar dit que les défauts de la plupart des fibres musculaires artificielles existantes sont qu’elles sont soit activées thermiquement, ce qui peut provoquer une surchauffe lorsqu’elles sont utilisées en contact avec la peau humaine, soit qu’elles ont une faible efficacité 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 rapide, dit-elle.
Les principales caractéristiques de la nouvelle architecture des fibres comprennent sa taille extrêmement étroite et l’utilisation de matériaux peu coûteux, ce qui facilite la structuration des fibres en une variété de formes de tissus. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Comme première application de test du matériau, l’équipe a créé un type de sous-vêtement que les chanteurs peuvent porter pour surveiller et reproduire le mouvement des muscles respiratoires, pour fournir plus tard un retour kinesthésique à travers le même vêtement afin d’encourager une posture et des schémas respiratoires optimaux pour la personne souhaitée. performances vocales. « Le chant est particulièrement proche de chez moi, car ma mère est chanteuse d’opéra. C’est une soprano », dit-elle. Dans le processus de conception et de fabrication de ce vêtement, Afsar a travaillé en étroite collaboration avec une chanteuse d’opéra de formation classique, Kelsey Cotton.
«Je voulais vraiment capturer cette expertise sous une forme tangible», dit Afsar. Les chercheurs ont demandé au chanteur de jouer tout en portant le vêtement fait de leurs fibres robotiques et ont enregistré les données de mouvement des capteurs de contrainte tissés dans le vêtement. Ensuite, ils ont traduit les données du capteur en retour tactile correspondant. « Nous avons finalement pu obtenir à la fois la détection et les modes d’actionnement que nous voulions dans le textile, enregistrer et rejouer les mouvements complexes que nous pouvions capter à partir de la physiologie d’un chanteur expert et les transposer au corps d’un non-chanteur, d’un apprenant novice. Ainsi, nous ne capturons pas seulement ces connaissances d’un expert, mais nous sommes capables de les transférer de manière haptique à quelqu’un qui ne fait qu’apprendre », dit-elle.
Comme première application de test du matériau, l’équipe a créé un type de sous-vêtement que les chanteurs peuvent porter pour surveiller et reproduire le mouvement des muscles respiratoires, pour fournir plus tard un retour kinesthésique à travers le même vêtement afin d’encourager une posture et des schémas respiratoires optimaux pour la personne souhaitée. performances vocales. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Bien que ce test initial soit 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, basée sur le suivi des athlètes accomplis dans la réalisation de diverses activités et la stimulation des groupes musculaires. qui sont en action, dit l’Afsar. À terme, l’espoir est que de tels vêtements puissent également être utilisés pour aider les patients à retrouver une respiration saine après une intervention chirurgicale majeure ou une maladie respiratoire telle que Covid-19, ou même comme traitement alternatif de l’apnée du sommeil (dont Afsar a souffert dans son enfance, elle dit).
La physiologie de la respiration est en fait assez complexe, explique l’Afsar, qui réalise ce travail dans le cadre de sa thèse de doctorat au KTH Royal Institute of Technology. « Nous ne savons pas très bien quels muscles nous utilisons et en quoi consiste la physiologie de la respiration », dit-elle. Ainsi, les vêtements qu’ils ont conçus ont des modules séparés pour surveiller différents groupes musculaires lorsque le porteur inspire et expire, et peuvent rejouer les mouvements individuels pour stimuler l’activation de chaque groupe musculaire.
Ishii 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 », dit-il. « La respiration est importante pour chanter, mais cela peut aussi aider lors de la récupération d’une opération ou d’une dépression. Par exemple, la respiration est si importante pour la méditation.
Le système pourrait également être utile pour entraîner d’autres types de mouvements musculaires en plus de la respiration, dit-il. Par exemple, “Beaucoup de nos artistes ont étudié une calligraphie étonnante, mais je veux ressentir la dynamique du coup de pinceau”, ce qui pourrait être accompli avec une manche et un gant faits de 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.
Le composite de fibres souples, qui ressemble à un brin de 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 souple extensible qui détecte la contrainte comme un changement de résistance électrique, un polymère tressé maille extérieure extensible 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 d’interaction homme-machine à l’Université Carnegie Mellon, qui n’était pas associé à cette recherche. Ce travail démontre que « différentes techniques de tricotage à la machine, y compris le tissu incrusté et le tissu d’espacement actif, ont fait progresser l’état de l’art concernant les moyens d’intégrer les fibres d’actionnement dans les textiles », dit-elle. « L’intégration de la détection de contrainte et des rétroactions est essentielle lorsque nous parlons d’interactions portables avec des tissus d’actionnement. »
L’Afsar prévoit de continuer à travailler pour rendre l’ensemble du système, y compris son électronique de contrôle et son alimentation en air comprimé, encore plus miniaturisé pour le garder aussi discret que possible, et de développer le système de fabrication pour pouvoir produire des filaments plus longs. Au cours des prochains mois, elle prévoit de commencer des expériences d’utilisation du système pour transférer des compétences d’un expert à un chanteur novice, et plus tard d’explorer différents types de pratiques de mouvement, y compris celles des chorégraphes et des danseurs.
Référence : « OmniFiber : actionneurs à fibres fluidiques intégrés pour le tissage d’interactions basées sur le mouvement dans le « tissu de la vie quotidienne » » par Ozgun Kilic Afsar, Ali Shtarbanov, Hila Mor, Ken Nakagaki, Jack Forman, Karen Modrei, Seung Hee Jeong, Klas Hjort, Kristina Höök et Hiroshi Ishii, le 10 octobre 2021, UIST ’21 : le 34e Symposium annuel de l’ACM sur les logiciels et la technologie d’interface utilisateur.
DOI : 10.1145/3472749.3474802
La recherche a été soutenue par la Fondation suédoise pour la recherche stratégique. L’équipe comprenait Ali Shtarbanov, Hila Mor, Ken Nakagaki et Jack Forman du MIT ; Kristina Hook de l’Institut royal de technologie KTH ; et Karen Modrei, Seung Hee Jeong et Klas Hjort à l’Université d’Uppsala en Suède.
