OmniFibers: Intelligenter Stoff reguliert Atmung für Leistung & Erholung

Eine neue Art von Faser namens OmniFibers kann zu Kleidung verarbeitet werden, die erfasst, wie stark sie gedehnt oder komprimiert wird, und dann sofort taktiles Feedback in Form von Druck, lateraler Dehnung oder Vibration gibt. Solche Stoffe könnten in Kleidungsstücken verwendet werden, die Sänger oder Athleten helfen, ihre Atmung besser zu kontrollieren, oder die Patienten bei der Erholung von Krankheit oder Operation helfen, ihre Atemmuster wiederzugewinnen.

Die mehrschichtigen Fasern enthalten einen Fluidkanal in der Mitte, der durch ein fluidisches System aktiviert werden kann. Dieses System steuert die Geometrie der Fasern, indem es ein Fluidmedium – wie Druckluft oder Wasser – in den Kanal presst und freigibt, sodass die Faser als künstlicher Muskel agiert. Die Fasern enthalten auch dehnbare Sensoren, die den Grad der Dehnung der Fasern erfassen und messen können. Die resultierenden Kompositfasern sind dünn und flexibel genug, um mit Standard-Industriemaschinen genäht, gewebt oder gestrickt zu werden.

Der weiche Faserkomposit, der einem Garnstrang ähnelt, hat fünf Schichten: den innersten Fluidkanal, ein silikonbasiertes elastomeres Rohr zur Aufnahme des Arbeitsfluids, einen weichen dehnbaren Sensor, der Dehnung als Änderung des elektrischen Widerstands detektiert, ein geflochtenes Polymer-dehnbares Außengeflecht, das die äußeren Dimensionen der Faser kontrolliert, und ein nicht-dehnbares Filament, das eine mechanische Begrenzung der Gesamtextensibilität bietet.

Die extrem schmale Größe der neuen Faserarchitektur und die Verwendung kostengünstiger Materialien machen es relativ einfach, die Fasern in eine Vielzahl von Stoffformen zu strukturieren. Es ist auch mit menschlicher Haut verträglich, da seine äußere Schicht auf einem Material basiert, das gängigem Polyester ähnelt. Seine schnelle Reaktionszeit und die Stärke und Vielfalt der Kräfte, die es ausüben kann, ermöglichen ein schnelles Feedback-System für Training oder Fernkommunikation mittels Haptik (basierend auf dem Tastsinn).

Die Mängel der meisten existierenden künstlichen Muskelfasern sind, dass sie entweder thermisch aktiviert sind, was Überhitzung bei Kontakt mit menschlicher Haut verursachen kann, oder sie haben niedrige Energieeffizienz oder mühsame Trainingsprozesse. Diese Systeme haben oft langsame Reaktions- und Erholungszeiten, was ihre unmittelbare Verwendbarkeit in Anwendungen limitiert, die schnelles Feedback erfordern.

Als initiale Testanwendung des Materials fertigte das Team eine Art Unterwäsche an, die Sänger tragen können, um die Bewegung der Atemmuskeln zu überwachen und wiederzugeben, um später kinästhetisches Feedback durch dasselbe Kleidungsstück zu geben, um optimale Haltung und Atemmuster für die gewünschte vokale Leistung zu fördern. Das Team ließ einen Sänger auftreten, während er das Kleidungsstück aus OmniFibers trug, und zeichnete die Bewegungsdaten von den Dehnungssensoren auf, die in das Kleidungsstück eingewebt waren. Dann übersetzten sie die Sensordaten in das entsprechende taktile Feedback.

Derselbe Ansatz könnte genutzt werden, um Athleten zu helfen, zu lernen, wie sie ihre Atmung in einer gegebenen Situation am besten kontrollieren, basierend auf der Überwachung erfolgreicher Athleten, während sie verschiedene Aktivitäten ausführen und die Muskelgruppen stimulieren, die in Aktion sind. Schließlich könnten solche Kleidungsstücke auch verwendet werden, um Patienten zu helfen, gesunde Atemmuster nach größeren Operationen oder Atemwegserkrankungen wie COVID-19 wiederzugewinnen, oder sogar als alternative Behandlung für Schlafapnoe.

Das Team wird weiter daran arbeiten, das Gesamtsystem – einschließlich Steuerungselektronik und Druckluftversorgung – noch weiter zu miniaturisieren, um es so unauffällig wie möglich zu halten, und das Fertigungssystem zu entwickeln, um längere Filamente produzieren zu können.