Fasern verwandeln Stoffe in atmungsaktive Kleidungsstücke

Eine neue Art von Faser namens OmniFibers kann zu Kleidung verarbeitet werden, die erkennt, wie stark sie gedehnt oder komprimiert wird, und dann ein sofortiges taktiles Feedback in Form von Druck, seitlicher Dehnung oder Vibration liefert. Solche Stoffe könnten in Kleidungsstücken verwendet werden, die Sängern oder Sportlern dabei helfen, ihre Atmung besser zu kontrollieren, oder die Patienten, die sich von einer Krankheit oder Operation erholen, dabei helfen, ihre Atmungsmuster wiederherzustellen.

Die mehrschichtigen Fasern enthalten im Zentrum einen Fluidkanal, der durch ein Fluidiksystem aktiviert werden kann. Dieses System steuert die Geometrie der Fasern, indem es ein flüssiges Medium wie Druckluft oder Wasser unter Druck setzt und in den Kanal freisetzt, wodurch die Faser als künstlicher Muskel fungieren kann. Die Fasern enthalten auch dehnbare Sensoren, die den Grad der Dehnung der Fasern erkennen und messen können. Die resultierenden Verbundfasern sind dünn und flexibel genug, um mit handelsüblichen Standardmaschinen genäht, gewebt oder gestrickt zu werden.

Der weiche Faserverbundstoff, der einem Garnstrang ähnelt, besteht aus fünf Schichten:dem innersten Flüssigkeitskanal, einem Elastomerschlauch auf Silikonbasis zur Aufnahme der Arbeitsflüssigkeit, einem weichen, dehnbaren Sensor, der Dehnung als Änderung des elektrischen Widerstands erkennt, einem geflochtenen Polymer dehnbares äußeres Netz, das die äußeren Abmessungen der Faser kontrolliert, und ein nicht dehnbares Filament, das eine mechanische Einschränkung der Gesamtdehnbarkeit bietet.

Die extrem schmale Größe der neuen Faserarchitektur und die Verwendung von kostengünstigem Material machen es relativ einfach, die Fasern in eine Vielzahl von Stoffformen zu strukturieren. Es ist auch mit der menschlichen Haut verträglich, da seine Außenschicht auf einem ähnlichen Material wie herkömmliches Polyester basiert. Seine schnelle Reaktionszeit und die Stärke und Vielfalt der Kräfte, die es übertragen kann, ermöglichen ein schnelles Feedback-System für das Training oder die Fernkommunikation unter Verwendung von Haptik (basierend auf dem Tastsinn).

Die Nachteile der meisten vorhandenen künstlichen Muskelfasern bestehen darin, dass sie entweder thermisch aktiviert werden, was bei Kontakt mit menschlicher Haut zu Überhitzung führen kann, oder dass sie eine geringe Leistungseffizienz oder anstrengende Trainingsprozesse aufweisen. Diese Systeme haben oft langsame Reaktions- und Wiederherstellungszeiten, was ihre unmittelbare Verwendbarkeit in Anwendungen einschränkt, die eine schnelle Rückmeldung erfordern.

Als erste Testanwendung des Materials stellte das Team eine Art Unterwäsche her, die Sänger tragen können, um die Bewegung der Atemmuskulatur zu überwachen und wiederzugeben, um später durch dasselbe Kleidungsstück kinästhetisches Feedback zu geben, um eine optimale Körperhaltung und Atemmuster für das gewünschte zu fördern stimmliche Leistung. Das Team ließ einen Sänger auftreten, während er das Kleidungsstück aus OmniFibers trug, und zeichnete die Bewegungsdaten der in das Kleidungsstück eingewebten Dehnungssensoren auf. Dann übersetzten sie die Sensordaten in das entsprechende taktile Feedback.

Derselbe Ansatz könnte verwendet werden, um Athleten dabei zu helfen, zu lernen, wie sie ihre Atmung in einer bestimmten Situation am besten kontrollieren können, basierend auf der Überwachung erfolgreicher Athleten, während sie verschiedene Aktivitäten ausführen und die Muskelgruppen stimulieren, die in Aktion sind. Letztendlich könnten solche Kleidungsstücke auch verwendet werden, um Patienten dabei zu helfen, nach einer größeren Operation oder einer Atemwegserkrankung wie COVID-19 wieder zu gesunden Atemmustern zurückzukehren, oder sogar als alternative Behandlung für Schlafapnoe.

Das Team wird weiter daran arbeiten, das gesamte System, einschließlich seiner Steuerelektronik und Druckluftversorgung, noch weiter zu miniaturisieren, um es so unauffällig wie möglich zu halten, und das Fertigungssystem so weiterzuentwickeln, dass längere Filamente hergestellt werden können.