18/10/2021
Door Ad Spijkers
'Robotisch' textiel kan helpen om ademhaling te trainen en patiënten helpen herstellen na een operatie.
Onderzoekers van het MIT in Cambridge (Massachusetts), de Uppsala Universtet en het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm hebben een nieuw soort vezel met nieuwe mogelijkheden ontwikkeld. De vezel kan worden verwerkt in kleding die voelt hoeveel het wordt uitgerekt of samengedrukt en dan onmiddellijk voelbare feedback geeft in de vorm van druk, laterale rek of trillingen. Dergelijke stoffen zouden volgens het team kunnen worden gebruikt in kledingstukken die zangers of atleten helpen hun ademhaling beter onder controle te houden. Ook zouden ze die patiënten die herstellen van een ziekte of operatie kunnen helpen hun ademhalingspatroon te herstellen.
Vloeistofkanaal in vezel
De meerlagige OmniFibers genoemde vezels bevatten een vloeistofkanaal in het midden, dat kan worden geactiveerd door een vloeistofsysteem. Dit systeem regelt de geometrie van de vezels door een vloeibaar medium, zoals perslucht of water, onder druk te zetten en in het kanaal af te geven, waardoor de vezel als een kunstmatige spier kan werken. De vezels bevatten ook rekbare sensoren die de mate van rek van de vezels kunnen detecteren en meten. De resulterende composietvezels zijn dun en flexibel genoeg om te worden genaaid, geweven of gebreid met standaard commerciële machines.
De geringe afmeting en het gebruik van goedkoop materiaal maken het relatief eenvoudig om de vezels in verschillende weefselvormen te structureren. De vezel is compatibel met de menselijke huid, omdat de buitenste laag is gebaseerd op een materiaal dat lijkt op gewoon polyester. Dankzij de snelle responstijd en de kracht en verscheidenheid van de krachten die het kan uitoefenen, is een snel feedbacksysteem mogelijk voor training of communicatie op afstand met behulp van haptiek (gebaseerd op de tastzin).
Volgens de onderzoekers worden de tekortkomingen van de meeste bestaande kunstmatige spiervezels veroorzaakt doordat ze ofwel thermisch worden geactiveerd (wat oververhitting kan veroorzaken bij gebruik in contact met de menselijke huid), een laag energetisch rendement hebben of zware trainingsprocessen vergen. Deze systemen hebben vaak trage respons- en hersteltijden, waardoor ze niet direct bruikbaar zijn in toepassingen die snelle feedback vereisen.
Testtoepassing
Als eerste testtoepassing van het materiaal maakte het team een soort ondergoed dat zangers kunnen dragen om de beweging van de ademhalingsspieren te volgen. Later kan hetzelfde kledingstuk kinesthetische feedback geven voor een optimale houding en ademhalingspatronen voor de gewenste vocale prestaties. Bij het ontwerp en fabricageproces van dit kledingstuk is samengewerkt met de Australische operazangeres Kelsey Cotton.
De onderzoekers lieten de zangeres optreden terwijl ze het kledingstuk van hun robotvezels droeg en registreerden de bewegingsgegevens van de spanningssensoren die in het kledingstuk waren geweven. Vervolgens vertaalden ze de sensorgegevens naar de bijbehorende tactiele feedback. Uiteindelijk konden ze zowel de detectie- als de bedieningsmodi bereiken die ze in het textiel wilden. Ze konden de complexe bewegingen uit de fysiologie van een deskundige zangeres opnemen en opnieuw af spelen en transponeren naar het lichaam van een beginnende leerling. Ze leggen dus niet alleen de kennis vast van een expert, maar kunnen die ook haptisch overdragen aan iemand die net begint met zingen.
Toekomst
Hoewel deze eerste test in de context van vocale pedagogiek is, zou dezelfde benadering kunnen worden gebruikt om atleten te helpen leren hoe ze hun ademhaling in een bepaalde situatie het beste kunnen beheersen. Dit gebeurt op basis van het volgen van ervaren atleten terwijl ze verschillende activiteiten uitvoeren en het stimuleren van de spiergroepen die in actie zijn. Uiteindelijk hopen de onderzoekers dat dergelijke kledingstukken ook kunnen worden gebruikt om patiënten te helpen weer een gezond ademhalingspatroon te krijgen na een grote operatie, een luchtwegaandoening zoals Covid-19 of als een alternatieve behandeling voor slaapapneu.
De onderzoekers willen aan het maken van het hele systeem blijven werken, inclusief besturingselektronica en persluchttoevoer. Ook moet de vezel nog verder geminiaturiseerd om het zo onopvallend mogelijk te houden. Tot slot willen ze een productiesysteem ontwikkelen om langere filamenten te kunnen produceren.
Foto: MIT
https://www.mit.edu