Au lieu d’avoir besoin d’un manteau pour chaque saison, imaginez avoir une veste qui changerait de forme de manière dynamique pour devenir additionally isolante et vous garder au chaud lorsque la température baisse.
Une fibre d’actionnement programmable développée par une équipe interdisciplinaire de chercheurs du MIT pourrait un jour faire de cette eyesight une réalité. Connue sous le nom de FibeRobo, la fibre se contracte en réponse à une augmentation de la température, puis s’inverse automatiquement lorsque la température diminue, sans aucun capteur intégré ni autre composant dur.
La fibre à faible coût est entièrement compatible avec les approaches de fabrication textile, notamment les métiers à tisser, la broderie et les equipment à tricoter industrielles, et peut être produite en continu au kilomètre. Cela pourrait permettre aux concepteurs d’intégrer facilement des capacités d’actionnement et de détection dans une substantial gamme de tissus pour une myriade d’applications, telles que des vêtements de compression programmables qui pourraient faciliter la récupération postopératoire.
Les fibres peuvent également être combinées avec du fil conducteur, qui agit comme un élément chauffant lorsque le courant électrique le traverse. De cette manière, les fibres sont actionnées grâce à l’électricité, ce qui offre à l’utilisateur un contrôle numérique sur la forme d’un textile. Par exemple, un tissu peut changer de forme en fonction de n’importe quelle data numérique, telle que les lectures d’un capteur de fréquence cardiaque.
« Nous utilisons des textiles pour tout. Nous fabriquons des avions avec des composites renforcés de fibres, nous recouvrons la Station spatiale internationale d’un tissu de protection contre les radiations, nous les utilisons pour l’expression personnelle et les vêtements de performance. Une grande partie de notre environnement est adaptative et réactive, mais la seule chose qui doit être la plus adaptative et la moreover réactive – les textiles – est complètement inerte », déclare Jack Forman, étudiant diplômé du Tangible Media Group et du Centre for Bits and Atoms du MIT Media Lab, et auteur principal d’un papier sur la fibre d’actionnement.
Il est rejoint sur l’article par 11 autres chercheurs du MIT et de la Northeastern University, dont ses conseillers, le professeur Neil Gershenfeld, qui dirige le Heart for Bits and Atoms, et Hiroshi Ishii, professeur Jerome B. Wiesner d’arts et de sciences médiatiques et directeur. du groupe Tangible Media. La recherche sera présentée au symposium ACM sur les logiciels et technologies d’interface utilisateur.
Matériaux de morphing
Les fibres actuelles qui changent de forme présentent des pièges qui ont largement empêché leur incorporation dans les textiles en dehors du cadre des laboratoires.
Une fibre, connue sous le nom d’alliage à changement de forme, ne se contracte que d’environ 5 %, ne s’inverse pas automatiquement et cesse souvent de fonctionner après quelques actionnements. Un autre, appelé actionneur McKibben, est à entraînement pneumatique et nécessite un compresseur d’air pour être actionné.
Les chercheurs du MIT recherchaient une fibre capable de s’actionner silencieusement et de changer radicalement de forme, tout en étant compatible avec les procédures de fabrication textile courantes. Pour y parvenir, ils ont utilisé un matériau appelé élastomère à cristaux liquides (LCE).
Un cristal liquide est une série de molécules qui peuvent s’écouler comme un liquide, mais lorsqu’on les laisse se déposer, elles s’empilent dans un arrangement cristallin périodique. Les chercheurs incorporent ces constructions cristallines dans un réseau d’élastomère extensible comme un élastique.
À mesure que le matériau LCE chauffe, les molécules cristallines se désalignent et rapprochent le réseau élastomère, provoquant la contraction de la fibre. Lorsque la chaleur est évacuée, les molécules reviennent à leur alignement d’origine et le matériau à sa longueur d’origine, explique Forman.
En mélangeant soigneusement les produits chimiques pour synthétiser le LCE, les chercheurs peuvent contrôler les propriétés finales de la fibre, comme son épaisseur ou la température à laquelle elle s’actionne.
Ils ont perfectionné une technique de préparation qui crée une fibre LCE qui peut s’actionner à des températures sans hazard pour la peau, la rendant adaptée aux tissus portables. Les chercheurs n’ont pas pu y parvenir avec d’autres fibres LCE, explique Forman.
« Il y a beaucoup de boutons que nous pouvons actionner. Cela a demandé beaucoup de travail pour inventer ce processus à partir de zéro, mais en fin de compte, cela nous donne beaucoup de liberté pour la fibre résultante », ajoute-t-il.
Cependant, les chercheurs ont découvert que la fabrication de fibres à partir de résine LCE est un processus délicat. Les tactics existantes aboutissent souvent à une masse fondue unattainable à dérouler.
Les chercheurs explorent également d’autres moyens de fabriquer des fibres fonctionnelles, par exemple en incorporant des centaines de puces numériques à micro-échelle dans un polymère, en utilisant un système fluidique activé ou en incluant un matériau piézoélectrique able de convertir les vibrations sonores en signaux électriques.
Fabrication de fibres
Forman a construit une equipment en utilisant des pièces imprimées en 3D et découpées au laser et des composants électroniques de foundation pour surmonter les défis de fabrication. Il a initialement construit la device dans le cadre du cours d’études supérieures MAS.865 (Prototypage rapide de machines de prototypage rapide : comment fabriquer quelque selected qui fait (presque) n’importe quoi).
Pour commencer, la résine LCE épaisse et visqueuse est chauffée, puis lentement pressée à travers une buse semblable à celle d’un pistolet à colle. Au fur et à mesure que la résine kind, elle est soigneusement durcie à l’aide de lampes UV qui brillent des deux côtés de la fibre qui s’extrude lentement.
Si la lumière est trop faible, le matériau se séparera et s’égouttera hors de la equipment, mais si elle est trop lumineuse, des amas peuvent se previous, ce qui donnera des fibres bosselées.
Ensuite, la fibre est trempée dans l’huile pour lui donner un revêtement glissant et durcie à nouveau, cette fois avec des lampes UV allumées à plein régime, créant une fibre solide et lisse. Enfin, il est collecté dans une bobine supérieure et trempé dans de la poudre afin de pouvoir glisser facilement dans les devices de fabrication textile.
De la synthèse chimique à la bobine finie, le processus prend environ une journée et produit approximativement un kilomètre de fibre prête à l’emploi.
« En fin de compte, vous ne voulez pas d’une fibre diva. Vous voulez une fibre qui, lorsque vous travaillez avec elle, s’intègre dans l’ensemble des matériaux – une fibre avec laquelle vous pouvez travailler comme n’importe quel autre matériau fibreux. mais il possède également de nombreuses nouvelles capacités intéressantes », déclare Forman.
La création d’une telle fibre a nécessité de nombreux essais et erreurs, ainsi que la collaboration de chercheurs professionals dans de nombreuses disciplines, de la chimie au génie mécanique en passant par l’électronique et la conception.
La fibre résultante, appelée FibeRobo, peut se contracter jusqu’à 40 % sans se plier, s’actionner à des températures sans threat pour la peau et être produite avec une configuration à faible coût pour 20 cents par mètre, soit approximativement 60 fois moins cher que les fibres à changement de forme disponibles dans le commerce. fibres.
La fibre peut être incorporée dans des machines à coudre et à tricoter industrielles, ainsi que dans des processus non industriels tels que des métiers à tisser manuels ou du crochet manuel, sans qu’il soit nécessaire de modifier le processus.
Les chercheurs du MIT ont utilisé FibeRobo pour démontrer plusieurs apps, notamment un soutien-gorge de activity adaptatif fabriqué par broderie qui se resserre lorsque l’utilisateur begin à faire de l’exercice.
Ils ont également utilisé une machine à tricoter industrielle pour créer une veste de compression pour le chien de Forman, nommé Professeur. La veste actionnerait et « serrerait » le chien dans ses bras grâce à un sign Bluetooth provenant du smartphone de Forman. Les vestes de compression sont couramment utilisées pour soulager l’anxiété de séparation qu’un chien peut ressentir lorsque son propriétaire est absent.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent ajuster les composants chimiques de la fibre pour qu’elle soit recyclable ou biodégradable. Ils souhaitent également rationaliser le processus de synthèse des polymères afin que les utilisateurs sans skills en laboratoire humide puissent le réaliser eux-mêmes.
Forman est ravi de voir les applications FibeRobo identifiées par d’autres groupes de recherche à mesure qu’ils s’appuient sur ces premiers résultats. À lengthy terme, il espère que FibeRobo pourra devenir quelque chose qu’un fabricant pourra acheter dans un magasin d’artisanat, tout comme une pelote de laine, et l’utiliser pour produire facilement des tissus morphing.
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la bourse commémorative William Asbjornsen Albert, le programme de professeur invité Dr Martin Luther King Jr. Toppan Printing Co. Honda Investigation, le Chinese Scholarship Council et Shima Seiki. L’équipe comprenait Ozgun Kilic Afsar, Sarah Nicita, Rosalie (Hsin-Ju) Lin, Liu Yang, Akshay Kothakonda, Zachary Gordon et Cedric Honnet du MIT et Megan Hofmann et Kristen Dorsey de la Northeastern College.
