Megzti tekstilės įtaisai: programuojami mechanizmai

Įsivaizduokite gaubtą, kuris pasikeičia tarp trijų spalvų vos patraukus audinio kilpelę. Arba rankovę, kuri su kiekvienu žingsniu apsiverčia tarsi mažas mechaninis svirtinis jungiklis. Tai nėra dizaino mugės rekvizitai; tai veikiantys prietaisai, pagaminti iš paprastų siūlų ir pramoninių mezgimo mašinų.

Siūlų pavertimas tikslingais mechanizmais

Harvardo John A. Paulson inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokykloje mokslininkai parodė, kad megzti tekstiliniai gaminiai gali būti suprojektuoti elgtis kaip programuojami mechaniniai elementai. Paslaptis slypi daugialypiame stabilume: fizinėje savybėje, leidžiančioje struktūrai būti daugiau nei vienoje stabilioje konfiguracijoje. Praktikoje tai reiškia, kad audinys gali netikėtai persiversti iš vienos formos į kitą ir išlikti toje būsenoje tol, kol pakankama jėga vėl nepervers jo atgal.

Tai nėra plastiko liejimas ar formavimas karštyje. Vietoj to tyrėjai naudojo weft mezgimą, tą pačią automatizuotą technologiją, kuri gamina kepures ir pirštines, kartu kruopščiai parinkdami siūlus ir akelių raštus. Labai elastingi siūlai, derinami su platingu (technika, kai skirtingi siūlai dedami ant priešingų audinio pusių), sukuria storus, tankius mezginius, kurie natūraliai sukaulėja ir laiko trimates formas. Efektas panašus į tai, kodėl nupjautos marškinėlių kraštas susisuka, tik suplanuotas tyčia ir prognozuojamai.

Tyrėjai naudojo itin elastingus siūlus, kad sukurtų tankius mezginius, kurie persiverčia į skirtingas konfigūracijas. 

Išdėstę horizontalias ir vertikalias juostas tam tikrais geometriniais raštais, komanda pagamino tekstiles, kurios greitai persiverčia tarp kelių stabilių būsenų. Įsivaizduokite šviesos jungiklį, kuris spragteli ir lieka įjungtas arba išjungtas. Šie audiniai elgiasi taip pat: kiekviena būsena yra mechaniniu būdu užrakinta tol, kol veikiančioji jėga neperžengs slenkstinio taško ir nesukels persvirtimo judesio.

Iš mechaninių spragtelėjimų į elektrinę logiką

Priedus laidus siūlas pavertė šiuos persiverčiančius mezginius veikiančiais elektriniais jungikliais. Kai audinio lukštas apsiverčia, jis arba uždaro, arba atidaro grandinę. Demonstracinėse konstrukcijose megztas lukštas įjungdavo ir išjungdavo LED lempą su kiekvienu apsiverčimu. Kitas ant drabužių pritvirtintas įrenginys aptiko persiverčiamą judesį per kelį ar alkūnę ir perdavė tą informaciją į Arduino, taip leidžiant skaičiuoti žingsnius.

Taip pat jie sukūrė perkonfigūruojamą gaubtą trijoms multistabilioms jungtims. Kiekviena jungtis valdo skirtingos spalvos šviesą, kai audinys tempiasi ir persiverčia tarp būsenų. Šie įrenginiai ir kiti pavyzdžiai buvo eksponuojami neseniai vykusioje Art Lab instaliacijoje.

Vietoje to, kad modeliuotų kiekvieną siūlo giją, komanda savo simuliacijose traktavo kiekvieną megztą audinį kaip tęstinę medžiagą. Tokia abstrakcija suteikė tikslius audinių elgsenos prognozavimus ir sumažino skaičiavimo sudėtingumą. Bandydami, kaip siūlų elastingumas ir geometrinis raštas veikia persiverčiamumą, tyrėjai nustatė dizaino taisykles, kurios patikimai sukuria daugialypį stabilumą.

Suderinamumas su standartine pramonine mezgimo įranga yra praktinis pranašumas. Tos pačios mašinos, jau naudojamos drabužių gamyklose, tinkamai suprogramavus, gali gaminti šiuos inžinerinius mezginius dideliu mastu. Tai sumažina kliūtis nuo laboratorinių prototipų iki komercinės gamybos.

Pritaikymas, kontekstas ir mokslinė reikšmė

Šie atradimai yra tekstilės ir netiesinių mechaninių metamaterialų sankirtoje, srityse, kurios projektuoja struktūras taip, kad jos lenktųsi, sulenktųsi ir persiverstų numatytais būdais. Gebėjimas įtraukti prognozuojamas mechanines būsenas į minkštus audinius atveria kelią kelioms taikomosioms sritims. Nešiojami sensoriai, dirbantys be baterijų, galėtų registruoti judesius vien mechaninių būsenų pagalba. Minkšti sąsajos elementai galėtų teikti taktinį grįžtamąjį ryšį keisdamos formą pagal poreikį. Perkonfigūruojami architektūros elementai galėtų būti austomi į minkštąją robotiką arba adaptuotą drabužinę techniką.

Projektui vadovavo neseniai doktorantūrą baigusi Kausalya Mahadevan, prižiūrima Katia Bertoldi. Jų darbas, publikuotas žurnale Advanced Functional Materials, peržiūri tekstilę ne tik kaip pasyvų dangalą, bet kaip programuojamą mechaninę sistemą. Mahadevan paaiškino, kad įkvėpimas kilo tiek iš tekstilės menininkų, tiek iš laboratorijos ilgalaikės patirties netiesinėje kietųjų medžiagų mechanikoje; šių perspektyvų sujungimas atvėrė naują požiūrį į audinį kaip konstrukcinę medžiagą.

Iššūkių vis dar yra. Ilgaamžiškumas laidžių siūlų, energijos ir signalų integravimas sudėtingesnei logikai bei laboratorinių prototipų vertimas į patogius, plaunamus drabužius yra praktinės kliūtys. Vis dėlto tyrimas sudaro pagrindą: su tinkamu raštu ir medžiagos pasirinkimu megztas audinys gali tapti aktyvia, formą keičiančia įrenginių dalimi.

Ekspertų įžvalga

"Kas mane žavi, tai požiūrio elegancija", sako dr. Lena Ortiz, medžiagų inžinerė, tyrinėjanti minkštus jutiklius. "Jie pasitelkia elgsenas, kurios jau būdingos tekstilėms - sukimąsi, lenkimąsi - ir paverčia jas kartotinais funkcionaliais atsakymais. Tai daro gamybą ir pritaikymą labiau įmanomus, nei reikėtų išrasti visiškai naują pagrindą."

Ortiz priduria, kad gebėjimas modeliuoti audinius kaip tęstines medžiagas yra esminis žingsnis. "Tai suteikia dizaineriams įrankių rinkinį: sureguliuokite siūlų modulį, pakoreguokite juostų geometriją ir galite nustatyti persiverčimo jėgą bei stabilių būsenų skaičių. Būtent ši prognozuojamumas leis šioms idėjoms išeiti iš laboratorijų ir atsirasti kasdieniuose produktuose."

Kol riba tarp drabužių ir mašinų nyksta, šie tyrimai siūlo pragmatišką kelią: pasitelkti šimtmečius seną amatą ir modernią inžineriją, kad audiniai darytų ne tik tai, ką dengia - jie skaičiuotų, reaguotų ir išliktų mechaninėse būsenoje.