ハーバード大学ジョン A. 工学応用科学大学院 (SEAS) ポールソンの研究者は、伝統的な織物技術を使用して、形状を変化させ、動きを感知し、スイッチとして機能する機能的な生地を作成できることを示しました。このアプローチは、新世代のプログラム可能なテキスタイルの進歩に役立つ可能性があります。

この集団は、ある安定した形状から別の安定した形状に「壊れる」ことができる特別なニット生地を作成しました。物理学者は、複数の安定した構成を保持するこの能力を多重安定性と説明します。

この研究は、現在、ウィリアム・クアン・ダノフとエイミー・クアン・ダノフ応用力学の教授であるカティア・ベルトルディの研究室で博士研究員を務める科学大学卒業生のカウサリヤ・マハデヴァン候補によって行われた。調査結果は、 先進の機能性素材。

テキスタイルへの物理学の導入

学生としてベルトルディ氏の研究室で働き始めたマハデヴァンさんは、「私は常に生地やテキスタイル、そしてそれらを使って何を加工し、作ることができるかに興味を持っていた」と語った。 「テキスタイルの多用途性に関する私たちのアイデアは、テキスタイルアーティストのインスピレーションと、彼らが構造にどのようにアプローチするか、そしてそれらへのアプローチ方法から生まれました。 [Bertoldi’s] 研究室では伝統的に固体における非線形力学について考えてきました。私たちはこの文脈でテキスタイルについて考えてみました。」

曲げて保持するように設計された材料は、多くの場合、ポリマーを成形し、ポリマー内の残留応力を慎重に制御することによって製造されます。しかし、そうすることで研究者らは、帽子や手袋の製造に一般的に使用されるのと同じ工業技術である編み物が、糸だけを使って複雑な曲面構造を作り出すことができることを示した。

彼らは伸縮性の高い糸を選択し、生地の反対側に異なる糸を配置するプレートと呼ばれる編み方を使用しました。この組み合わせにより、自然に三次元形状に折り畳まれる高密度で厚い生地が生まれました。この効果は、クロップド T シャツの下端がめくれ上がるのと同じ基本的な動作に依存しています。

「糸の選択と機械パラメータの選択により、基本的に可能な限り速い生地を選択することができました」とマハデヴァン氏は言いました。

立体形状の間に張り付く生地

次に研究者らは、水平方向と垂直方向のストライプを体系的に組み合わせて配置しました。これにより、オンまたはオフを維持する照明スイッチのように、異なる構成間でスナップし、それぞれの構成で安定した状態を維持できるファブリックを作成できるようになりました。

生地の形状と材料特性がこの瞬間的な動作にどのような影響を与えるかを研究することで、チームはニット生地の耐久性を可能にする物理的条件を特定しました。また、糸の各ストランドをモデル化するのではなく、各テキスタイルを連続素材として扱うことで、動作をモデル化することに成功しました。

その後、研究者らは細いフィラメントを追加して、この技術が実際のデバイスでどのように使用できるかを示しました。これらの導電性繊維は、ニット構造を、ある構成から別の構成に移行するときに電気状態を変化させる、柔軟で伸縮性のある電気スイッチに変えました。

歩数計から色が変わるライトまで

あるデモンストレーションでは、チームはテキスタイルの移動に応じて定常状態の間で LED をオン/オフする多層テキスタイルを作成しました。

膝や肘にかけて着用できるウェアラブルニットスイッチも製作した。関節を曲げることによって生じる滑り運動はArduinoによって検出され、歩数のカウントに使用されます。

もう 1 つのプロトタイプは、3 つの個別の多機能スイッチを備えた再構成可能なランプ シェードでした。各スイッチは、布地が構成間で引き伸ばされるにつれて、異なる色の光を制御しました。これらのデバイスは、プロジェクトの他の例とともに、前回の記事で紹介されました。 アートラボのインスタレーション。

研究者たちは、さまざまな色の光にマッチする、マルチ安定スイッチを備えた調整可能なランプシェードを作成しました。

拡張可能なスマートテキスタイルへの可能性のある道

重要なのは、マハデヴァン氏と彼の同僚が使用している機械は、縫製工場ですでに使用されている工業用編み機と似ているということです。この互換性は、この技術に基づくデバイスが比較的迅速にスケールアップされる可能性があることを示しています。

科学的な観点から見ると、この研究はファブリックを非線形機械メタマテリアルの分野に近づけるものでもあります。これらの工学的に設計された構造は、制御された方法で曲げ、ねじり、曲がり、有用な機能を提供するように設計されています。

マハデヴァン氏は、マルチサステナビリティを利用して、柔らかさ、シームレスな構造、機能性を兼ね備えた生地を作成するさらなる機会があると考えています。研究者らは将来、体の動きを静かに追跡したり、触覚フィードバックを提供したり、必要に応じて物理的な形状を変更したりできるテキスタイルを構想しています。

この研究は、NSF 助成金 DMR-2011754 および ARO MURI プログラム W911NF-22-1-0219 によって支援されました。この装置は ONR DURIP 賞 N00014-19-1-2220 によってサポートされました。