高科技服装支持呼吸

一种新的纤维由麻省理工学院(MIT)、乌普萨拉大学(Uppsala University)和瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)的研究人员开发的OmniFibers，可以制成衣服，能感知被拉伸或压缩的程度，然后以压力、横向拉伸或振动的形式提供即时的触觉反馈。研究小组建议，这种面料可以用于服装，帮助训练歌手或运动员更好地控制他们的呼吸，或者帮助病人从疾病中康复手术恢复他们的呼吸模式

该多层纤维的中心包含一个流体通道，可以被流体系统激活。该系统通过向通道中加压并释放流体介质(如压缩空气或水)来控制纤维的几何形状，使纤维发挥人造肌肉的作用。这种纤维还含有可伸缩的传感器，可以检测和测量纤维的拉伸程度。制成的复合纤维足够薄且柔韧，可以用标准的商用机器进行缝纫、编织或针织。

这种新型纤维结构具有许多关键特征。其极窄的尺寸和廉价材料的使用，使其纤维结构成各种织物形式相对容易。它也与人类皮肤兼容，因为它的外层是基于一种类似于普通聚酯的材料。而且，它的快速反应时间和它所能施加的力量的强度和多样性，为训练或使用触觉(基于触觉)进行远程通信提供了快速反馈系统。

麻省理工学院客座博士生、研究人员Ozgun Kilic Afsar说，现有的大多数人造肌肉纤维的缺点是，它们要么是热激活的，这可能导致在与人体皮肤接触时过热，要么是低功率效率或艰苦的训练过程。她说，这些系统通常响应和恢复时间较慢，限制了它们在需要快速反馈的应用程序中的即时可用性。

作为初始测试应用材料，该团队制作了一种内衣，歌手可以穿着它来监测和回放呼吸肌肉的运动，然后通过同一件衣服提供运动反馈，以鼓励理想的姿势和呼吸模式，以实现理想的声乐表演。“唱歌离家特别近，因为我妈妈是一名歌剧演唱家。她是一名女高音，”她说。在这件衣服的设计和制作过程中，Afsar与受过古典训练的歌剧演唱家Kelsey Cotton密切合作。

“我真的很想以一种有形的形式来捕捉这种专长，”Afsar说。研究人员让歌手穿着由他们的机器人纤维制成的衣服表演，并记录了编织在衣服上的应变传感器的运动数据。然后，他们将传感器数据转换为相应的触觉反馈。“我们最终能够在纺织品中实现我们想要的传感和驱动模式，来记录和回放复杂的动作，我们可以从一个专业歌手的生理上捕捉，并将其转换到一个非歌手，一个初学者的身体上。所以，我们不仅仅是从专家那里获取知识，我们还能够通过触觉将这些知识传递给刚开始学习的人。”

虽然这最初的测试是在声乐教学的背景下,同样的方法可以用来帮助运动员学习如何控制自己的呼吸在给定的情况下,基于监测运动员完成他们开展各种活动和刺激肌肉组织行动,Afsar说。最终，人们希望这种服装还能用于帮助患者在大手术或Covid-19等呼吸系统疾病后恢复健康的呼吸模式，甚至作为睡眠呼吸暂停(Afsar小时候就患有这种疾病，她说)的替代疗法。

呼吸的生理学实际上是相当复杂的，Afsar解释说，她正在进行这项工作，作为她在KTH皇家理工学院的博士论文的一部分。她说:“我们并不十分清楚我们使用哪些肌肉，以及呼吸的生理结构是由什么组成的。”因此，他们设计的服装有独立的模块，在穿着者吸气和呼气时监测不同的肌肉群，并可以重复单个动作，以刺激每个肌肉群的激活。

杰罗姆·b·威斯纳(Jerome B. Wiesner)媒体艺术与科学教授石井浩史(Hiroshi Ishii)说，他可以预见这项技术的多种应用。“每个人都要呼吸。呼吸对生产力、信心和表现有很大的影响。“呼吸对唱歌很重要，但这也有助于从手术或抑郁症．例如，呼吸对冥想非常重要。”

他说，这个系统也可能对训练呼吸以外的其他类型的肌肉运动有用。例如，“我们的许多艺术家学习了惊人的书法，但我想感受笔触的动态”，这可能是用这种闭环反馈材料制成的袖子和手套完成的。他建议，奥运会运动员可以通过穿一件模仿顶级运动员(无论是举重运动员还是滑雪运动员)动作的服装来提高他们的技能。

这种柔软的纤维复合材料类似一股纱线，有五层:最内层的流体通道、容纳工作流体的硅酮基弹性体管、可伸缩的软传感器(检测电阻变化时的应变)、可伸缩的编织聚合物外层网格(控制纤维的外部尺寸)、以及对整体延展性提供机械约束的非弹性长丝。

卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)人机交互助理教授李宁(Lining Yao)说:“纤维级工程和织物级设计在这项研究中很好地结合了起来。”李宁与这项研究无关。她说，这项工作展示了“不同的机器编织技术，包括镶嵌和活性间隔织物，在将驱动纤维嵌入纺织品方面提出了最先进的方法。”“当我们谈论可穿戴与驱动面料的交互作用时，整合应变传感和反馈是至关重要的。”

Afsar计划继续致力于使整个系统，包括其控制电子和压缩空气供应，甚至更小型化，以使其尽可能不引人注目，并开发制造系统，以能够生产更长的灯丝。在接下来的几个月里，她计划开始使用这个系统进行实验，将技能从专业歌手转移到新手歌手，然后探索不同种类的动作练习，包括编舞和舞蹈演员的动作练习。

这些纤维以一种纸在计算机协会的用户界面软件和技术在线会议上。