FibeRobo del MIT es una fibra innovadora que responde a la temperatura y es capaz de transformar textiles en prendas adaptables. De producción económica y fácil de usar, fue creado para aplicaciones prácticas como sujetadores deportivos y chaquetas para perros. Los objetivos futuros incluyen hacerlo respetuoso con el medio ambiente y optimizar su producción para un uso generalizado.
El FibeRobo de bajo costo, que es compatible con las técnicas de fabricación textil existentes, podría usarse en prendas de rendimiento adaptables o de compresión.
En lugar de necesitar un abrigo para cada temporada, imagina tener una chaqueta que cambia de forma dinámicamente y se vuelve más aislante para mantenerte abrigado a medida que baja la temperatura.
Una fibra actuadora programable desarrollada por un equipo interdisciplinario de investigadores del MIT algún día podría hacer realidad esta visión. Conocida como FibeRobo, la fibra se contrae en respuesta a un aumento de temperatura y luego se revierte automáticamente cuando la temperatura disminuye, sin sensores integrados ni otros componentes rígidos.
Investigadores del MIT y la Universidad Northeastern han desarrollado una fibra de elastómero de cristal líquido que puede cambiar de forma en respuesta a estímulos térmicos. La fibra, que es totalmente compatible con la maquinaria de producción textil existente, podría usarse para fabricar tejidos que se transformen, como una chaqueta que se vuelve más aislante para mantener abrigado al usuario cuando bajan las temperaturas. Crédito: Cortesía de investigadores.
Integración perfecta en la producción textil
La fibra de bajo costo es totalmente compatible con las técnicas de fabricación textil, incluidos telares, bordados y máquinas de tejer industriales, y puede producirse de forma continua por kilómetro. Esto podría permitir a los diseñadores incorporar fácilmente capacidades de actuación y detección en una amplia gama de tejidos para innumerables aplicaciones.
La fibra se contrae en respuesta a un aumento de temperatura y luego se revierte automáticamente cuando la temperatura disminuye, sin sensores integrados ni otros componentes rígidos. Crédito: Cortesía de investigadores.
Las fibras también se pueden combinar con hilos conductores, que actúan como elemento calefactor cuando la corriente eléctrica pasa a través de ellas. De esta forma, las fibras actúan a través de la electricidad, lo que le da al usuario un control digital sobre la forma del tejido. Por ejemplo, una tela puede cambiar de forma según cualquier información digital, como las lecturas de un sensor de frecuencia cardíaca.
Textiles adaptativos e investigación multidisciplinar
“Usamos textiles para todo. Hacemos aviones con compuestos reforzados con fibras, cubrimos la Estación Espacial Internacional con telas de protección radiológica, las utilizamos para expresión y actuación personal. Gran parte de nuestro entorno es adaptable y receptivo, pero lo que necesita ser más adaptable y receptivo (los textiles) es completamente inerte”, dice Jack Forman, estudiante de posgrado en Tangible Media Group en el MIT Media Lab, con una licenciatura en secundaria. afiliación al Centro de Bits y Átomos y autor principal de un artículo sobre actuadores de fibra.
Los investigadores utilizaron un material conocido como elastómero de cristal líquido (LCE). La resina LCE, espesa y viscosa, se calienta y luego se exprime lentamente a través de una boquilla como una pistola de pegamento. A medida que sale la resina, se cura cuidadosamente usando luces ultravioleta que brillan en ambos lados de la fibra extruida lentamente. Crédito: Cortesía de investigadores.
En el artículo se le unen otros 11 investigadores del MIT y la Universidad Northeastern, incluidos sus asesores, el profesor Neil Gershenfeld, que dirige el Centro de Bits y Átomos, y Hiroshi Ishii, profesor Jerome B. Wiesner de Artes y Ciencias de los Medios y director de el Grupo de Medios Tangibles. La investigación se presentará en el Simposio ACM sobre software y tecnología de interfaz de usuario.
Materiales de procesamiento
Los investigadores del MIT querían una fibra que pudiera actuar silenciosamente y cambiar drásticamente su forma, y que al mismo tiempo fuera compatible con los procedimientos habituales de fabricación textil. Para conseguirlo, utilizaron un material conocido como elastómero de cristal líquido (LCE).
Un cristal líquido es una serie de moléculas que pueden fluir como un líquido, pero cuando se les permite sedimentar, se acumulan en una disposición cristalina periódica. Los investigadores integran estas estructuras cristalinas en una red de elastómero, que es elástica como una banda de goma.
A medida que el material LCE se calienta, las moléculas de cristal se desalinean y juntan la red de elastómero, lo que hace que la fibra se contraiga. Cuando se elimina el calor, las moléculas vuelven a su alineación original y el material a su longitud original, explica Forman.
Los investigadores del MIT utilizaron FibeRobo para demostrar varias aplicaciones, incluido un sostén deportivo adaptable hecho mediante bordado que se aprieta cuando el usuario comienza a hacer ejercicio. Crédito: Cortesía de investigadores.
Mezclando cuidadosamente productos químicos para sintetizar LCE, los investigadores pueden controlar las propiedades finales de la fibra, como su grosor o la temperatura a la que opera.
Han perfeccionado una técnica de preparación que crea fibra LCE que puede funcionar a temperaturas seguras para la piel, lo que la hace adecuada para telas portátiles.
“Hay muchas perillas que podemos girar. Fue mucho trabajo crear este proceso desde cero, pero al final nos da mucha libertad para la fibra resultante”, añade.
Sin embargo, los investigadores descubrieron que fabricar fibra a partir de resina LCE es un proceso complicado. Las técnicas existentes a menudo dan como resultado una masa fundida que es imposible de extender.
Los investigadores también están explorando otras formas de producir fibras funcionales, como incrustar cientos de chips digitales a microescala en un polímero, utilizar un sistema fluídico activado o incluir material piezoeléctrico que pueda convertir vibraciones sonoras en señales eléctricas.
Fabricación de fibras
Forman construyó una máquina utilizando piezas impresas en 3D y cortadas con láser y electrónica básica para superar los desafíos de fabricación. Inicialmente construyó la máquina como parte del curso de posgrado MAS.865 (Creación rápida de prototipos de máquinas de creación rápida de prototipos: cómo fabricar algo que haga [almost] Cualquier cosa).
Para comenzar, la resina LCE espesa y viscosa se calienta y luego se exprime lentamente a través de una boquilla similar a la de una pistola de pegamento. A medida que sale la resina, se cura cuidadosamente usando luces ultravioleta que brillan en ambos lados de la fibra extruida lentamente.
Si la luz es demasiado débil, el material se separará y goteará fuera de la máquina, pero si es demasiado brillante, se pueden formar grumos, lo que produce fibras desiguales.
Luego, la fibra se sumerge en aceite para obtener una capa resbaladiza y se vuelve a curar, esta vez con luces ultravioleta a potencia alta, creando una fibra fuerte y suave. Finalmente, se recoge en un carrete superior y se sumerge en polvo para deslizarlo fácilmente en las máquinas de fabricación textil.
Desde la síntesis química hasta la bobina terminada, el proceso dura aproximadamente un día y produce aproximadamente un kilómetro de fibra lista para usar.
También utilizaron una máquina de tejer industrial para crear una chaqueta de compresión para el perro del autor principal Jack Forman, cuyo nombre es Profesor. La chaqueta actuó y “abrazó” al perro basándose en una señal Bluetooth del teléfono inteligente de Forman. Crédito: Cortesía de investigadores.
“Al final del día, no quieres fibra de diva. Lo que se desea es una fibra que, cuando se trabaja con ella, encaje en el conjunto de materiales: una fibra con la que se pueda trabajar como cualquier otro material de fibra, pero que tenga muchas características nuevas e interesantes”, afirma Forman.
Crear una fibra de este tipo requirió muchas pruebas y errores, así como la colaboración de investigadores con experiencia en muchas disciplinas, desde la química hasta la ingeniería mecánica, desde la electrónica hasta el diseño.
La fibra resultante, llamada FibeRobo, puede contraerse hasta un 40 por ciento sin doblarse, funcionar a temperaturas seguras para la piel (la versión de la fibra segura para la piel se contrae hasta aproximadamente un 25 por ciento) y producirse en una configuración de bajo costo hasta 20 centavos por metro, que es aproximadamente 60 veces más barato que las fibras que cambian de forma disponibles comercialmente.
La fibra puede incorporarse a máquinas de coser y tricotar industriales, así como a procesos no industriales como telares manuales o crochet manual, sin necesidad de realizar modificaciones en el proceso.
Aplicaciones textiles y direcciones futuras
Los investigadores del MIT utilizaron FibeRobo para demostrar varias aplicaciones, incluido un sostén deportivo adaptable hecho mediante bordado que se aprieta cuando el usuario comienza a hacer ejercicio.
También utilizaron una máquina de tejer industrial para crear una chaqueta de compresión para el perro de Forman, cuyo nombre es Profesor. La chaqueta actuó y “abrazó” al perro basándose en una señal Bluetooth del teléfono inteligente de Forman. Las chaquetas de compresión se utilizan habitualmente para aliviar la ansiedad por separación que puede sentir un perro mientras su dueño está fuera.
En el futuro, los investigadores quieren modificar los componentes químicos de la fibra para que sea reciclable o biodegradable. También quieren acelerar el proceso de síntesis de polímeros para que los usuarios sin experiencia en laboratorios húmedos puedan hacerlo por sí mismos.
Forman está emocionado de ver las aplicaciones de FibeRobo que otros grupos de investigación identifican a medida que desarrollan estos resultados iniciales. A largo plazo, espera que FibeRobo pueda convertirse en algo que un fabricante pueda comprar en una tienda de manualidades, como un ovillo de hilo, y usarlo para producir fácilmente telas que se transforman.
“Las fibras LCE cobran vida cuando se integran en textiles funcionales. Es particularmente fascinante observar cómo los autores exploraron diseños textiles creativos utilizando una variedad de patrones de tejido y tejido”, dice Lining Yao, profesor asociado Cooper-Siegel de interacción persona-computadora en la Universidad Carnegie Mellon, que no participó en este trabajo. .
Referencia: “FibeRobo: Fabricación de interfaces de fibra 4D mediante estirado continuo de elastómeros de cristal líquido ajustables en temperatura” por Jack Forman, Ozgun Kilic Afsar,
Sarah Nicita, Rosalie Hsin-Ju Lin, Liu Yang, Megan Hofmann, Akshay Kothakonda, Zachary Gordon, Cedric Honnet, Kristen Dorsey, Neil Gershenfeld y Hiroshi Ishii, 29 de octubre de 2023, UIST ’23.
DOI: 10.1145/3586183.3606732
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Beca William Asbjornsen Albert Memorial, el Programa de Profesores Visitantes Dr. Martin Luther King Jr., Toppan Printing Co., Honda Research, el Consejo Chino de Becas y Shima Seiki. El equipo incluía a Ozgun Kilic Afsar, Sarah Nicita, Rosalie (Hsin-Ju) Lin, Liu Yang, Akshay Kothakonda, Zachary Gordon y Cedric Honnet del MIT; y Megan Hofmann y Kristen Dorsey de la Universidad Northeastern.