المنسوجات الذكية تستشعر بدقة كيفية تحرك مستخدميها
يطور باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نسيجًا مريحًا ومناسبًا للقوام يتعرف بدقة على أنشطة مرتديه، مثل المشي والجري والقفز.
باستخدام عملية تصنيع جديدة، أنتج العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا منسوجات ذكية تتوافق بشكل مريح مع الجسم حتى يتمكنوا من الشعور بدقة بموقف وحركات مرتديها.
من خلال دمج نوع خاص من خيوط البلاستيك واستخدام الحرارة لإذابه قليلاً – وهي عملية تُعرف باسم التشكيل الحراري – تمكن الباحثون بشكل كبير من تحسين دقة مستشعرات الضغط المنسوجة في المنسوجات المتماسكة متعددة الطبقات، والتي يسمونها 3DKnITS.
باستخدام هذه العملية، قاموا بإنشاء حذاء وحصيرة “ذكية”، ثم طوروا جهازًا ونظامًا برمجيًا لقياس وتفسير البيانات من مستشعرات الضغط في الوقت الفعلي.
تنبأ نظام التعلم الآلي بالحركات وأوضاع اليوجا التي يؤديها فرد يقف على حصيرة النسيج الذكية بدقة تصل إلى 99 بالمائة.
من خلال الاستفادة من تقنية الحياكة الرقمية، تتيح عملية التصنيع الخاصة بهم إنشاء نماذج أولية سريعة ويمكن توسيع نطاقها بسهولة للتصنيع على نطاق واسع، كما يقول إيرماندي ويكاكسونو ، مساعد باحث في MIT Media Lab والمؤلف الرئيسي لورقة تقدم 3DKnITS.
من خلال دمج نوع خاص من خيوط البلاستيك واستخدام الحرارة لصهرها قليلاً – وهي عملية تسمى التشكيل الحراري – تمكن الباحثون بشكل كبير من تحسين دقة أجهزة استشعار الضغط المنسوجة في منسوجات متماسكة متعددة الطبقات، والتي يسمونها 3DKnITS. الائتمان: إيرماندي ويكاكسونو
يمكن أن يكون لهذه التقنية العديد من التطبيقات، خاصة في مجال الرعاية الصحية وإعادة التأهيل.
على سبيل المثال، يمكن استخدامه لإنتاج أحذية ذكية تتعقب مشية شخص يتعلم المشي مرة أخرى بعد الإصابة، أو الجوارب التي تراقب الضغط على قدم مريض السكري لمنع تكون القرح.
يقول Wicaksono: “مع الحياكة الرقمية، لديك هذه الحرية في تصميم الأنماط الخاصة بك وأيضًا دمج المستشعرات داخل الهيكل نفسه، بحيث يصبح سلسًا ومريحًا، ويمكنك تطويره بناءً على شكل جسمك”.
كتب الورقة مع طلاب البكالوريوس في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Peter G.Hwang ، و Samir Droubi ، و Allison N. Serio من خلال برنامج فرص البحث الجامعي.
فراني شي وو ، خريج حديث من كلية ويليسلي ؛ وي يان، الأستاذ المساعد في جامعة نانيانغ التكنولوجية؛ وكبير المؤلفين جوزيف إيه باراديسو ، أستاذ ألكسندر دبليو دريفوس ومدير مجموعة البيئات المستجيبة داخل Media Lab.
سيتم تقديم البحث في مؤتمر IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.
“حدثت بعض الأعمال الرائدة المبكرة على الأقمشة الذكية في Media Lab في أواخر التسعينيات. لقد تطورت المواد، والإلكترونيات القابلة للتضمين، وآلات التصنيع بشكل كبير منذ ذلك الحين، “يقول باراديسو.
“إنه وقت رائع لرؤية أبحاثنا تعود إلى هذه المنطقة، على سبيل المثال من خلال مشاريع مثل Irmandy’s – فهي تشير إلى مستقبل مثير حيث تنتشر الاستشعار والوظائف بشكل أكثر مرونة في المواد وتفتح إمكانيات هائلة.”
معرفة الحياكة
لإنتاج نسيج ذكي، استخدم الباحثون آلة حياكة رقمية تنسج معًا طبقات من القماش مع صفوف من الخيوط القياسية والوظيفية.
يتكون النسيج المحبوك متعدد الطبقات من طبقتين من خيوط الغزل الموصلة المحبوكة حول نسيج مقاوم للضغط، مما يغير مقاومته عند الضغط عليه.
باتباع نمط معين، تقوم الآلة بخياطة هذا الخيط الوظيفي في جميع أنحاء النسيج في صفوف أفقية ورأسية. يشرح ويككسونو أنه عندما تتقاطع الألياف الوظيفية، فإنها تخلق مستشعرًا للضغط.
لكن الغزل ناعم ومرن، لذا فإن الطبقات تتغير وتحتك ببعضها عندما يتحرك من يرتديها. هذا يولد ضوضاء ويسبب تقلبات تجعل مستشعرات الضغط أقل دقة.
توصل Wicaksono إلى حل لهذه المشكلة أثناء عمله في مصنع حياكة في Shenzhen ، الصين، حيث أمضى شهرًا في تعلم برمجة آلات الحياكة الرقمية وصيانتها.
شاهد عمالًا يصنعون أحذية رياضية باستخدام خيوط لدن بالحرارة تبدأ في الذوبان عند تسخينها فوق 70 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تصلب النسيج قليلاً حتى يتمكن من الحصول على شكل دقيق.
قرر محاولة دمج الألياف الذائبة والتشكيل الحراري في عملية تصنيع المنسوجات الذكية.
لإنتاج نسيج ذكي، استخدم الباحثون آلة حياكة رقمية تنسج معًا طبقات من القماش مع صفوف من الخيوط القياسية والوظيفية.
يتكون النسيج المحبوك متعدد الطبقات من طبقتين من خيوط الغزل الموصلة المحبوكة حول نسيج مقاوم للضغط، مما يغير مقاومته عند الضغط عليه. الائتمان: إيرماندي ويكاكسونو
“يعمل التشكيل الحراري على حل مشكلة الضوضاء حقًا لأنه يقوي النسيج متعدد الطبقات في طبقة واحدة عن طريق ضغط وصهر النسيج بالكامل معًا، مما يحسن الدقة.
يسمح لنا هذا التشكيل الحراري أيضًا بإنشاء أشكال ثلاثية الأبعاد، مثل الجورب أو الحذاء، والتي تناسب في الواقع الحجم الدقيق وشكل المستخدم، “كما يقول.
بمجرد إتقان عملية التصنيع، احتاج Wicaksono إلى نظام لمعالجة بيانات مستشعر الضغط بدقة.
نظرًا لأن القماش متماسك كشبكة، فقد صمم دائرة لاسلكية تقوم بمسح الصفوف والأعمدة على القماش وتقيس المقاومة عند كل نقطة.
لقد صمم هذه الدائرة للتغلب على القطع الأثرية الناتجة عن غموض “الظلال”، والذي يحدث عندما يمارس المستخدم ضغطًا على نقطتين منفصلتين أو أكثر في وقت واحد.
مستوحاة من تقنيات التعلم العميق لتصنيف الصور، ابتكر Wicaksono نظامًا يعرض بيانات مستشعر الضغط كخريطة حرارة.
يتم تغذية هذه الصور بنموذج التعلم الآلي، والذي يتم تدريبه على اكتشاف الموقف أو الوضع أو الحركة للمستخدم بناءً على صورة خريطة الحرارة.
تحليل الأنشطة
بمجرد تدريب النموذج، يمكنه تصنيف نشاط المستخدم على السجادة الذكية (المشي والجري والقيام بعمليات الضغط وما إلى ذلك) بدقة تصل إلى 99.6 بالمائة ويمكنه التعرف على سبع وضعيات يوغا بدقة 98.7 بالمائة.
استخدموا أيضًا آلة حياكة دائرية لإنشاء حذاء نسيج ذكي ملائم للشكل مع 96 نقطة استشعار للضغط موزعة على النسيج ثلاثي الأبعاد بالكامل.
استخدموا الحذاء لقياس الضغط الذي تمارسه على أجزاء مختلفة من القدم عندما يركل مرتديها كرة قدم.
يمكن أن تجعل الدقة العالية لـ 3DKnITS مفيدة للتطبيقات في الأطراف الصناعية، حيث تكون الدقة ضرورية.
يمكن لبطانة نسيج ذكية أن تقيس الضغط الذي يضعه طرف اصطناعي على التجويف، مما يمكّن فني الأطراف الاصطناعية من رؤية مدى ملاءمة الجهاز بسهولة، كما يقول ويكاكسونو.
كما يستكشف هو وزملاؤه المزيد من التطبيقات الإبداعية. بالتعاون مع مصمم صوت وراقص معاصر، طوروا سجادة نسيجية ذكية تحرك النوتات الموسيقية ومقاطع الصوت بناءً على خطوات الراقص، لاستكشاف العلاقة ثنائية الاتجاه بين الموسيقى وتصميم الرقصات. تم تقديم هذا البحث مؤخرًا في مؤتمر ACM للإبداع والإدراك.
يقول: “لقد تعلمت أن التعاون متعدد التخصصات يمكن أن يخلق بعض التطبيقات الفريدة حقًا”.
الآن وقد أثبت الباحثون نجاح تقنية التصنيع الخاصة بهم، يخطط Wicaksono لتحسين نموذج التعلم الآلي والدائرة.
حاليًا، يجب معايرة النموذج لكل فرد قبل أن يتمكن من تصنيف الإجراءات، وهي عملية تستغرق وقتًا طويلاً. ستؤدي إزالة خطوة المعايرة إلى تسهيل استخدام تقنية 3DKnITS. يريد الباحثون أيضًا إجراء اختبارات على الأحذية الذكية خارج المختبر لمعرفة كيف تؤثر الظروف البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة على دقة أجهزة الاستشعار.
“إنه لأمر مدهش دائمًا رؤية التكنولوجيا تتقدم بطرق ذات مغزى كبير. يقول إريك بركسون ، الأستاذ المساعد في جراحة العظام في كلية الطب بجامعة هارفارد، إنه أمر لا يصدق أن نفكر في أن الملابس التي نرتديها، أو كم الذراع أو الجورب، يمكن إنشاؤها بطرق يمكن من خلالها استخدام هيكلها ثلاثي الأبعاد للاستشعار.
جراح العظام والطب الرياضي في مستشفى ماساتشوستس العام، والذي لم يشارك في هذا البحث.
“في المجال الطبي، وفي الطب الرياضي لتقويم العظام على وجه التحديد، توفر هذه التقنية القدرة على اكتشاف الحركة وتصنيفها بشكل أفضل والتعرف على أنماط توزيع القوة في مواقف العالم الحقيقي (خارج المختبر).
هذا هو نوع التفكير الذي سيعزز أساليب الوقاية من الإصابات والكشف عنها ويساعد في تقييم إعادة التأهيل وتوجيهه “.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
