Куртка может поднимать и опускать собственный капюшон — без чипов или батареек — и однажды может помочь людям с ограниченными возможностями передвигаться.
Дэн ПРЕСТОН входит в респектабельной, неприметной рубашке на пуговицах. Его личный стиль может склоняться к традиционному, но инженер-механик Университета Райса здесь, чтобы рассказать мне о своей новой креативной модной разработке. Его команда создала блестящий черный пиджак, который выполняет логические действия без электроники. В частности, куртка может поднимать и опускать свой капюшон одним нажатием кнопки, а также содержит простую 1-битную память, которая хранит состояние капюшона. Или, как говорит Престон, это "неэлектронная долговечная логика в устройстве на основе текстиля".
Здесь нам нужно подчеркнуть дикость этой конструкции. Толстовка не содержит Arduino или каких-либо полупроводниковых чипов. В ней нет батарей. Престон и его команда нарезали куски коммерческой нейлоновой тафты и склеили их вместе, чтобы сформировать надувные мешочки размером примерно с половину визитной карточки. Соединив пакеты с небольшими мягкими трубками, они встроили их в куртку. Нажатие кнопок на куртке управляет потоком воздуха из баллона с углекислым газом через пакеты. Пакеты складываются и разворачиваются, образуя перегибы, которые либо надувают, либо сдувают подушку безопасности в капюшоне, заставляя его подниматься и опускаться.
На первый взгляд, куртка больше похожа на велосипедную шину, чем на компьютер. Но можно рассматривать наполненные воздухом пакеты на куртке как аналог электронных транзисторов, говорит Престон. В электронных схемах транзисторы управляют потоком электронов, или электрическим током, в зависимости от напряжения в цепи. "Мы просто заменяем напряжение на давление, а ток - на поток жидкости, которой в данном случае является воздух", - говорит он.
Например, команда создала воздушный затвор NOT. В электронной схеме затвор получает на вход некоторое значение, например, 1, что соответствует высокому напряжению, и меняет его на 0, или низкое напряжение. В случае с капюшоном воздух, поступающий в чехол, может находиться под высоким давлением, а чехол может преобразовать его в низкое давление, или наоборот. Технология берет свое начало в оборонных приложениях времен холодной войны, когда инженеры разрабатывали логические устройства на основе воздуха, потому что противники не могли помешать им с помощью электромагнитных импульсов.
"Я очень рад видеть, как люди радикально продвигаются вперед в области носимых устройств"
Говорит инженер-механик Майкл Вехнер из Университета Висконсин-Мэдисон, который не принимал участия в работе. Использование командой ткани и логики на основе воздуха, также известной как пневматическая логика, является особенно новым. Носимые устройства, такие как Fitbit и Apple Watch, обычно являются "скромными адаптациями традиционных устройств", - говорит Вехнер.
Куртка относится к категории "мягких роботов", которые представляют собой автоматизированные, программируемые машины, изготовленные из гибких материалов, таких как резина, силикон или ткань. В последние годы исследователи начали разрабатывать мягких роботов для потенциальной работы рядом с человеком. Как правило, они двигаются с меньшей точностью, чем их аналоги из твердого металла, но при этом имеют более мягкое прикосновение. "Если вы работаете и вас ударяет [жесткий] робот, то, если повезет, вы попадете в больницу", - говорит Вехнер. "Если же вас ударит мягкий робот - эта большая подушка безопасности - все смеются и хорошо проводят время".
Другими словами, мягкие роботы должны легче и безопаснее интегрироваться в обычную человеческую деятельность. Поскольку логические элементы Престона сделаны из ткани, "умная" куртка больше похожа на обычную, чем на пальто, напичканное электроникой или другими жесткими компонентами. "Человеку очень легко адаптироваться к ней и не чувствовать, что на нем что-то странное", - говорит инженер-механик Венлонг Чжан из Университета штата Аризона, который не принимал участия в работе.
Кроме того, тканевый компьютер более устойчив к внешним воздействиям, чем полупроводниковый". Чтобы проверить прочность куртки, команда поместила компонент, состоящий из нескольких тканевых пакетов, в сетчатый мешок и пропустила его через стиральную машину 20 раз. Они также проверили его на пикапе Toyota Tacoma 2002 года - сценарии, "которые можно ожидать от традиционного предмета одежды в экстремальных ситуациях в течение его жизни", - говорит Престон. Чехлы по-прежнему работали. Представьте себе, как это сделать с Apple Watch.
Хотя куртка в основном демонстрирует осуществимость логики на основе одежды, команда также считает, что она может помочь людям с ограниченными возможностями, которым трудно поднять или опустить капюшон. В дополнение к куртке они сделали рубашку, которая может помочь человеку поднять руку в плечевом суставе. Рубашка содержит воздушные мешочки на туловище, которые накачивают гармошкоподобный сильфон под мышкой. "До четверти людей в Соединенных Штатах сообщают о том, что им трудно поднять 10-фунтовый предмет", - говорит Престон.
Но команда надеется в дальнейшем расширить масштабы. Престон говорит, что они находятся на ранних стадиях создания компании, чтобы сделать технологию доступной для потребителей. Они также хотели бы проверить безопасность этой одежды в клинических испытаниях, чтобы люди могли использовать ее в медицинских учреждениях.
Пока что логика, которую может выполнять куртка, проста. Но команда Престона разработала компоненты таким образом, чтобы будущие устройства могли последовательно комбинировать их для выполнения более сложных вычислительных задач. Например, будущая куртка может содержать датчик температуры, и одежда сможет включать измерения этого датчика в свои действия. "Мы можем эмулировать любую функциональность электронного компьютера", - говорит Престон. "Конечно, на это может уйти немного больше времени, но это физически возможно".
По словам Престона, существующая куртка может выполнять одну логическую операцию в секунду по сравнению с более чем миллиардом операций в секунду, характерных для домашнего компьютера. На практике это означает, что куртка может выполнять только короткие последовательности команд. Из-за скорости логики, а также некоторых других инженерных проблем, Чжан говорит, что, по его мнению, потребуется от пяти до 10 лет, чтобы эти роботы на основе текстиля достигли коммерческой зрелости.
В будущем команда Престона планирует отказаться от баллона с углекислым газом, который является непрактичным. (Вместо этого команда хочет просто использовать окружающий воздух для накачивания куртки. В рамках отдельного проекта команда уже разработала стельку из пены для обуви, которая нагнетает окружающий воздух в пузырь, надеваемый на талию, когда пользователь делает шаг. Они планируют интегрировать подобную конструкцию в куртку.
Престон также планирует, что одежда будет чувствовать и реагировать на потребности пользователя. Например, датчик на будущей одежде может определять, когда пользователь начинает поднимать руку, и надувать ее без нажатия кнопки. "На основе некоторых стимулов из окружающей среды и текущего состояния логическая система может позволить носимому роботу выбрать, что делать", - говорит он. Будем ждать, когда эта модная тенденция взорвется.
