Нитевидные туфли-лодочки можно вплести в одежду

Инфракрасное изображение встроенных насосов

Сегодня для многих носимых вспомогательных технологий на жидкостной основе требуется большой и шумный насос, который нецелесообразно — если не невозможно — интегрировать в одежду. Это приводит к противоречию: носимые устройства обычно привязаны к неносимым насосам. Теперь исследователи из Лаборатории мягких преобразователей (LMTS) Инженерной школы разработали элегантно простое решение этой дилеммы.

«Мы представляем первый в мире насос в форме волокна, по сути, трубки, которая создает собственное давление и скорость потока», — говорит глава LMTS Герберт Ши. «Теперь мы можем вшивать наши волокнистые насосы непосредственно в текстиль и одежду, оставляя позади обычные насосы».

Исследование опубликовано в журнале Science.

Легкий, мощный и моющийся

Лаборатория Ши известна своей дальновидной работой с жидкостями. В 2019 году они выпустили первый в мире растягивающийся насос.

«Эта работа основана на нашем предыдущем поколении мягких насосов», — говорит Майкл Смит, постдокторский исследователь LMTS и ведущий автор исследования. «Формат волокна позволяет нам делать более легкие и мощные насосы, которые по своей сути лучше совместимы с носимыми технологиями».

Тепловизионное изображение термальной тактильной перчатки, когда отдельные волоконные насосы активируются один за другим. Видео в реальном времени.

Волоконные насосы LMTS используют принцип, называемый электрогидродинамикой с впрыском заряда (EHD), для создания потока жидкости без каких-либо движущихся частей. Два спиральных электрода, встроенные в стенку насоса, ионизируют и ускоряют молекулы специальной непроводящей жидкости. Движение ионов и форма электрода создают чистый прямой поток жидкости, что обеспечивает бесшумную работу без вибраций и требует блока питания и батареи размером с ладонь.

Чтобы создать уникальную конструкцию насоса, исследователи разработали новую технологию изготовления, которая включает скручивание медных проводов и полиуретановых нитей вокруг стального стержня, а затем их сплавление при нагревании. После удаления стержня волокна толщиной 2 мм можно интегрировать в текстиль с использованием стандартных методов ткачества и шитья.

Простая конструкция насоса имеет ряд преимуществ. Требуемые материалы дешевы и легко доступны, а производственный процесс можно легко масштабировать. Поскольку величина давления, создаваемого насосом, напрямую связана с его длиной, трубки можно обрезать в соответствии с применением, оптимизируя производительность при минимальном весе. Прочную конструкцию также можно мыть обычными моющими средствами.

От экзоскелетов к виртуальной реальности

Авторы уже продемонстрировали, как эти волоконные насосы можно использовать в новых интересных носимых технологиях. Например, они могут циркулировать горячей и холодной жидкостью через одежду для тех, кто работает в экстремальных температурных условиях или в терапевтических условиях, чтобы помочь справиться с воспалением; и даже для тех, кто хочет оптимизировать спортивные результаты.

«В любом случае для этих применений требуются трубки большой длины, а в нашем случае трубка — это насос. Это означает, что мы можем создавать очень простые и легкие гидравлические контуры, которые удобно и комфортно носить», — говорит Смит.

В исследовании также описываются искусственные мышцы, сделанные из ткани, и встроенные волоконные насосы, которые можно использовать для питания мягких экзоскелетов, помогающих пациентам двигаться и ходить.

Насос может даже принести новое измерение в мир виртуальной реальности, имитируя ощущение температуры. В этом случае пользователи надевают перчатку с помпами, наполненными горячей или холодной жидкостью, что позволяет им чувствовать изменения температуры в ответ на контакт с виртуальным объектом.

Насосы, интегрированные в перчатку

Заряжен на будущее

Исследователи уже стремятся улучшить производительность своего устройства. «Насосы уже работают хорошо, и мы уверены, что, приложив дополнительные усилия, мы сможем продолжать совершенствоваться в таких областях, как эффективность и срок службы», — говорит Смит. Работа по увеличению производства волоконных насосов уже началась, и LMTS также планирует встроить их в более сложные носимые устройства.

«Мы считаем, что это нововведение изменит правила игры для носимых устройств», — говорит Ши.