变形纤维可以生产变形织物

想象一下，与其每个季节都穿一件外套，不如想象一件可以动态改变形状的夹克，这样它就会变得更加保暖，随着温度的下降，它会让你保持温暖。

由麻省理工学院研究人员组成的跨学科团队开发的可编程驱动光纤有朝一日可以使这一愿景成为现实。这种纤维被称为FibeRobo，它随着温度的升高而收缩，然后在温度降低时自动反转，没有任何嵌入式传感器或其他硬组件。

这种低成本纤维与纺织制造技术完全兼容，包括织机、刺绣和工业针织机，可以连续生产公里。这使设计人员能够轻松地将驱动和传感功能整合到各种织物中，用于各种应用。

纤维还可以与导电线结合使用，当电流流过它时，导电线充当加热元件。通过这种方式，纤维使用电力驱动，这为用户提供了对纺织品形式的数字控制。例如，织物可以根据任何数字信息改变形状，例如来自心率传感器的读数。

“我们什么都用纺织品。我们用纤维增强复合材料制造飞机，我们用辐射屏蔽织物覆盖国际空间站，我们将它们用于个人表达和性能服装。我们的环境很大程度上是适应性和响应性的，但需要最具适应性和响应性的一件事 – 纺织品 – 是完全惰性的，“麻省理工学院媒体实验室有形媒体小组的研究生杰克福尔曼说，他在比特和原子中心有二级隶属关系，也是一篇关于致动纤维的论文的主要作者。

麻省理工学院和东北大学的其他11名研究人员也加入了这篇论文，其中包括他的导师Neil Gershenfeld教授，他领导了Bits and Atoms中心，以及Jerome B. Wiesner媒体艺术与科学教授和Tangible Media Group主任Hiroshi Ishii。 该研究将在ACM用户界面软件和技术研讨会上发表。

变形材料

目前的变形纤维存在缺陷，在很大程度上阻碍了它们被纳入实验室环境以外的纺织品中。

一种被称为变形合金的纤维仅收缩约5%，不会自动反转，并且经常在几次驱动后停止工作。另一个称为 McKibben 执行器，由气动驱动，需要空气压缩机来驱动。

麻省理工学院的研究人员想要一种可以无声地驱动并显着改变其形状的纤维，同时与常见的纺织品制造程序兼容。为了实现这一目标，他们使用了一种称为液晶弹性体（LCE）的材料。

液晶是一系列可以像液体一样流动的分子，但当它们沉降时，它们会堆叠成周期性的晶体排列。研究人员将这些晶体结构整合到弹性体网络中，该网络像橡皮筋一样具有弹性。

当LCE材料升温时，晶体分子会失去排列，并将弹性体网络拉在一起，导致纤维收缩。当热量被带走时，分子会恢复到原来的排列，材料会恢复到原来的长度，福尔曼解释说。

通过仔细混合化学物质来合成LCE，研究人员可以控制纤维的最终特性，例如其厚度或启动温度。

他们完善了一种制备技术，可以制造出可以在皮肤安全温度下起作用的LCE纤维，使其适用于可穿戴织物。

“我们可以转动很多旋钮。从头开始设计这个过程需要做很多工作，但最终它为最终的纤维提供了很大的自由度，“他补充道。

然而，研究人员发现，用LCE树脂制造纤维是一个挑剔的过程。现有技术通常会导致无法展开的熔融质量。

研究人员还在探索制造功能性纤维的其他方法，例如将数百个微尺度数字芯片整合到聚合物中，利用激活的流体系统，或包括可以将声音振动转换为电信号的压电材料。

纤维制造

Forman 使用 3D 打印和激光切割零件以及基本电子设备制造了一台机器，以克服制造挑战。他最初将这台机器作为研究生课程 MAS.865（快速成型机器的快速原型制作：如何制造 [几乎] 任何东西的东西）的一部分。

首先，将粘稠的LCE树脂加热，然后像胶枪一样通过喷嘴缓慢挤压。当树脂出来时，使用照射在缓慢挤出的纤维两侧的紫外线仔细固化。

如果光线太暗，材料会分离并从机器中滴出，但如果光线太亮，就会形成团块，从而产生凹凸不平的纤维。

然后将纤维浸入油中，使其具有光滑的涂层并再次固化，这次将紫外线灯调到最大，从而形成坚固而光滑的纤维。最后，它被收集到顶部线轴中并浸入粉末中，这样它就可以很容易地滑入纺织制造机器中。

从化学合成到成品线轴，该过程大约需要一天时间，并生产大约一公里的即用型纤维。

“归根结底，你不想要女主角纤维。你想要一种纤维，当你使用它时，它属于材料的集合体——你可以像任何其他纤维材料一样使用它，但它具有许多令人兴奋的新功能，“福尔曼说。

创造这种纤维需要大量的试验和错误，以及具有许多学科专业知识的研究人员的合作，从化学到机械工程，从电子学到设计。

由此产生的纤维称为FibeRobo，可以在不弯曲的情况下收缩高达40%，在皮肤安全的温度下启动（皮肤安全的纤维版本收缩高达约25%），并且以每米20美分的低成本设置生产，这比市售的变形纤维便宜约60倍。

这种纤维可以用于工业缝纫机和针织机，以及手工织机或手工钩编等非工业工艺，而无需进行任何工艺修改。

麻省理工学院的研究人员使用FibeRobo演示了几种应用，包括一种由刺绣制成的自适应运动胸罩，当用户开始锻炼时，这种胸罩会收紧。

他们还使用工业针织机为福尔曼的狗制作了一件压缩夹克，福尔曼的狗名叫教授。这件夹克会根据福尔曼智能手机的蓝牙信号启动并“拥抱”狗。压缩夹克通常用于缓解狗在主人不在时可能感受到的分离焦虑。

未来，研究人员希望调整纤维的化学成分，使其可回收或可生物降解。他们还希望简化聚合物合成过程，以便没有湿实验室专业知识的用户也可以自己制作。

Forman很高兴看到其他研究小组在这些早期结果的基础上确定FibeRobo应用。从长远来看，他希望FibeRobo可以成为制造商可以在工艺品商店购买的东西，就像毛线球一样，并用于轻松生产变形织物。

“当LCE纤维集成到功能性纺织品中时，它们就会栩栩如生。观察作者如何使用各种编织和针织图案探索创造性的纺织品设计，这尤其令人着迷，“卡内基梅隆大学Cooper-Siegel人机交互副教授Lining Yao说，他没有参与这项工作。

这项研究得到了威廉·阿斯比约森·阿尔伯特纪念奖学金、马丁·路德·金博士客座教授计划、凸版印刷公司、本田研究院、中国国家留学基金委和志摩精机的部分支持。该团队包括麻省理工学院的 Ozgun Kilic Afsar、Sarah Nicita、Rosalie （Hsin-Ju） Lin、Liu Yang、Akshay Kothakonda、Zachary Gordon 和 Cedric Honnet;以及东北大学的梅根·霍夫曼（Megan Hofmann）和克里斯汀·多尔西（Kristen Dorsey）。