Wiele technologii wspomagających opartych na płynach wymaga obecnie dużej i hałaśliwej pompy, której integracja z odzieżą jest niepraktyczna – jeśli nie niemożliwa. Prowadzi to do sprzeczności: urządzenia do noszenia są rutynowo przywiązane do pomp, których nie można nosić. Teraz naukowcy z Laboratorium Miękkich Przetworników (LMTS) w School of Engineering opracowali elegancko proste rozwiązanie tego dylematu.
„Przedstawiamy pierwszą na świecie pompę w postaci światłowodu, w istocie rurki, która wytwarza własne ciśnienie i natężenie przepływu” — mówi Herbert Shea, szef LMTS. „Teraz możemy wszywać nasze czółenka z włókna bezpośrednio do tekstyliów i odzieży, pozostawiając w tyle konwencjonalne czółenka”.
Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Science.
Lekki, mocny… i zmywalny
Laboratorium Shea ma historię przyszłościowej techniki płynów. W 2019 roku wyprodukowali pierwszą na świecie rozciągliwą pompkę.
„Ta praca opiera się na naszej poprzedniej generacji miękkiej pompy” – mówi Michael Smith, doktor habilitowany LMTS i główny autor badania. „Format włókna pozwala nam tworzyć lżejsze, mocniejsze pompy, które są z natury bardziej kompatybilne z technologią noszenia”.
Pompy światłowodowe LMTS wykorzystują zasadę zwaną elektrohydrodynamiką wtrysku ładunku (EHD), aby generować przepływ płynu bez żadnych ruchomych części. Dwie spiralne elektrody osadzone w ściance pompy jonizują i przyspieszają cząsteczki specjalnej nieprzewodzącej cieczy. Ruch jonów i kształt elektrod generują przepływ płynu do przodu, co skutkuje cichą, pozbawioną wibracji pracą i wymaga jedynie zasilacza i baterii wielkości dłoni.
Aby uzyskać unikalną strukturę pompy, naukowcy opracowali nowatorską technikę wytwarzania, która polega na skręcaniu drutów miedzianych i nici poliuretanowych wokół stalowego pręta, a następnie stapianiu ich za pomocą ciepła. Po usunięciu pręta włókna 2 mm można zintegrować z tekstyliami przy użyciu standardowych technik tkania i szycia.
Prosta konstrukcja pompy ma wiele zalet. Wymagane materiały są tanie i łatwo dostępne, a proces produkcyjny można łatwo zwiększyć. Ponieważ wielkość ciśnienia generowanego przez pompę jest bezpośrednio związana z jej długością, rury można przycinać w celu dopasowania do zastosowania, optymalizując wydajność przy jednoczesnym minimalizowaniu masy. Solidną konstrukcję można również prać konwencjonalnymi detergentami.
Od egzoszkieletów do rzeczywistości wirtualnej
Autorzy zademonstrowali już, w jaki sposób te pompy z włókna mogą być wykorzystywane w nowych i ekscytujących technologiach ubieralnych. Na przykład mogą przepuszczać gorące i zimne płyny przez odzież dla osób pracujących w środowiskach o ekstremalnych temperaturach lub w warunkach terapeutycznych, aby pomóc w leczeniu stanów zapalnych; a nawet dla tych, którzy chcą zoptymalizować wyniki sportowe.
„Takie zastosowania i tak wymagają długich rurek, aw naszym przypadku rurką jest pompa. Oznacza to, że możemy tworzyć bardzo proste i lekkie obwody przepływowe, które są wygodne i wygodne w noszeniu” — mówi Smith.
W badaniu opisano również sztuczne mięśnie wykonane z tkaniny i pomp z osadzonymi włóknami, które można wykorzystać do zasilania miękkich egzoszkieletów, aby pomóc pacjentom poruszać się i chodzić.
Pompa mogłaby nawet nadać nowy wymiar światu wirtualnej rzeczywistości, symulując odczuwanie temperatury. W tym przypadku użytkownicy noszą rękawice z pompkami wypełnionymi gorącym lub zimnym płynem, co pozwala im odczuwać zmiany temperatury w odpowiedzi na kontakt z wirtualnym przedmiotem.
Napompowany na przyszłość
Naukowcy już teraz starają się poprawić wydajność swojego urządzenia. „Pompy już teraz działają dobrze i jesteśmy przekonani, że dzięki większej pracy będziemy mogli nadal wprowadzać ulepszenia w obszarach takich jak wydajność i żywotność”, mówi Smith. Rozpoczęły się już prace nad zwiększeniem skali produkcji pomp z włókien, a LMTS planuje również wbudowanie ich w bardziej złożone urządzenia do noszenia.
„Wierzymy, że ta innowacja zmieni reguły gry w technologii ubieralnej” — mówi Shea.