萊斯大學喬治·布朗工程學院的工程師們正致力于將衣服變成電腦——而且不用電。
該團隊開發了一套基于紡織品的氣動計算機，能夠進行數字邏輯、板載存儲和用戶交互。“流體數字邏輯”的使用利用了空氣如何流經一系列扭曲的通道來形成比特——計算機存儲器中的1和0。
這一概念的核心是“非”門——計算機電路的一個基本組成部分，也稱為反相器。這個邏輯門的輸出是輸入的反相。在電子電路中，閘門是開或關的(1或0)，但氣動閘門用“高”或“低”氣壓來代替這些術語。
工程師們已經將流體邏輯元件設計到服裝中，以幫助功能受限的人在沒有電子輔助的情況下執行任務。
這個想法是讓這種基于紡織品的邏輯門支持氣動執行器，可能與Rice團隊開發的能量收集系統相結合，以幫助功能受限的人在沒有電子輔助的情況下執行任務。這種裝置可以消除佩戴者攜帶笨重動力裝置的需要。
批量生產
萊斯大學機械工程助理教授丹尼爾·普雷斯頓(Daniel Preston)表示，該實驗室的邏輯紡織品可以使用現有的織物制造工藝進行大規模生產，并且具有足夠的彈性，可以承受日常使用。嵌入式大門既舒適又堅固，足以讓卡車駛過而不損壞它們。
普雷斯頓說:“使用流體構建數字邏輯電路的想法并不新鮮，事實上，在過去的十年里，人們一直在努力在彈性體等軟材料中實現流體邏輯。”“到目前為止，還沒有人采取措施在片狀材料中實現這一點——這需要從基本原則出發重新設計整個方法。”
該實驗室在幫助用戶進行身體運動的設備上測試了其邏輯，并在一個系統上測試了一個按鈕，不用電來調節溫度。
“我們認為有很多方法可以幫助人們進行日常活動，”普雷斯頓說。“我們要研究的下一個領域是感知意圖。一旦佩戴者開始一個動作過程，我們就可以為該動作的剩余部分提供幫助。
“例如，你可能開始抓住一個物體，如果系統感知到你的意圖，它會幫助你握緊你的手，這樣你就可以舉起它。”
“我們認為，在最基本的層面上，邏輯元件包含一個繼電器和一個流體阻力器，”賴斯博士后研究員Anoop Rajappan補充說。這相當于將一個電子繼電器或晶體管與電阻器配對，這是典型的晶體管-電阻器邏輯的基礎。
氣動系統依賴于一個概念，普雷斯頓將其描述為數學設計的扭結幾何形狀，在壓力可控閥中實現，該閥切斷空氣流動，就像彎曲的花園軟管停止供水一樣。
基于紡織品的氣動計算機的核心元件是扭結閥，它模擬計算機中的非門或反相器，其輸出與輸入相反。
每個閥門大約一平方英寸大小，層壓在紡織品上，已經證明足夠堅固，可以處理20，000次開關循環和100萬次彎曲循環，以及標準家用洗衣機中的20次循環。
額外肢體
利用其基于紡織品的能量收集系統，該團隊已經建造了一個額外的肢體，能夠抓住物體并行走，僅由壓縮空氣提供動力。
原型“手臂”是一塊織物，在不使用時擁抱身體，但在激活時向外伸出，并在表面加入一層彈性體襯里，以保持其對光滑物體的抓力。普雷斯頓說，未來的版本可能會有傳感器來預測佩戴者的意圖并完成運動。
通過行走提供動力，一件腋下裝有風箱狀致動器的襯衫可以膨脹，使穿著者能夠撿起10磅重的物體。
除了可以在用戶雙手滿滿的情況下抓住杯子或其他小物體的卷曲臂，萊斯實驗室還制作了一款襯衫，在腋窩處安裝了一個風箱狀的致動器，它可以膨脹，使穿著者能夠撿起十磅重的物體。在人體模型上測試服裝表明，它可以在沒有人類肌肉幫助的情況下做到這一點。
該系統需要兩個組件——嵌入步行鞋鞋底的紡織泵，用于收集氣壓，以及在需要時利用氣壓的氣動執行器。這些高跟鞋填充了開孔聚氨酯泡沫，使它們在每次行走后都能恢復原狀。
普雷斯頓說，一個設備的所有組件花費了實驗室大約20美元。該產品組裝簡單，堅固耐用，可在洗衣機中清洗，性能不會下降。
“這種制造方法使用的技術已經在服裝行業得到應用，比如切割紡織品，然后用熱和壓力將它們粘合起來，”他說。我們準備考慮將我們的工作轉化為產品。"
除了測試單元，該實驗室還開發了數學模型，根據用戶的體重和行走速度等參數來預測輔助設備的性能。
普雷斯頓補充說:“現在我們正在提供動力，我們可以利用所有現有的驅動工作。”“這將包括幫助人們合攏雙手的手套、肘關節和肩關節的輔助設備以及其他仍然依賴于通常剛性和笨重的電源的設備，這些電源要么不舒服，要么需要連接到外部基礎設施。”
來源：Rice University、NTMT紡織新材料
