پارچه های بافتنی برنامه پذیر؛ از نخ تا سوئیچ هوشمند

تصور کنید آباژوری که با کشیدن یک حلقه پارچه‌ای، خودش میان سه رنگ جابه‌جا می‌شود. یا آستینی که با هر قدم شما، مانند یک کلید مکانیکی کوچک تغییر وضعیت می‌دهد. این‌ها ابزارهای نمایشی یک نمایشگاه طراحی نیستند؛ دستگاه‌هایی واقعی و کارآمد هستند که با نخ معمولی و ماشین‌های بافندگی صنعتی ساخته شده‌اند.

تبدیل نخ به سازوکار مکانیکی هدفمند

پژوهشگران مدرسه مهندسی و علوم کاربردی جان ای. پالسون در دانشگاه هاروارد نشان داده‌اند که منسوجات بافتنی را می‌توان طوری مهندسی کرد که مانند عناصر مکانیکی برنامه‌پذیر رفتار کنند. راز این فناوری در چندپایداری نهفته است: ویژگی‌ای فیزیکی که به یک ساختار اجازه می‌دهد در بیش از یک آرایش پایدار قرار بگیرد. در عمل، یعنی یک پارچه می‌تواند ناگهان از یک شکل به شکل دیگر بپرد و تا زمانی که نیروی کافی برای بازگرداندنش اعمال نشود، همان‌جا باقی بماند.

این روش نه قالب‌گیری است و نه تثبیت حرارتی پلاستیک‌ها. در عوض، این گروه از بافت پودی استفاده کرد؛ همان فرایند خودکاری که برای تولید کلاه و دستکش به کار می‌رود، اما با انتخاب دقیق نخ و الگوهای کوک همراه شده است. نخ‌های بسیار کشسان، در کنار پلیتینگ، یعنی تکنیکی که نخ‌های متفاوت را در دو سوی مخالف پارچه قرار می‌دهد، بافت‌هایی ضخیم و متراکم ایجاد می‌کنند که به طور طبیعی خم می‌شوند و فرم‌های سه‌بعدی را نگه می‌دارند. این پدیده شبیه همان دلیلی است که لبه بریده‌شده یک تی‌شرت لوله می‌شود، با این تفاوت که اینجا آگاهانه، کنترل‌شده و قابل پیش‌بینی طراحی شده است.

پژوهشگران از نخ‌های بسیار کشسان برای ساخت منسوجات متراکمی استفاده کردند که ناگهان به آرایش‌های مختلف تغییر وضعیت می‌دهند. 

این گروه با چیدمان نوارهای افقی و عمودی در الگوهای هندسی مشخص، منسوجاتی ساخت که به سرعت میان چند حالت پایدار جابه‌جا می‌شوند. یک کلید چراغ را تصور کنید که با یک کلیک در وضعیت بالا یا پایین باقی می‌ماند. این پارچه‌ها نیز همین‌گونه رفتار می‌کنند: هر آرایش به صورت مکانیکی قفل می‌شود تا زمانی که نیروی واردشده از یک آستانه عبور کند و حرکت جهشی تغییر وضعیت را به راه بیندازد.

از کلیک‌های مکانیکی تا منطق الکتریکی

افزودن نخ رسانا، این منسوجات جهشی را به کلیدهای الکتریکی واقعی تبدیل کرد. وقتی پوسته پارچه‌ای تغییر وضعیت می‌دهد، مدار را یا می‌بندد یا باز می‌کند. در نمونه‌های نمایشی، یک پوسته بافتنی با هر تغییر وضعیت، یک چراغ ال‌ای‌دی را روشن و خاموش می‌کرد. دستگاه دیگری که روی لباس نصب شده بود، جهش مکانیکی در زانو یا آرنج را تشخیص می‌داد و این حرکت را به یک برد آردوینو منتقل می‌کرد تا امکان شمارش گام‌ها فراهم شود.

آن‌ها همچنین آباژوری بازپیکربندی‌پذیر ساختند که سه کلید چندپایدار در خود داشت. هر کلید، هم‌زمان با کشیده شدن پارچه و جهش آن میان حالت‌ها، رنگ متفاوتی از نور را کنترل می‌کرد. این دستگاه‌ها و نمونه‌های دیگر در یک چیدمان تازه در آرت لب به نمایش درآمدند.

این گروه به جای مدل‌سازی تک‌تک رشته‌های نخ، در شبیه‌سازی‌های خود هر پارچه بافتنی را به عنوان یک ماده پیوسته در نظر گرفت. این انتزاع، پیش‌بینی‌های دقیقی از رفتار منسوجات ارائه داد و پیچیدگی محاسباتی را کاهش داد. پژوهشگران با بررسی اینکه کشسانی نخ و الگودهی هندسی چگونه بر جهش تغییر وضعیت اثر می‌گذارند، قواعد طراحی لازم برای ایجاد مطمئن چندپایداری را شناسایی کردند.

سازگاری با تجهیزات استاندارد بافندگی صنعتی یک مزیت عملی مهم است. همان ماشین‌هایی که هم‌اکنون در کارخانه‌های پوشاک به کار گرفته می‌شوند، با برنامه‌ریزی مناسب می‌توانند این منسوجات مهندسی‌شده را در مقیاس بالا تولید کنند. این موضوع فاصله میان نمونه‌های آزمایشگاهی و تولید تجاری را کاهش می‌دهد.

کاربردها، زمینه و اهمیت علمی

این یافته‌ها در نقطه تلاقی منسوجات و متامتریال‌های مکانیکی غیرخطی قرار می‌گیرند؛ حوزه‌هایی که ساختارهایی را طراحی می‌کنند تا به شیوه‌ای هدفمند خم شوند، کمانش کنند و ناگهان تغییر وضعیت دهند. توانایی جاسازی حالت‌های مکانیکی قابل پیش‌بینی در پارچه‌های نرم، مسیرهای گوناگونی را می‌گشاید. حسگرهای پوشیدنی که بدون باتری کار می‌کنند، می‌توانند حرکت‌ها را تنها از طریق حالت‌های مکانیکی ثبت کنند. رابط‌های نرم ممکن است با تغییر شکل در زمان نیاز، بازخورد لمسی ارائه دهند. عناصر معماری بازپیکربندی‌پذیر نیز می‌توانند در رباتیک نرم یا پوشاک تطبیق‌پذیر بافته شوند.

این پروژه به سرپرستی کائوسالیا ماهادوان، دانش‌آموخته تازه دکتری، و زیر نظر کاتیا برتولدی انجام شد. کار آن‌ها که در نشریه ادونسد فانکشنال متریالز منتشر شده است، نگاه به منسوجات را دگرگون می‌کند و آن‌ها را نه صرفا پوشش‌هایی منفعل، بلکه سامانه‌های مکانیکی برنامه‌پذیر می‌داند. ماهادوان توضیح داد که الهام این پژوهش هم از هنرمندان حوزه نساجی و هم از تخصص دیرینه آزمایشگاه در مکانیک جامدات غیرخطی آمده است؛ ترکیب این دیدگاه‌ها راهی تازه برای اندیشیدن به پارچه به عنوان یک ماده سازه‌ای پدید آورد.

چالش‌ها همچنان باقی است. دوام بلندمدت نخ‌های رسانا، یکپارچه‌سازی مسیرهای توان و سیگنال برای منطق پیچیده‌تر، و تبدیل نمونه‌های آزمایشگاهی به لباس‌هایی راحت و قابل شست‌وشو از موانع عملی به شمار می‌روند. با این حال، این پژوهش بنیانی روشن می‌گذارد: با الگودهی و انتخاب درست مواد، پارچه بافتنی می‌تواند به یک جزء فعال و تغییرشکل‌دهنده در دستگاه‌ها تبدیل شود.

دیدگاه کارشناس

«آنچه برای من هیجان‌انگیز است، ظرافت این رویکرد است»، دکتر لنا اورتیز، مهندس مواد و پژوهشگر حسگرهای نرم، می‌گوید. «آن‌ها رفتارهایی را به کار گرفته‌اند که از پیش در منسوجات وجود دارد، مانند لوله‌شدن و کمانش، و آن‌ها را به پاسخ‌های عملکردی تکرارپذیر تبدیل کرده‌اند. همین موضوع تولید و پذیرش این فناوری را بسیار عملی‌تر می‌کند تا حالتی که مجبور باشید یک بستر کاملا جدید اختراع کنید.»

اورتیز اضافه می‌کند که توانایی مدل‌سازی پارچه‌ها به عنوان مواد پیوسته، گامی حیاتی است. «این کار یک جعبه‌ابزار در اختیار طراحان می‌گذارد: مدول نخ را تنظیم کنید، هندسه نوارها را کمی تغییر دهید، و می‌توانید نیروی جهش و تعداد حالت‌های پایدار را دقیق تنظیم کنید. همین پیش‌بینی‌پذیری است که اجازه می‌دهد این ایده‌ها از آزمایشگاه خارج شوند و در محصولات روزمره دیده شوند.»

در حالی که مرز میان پوشاک و ماشین‌ها کم‌رنگ‌تر می‌شود، این پژوهش مسیری عمل‌گرایانه ارائه می‌دهد: استفاده از فرایندهای سنتی چندصدساله بافندگی در کنار مهندسی مدرن برای تولید پارچه‌هایی که تنها پوشاننده نیستند؛ بلکه محاسبه می‌کنند، پاسخ می‌دهند و حالت‌های مکانیکی را به خاطر می‌سپارند.