アスリートや医療目的に期待されている「伸縮量を感知し伸縮・振動する繊維」

伸縮量を感知して圧力や伸縮・振動などのフィードバックする繊維が開発されたようです。
アスリートなどの呼吸訓練や術後の患者の呼吸変化などの医療用など応用が期待されています。

A new kind of fiber can be made into clothing that senses how much it is being stretched or compressed, and then provides immediate tactile feedback in the form of pressure, lateral stretch, or vibration.

参照元：https://news.mit.edu/2021/fibers-breath-regulating-1015
– マサチューセッツ工科大学 Massachusetts Institute of Technology. October 15, 2021 –

マサチューセッツ工科大学（MIT）とスウェーデンの研究者たちが開発した新種の繊維は、伸縮量を感知して、圧力、横方向の伸縮、振動などの形で即座に触覚フィードバックを提供する衣類に仕立てられます。

このような繊維は、歌手やスポーツ選手が呼吸を上手にコントロールできるように訓練したり、病気や手術から回復した患者が呼吸パターンを回復させるための衣服に利用できると、研究チームは提案しています。

多層構造の繊維の中心には流体チャネルがあり、このチャネルは流体システムによって作動させることができます。

このシステムは、圧縮空気や水などの流体媒体を流路内に加圧・放出することでファイバーの形状を制御し、ファイバーを人工筋肉として機能させます。

また、この繊維には伸縮可能なセンサーが内蔵されており、繊維の伸びの度合いを検出・測定することができます。

「OmniFibers」と名付けられたこの繊維は、Association for Computing Machinery’s User Interface Software and Technology online conferenceで、MITの客員博士課程学生で研究員のOzgun Kilic Afsar氏、Jerome B. Wiesner教授（メディア芸術科学）の石井裕氏をはじめ、MITメディアラボ、ウプサラ大学、スウェーデンのKTH王立工科大学の8名が発表した論文に掲載されています。

この新しいファイバーアーキテクチャーには、いくつかの重要な特徴があります。非常に細いサイズで、安価な素材を使用しているため、さまざまな形状の布に比較的容易に構造化することができます。

また、表層には一般的なポリエステルと同様の素材を使用しているため、人間の肌との親和性も高いです。

また、応答速度が速く、力の強さや種類も豊富なため、ハプティクス（触覚）を利用したトレーニングや遠隔地とのコミュニケーションのための迅速なフィードバックシステムとしても活用できます。

Afsar氏によると、既存の多くの人工筋繊維の欠点は、人の皮膚に接触して使用するとオーバーヒートを起こす可能性のある熱作動型であるか、電力効率が低いか、あるいはトレーニングのプロセスが煩雑であることです。

また、これらのシステムは反応や回復に時間がかかることが多く、迅速なフィードバックを必要とする用途にはすぐには使えないそうです

研究チームは、この素材の最初の応用例として、歌手が着用するアンダーウェアを作り、呼吸筋の動きをモニターして再生し、後に同じウェアを通して感覚的なフィードバックを行い、希望するボーカルパフォーマンスに最適な姿勢と呼吸パターンを促すことに成功しました。

Afsar氏は話します。

「私の母はオペラ歌手なので、歌は特に身近なものです。私の母はオペラ歌手で、ソプラノ歌手なんです。」

このウェアのデザインと製作の過程で、Afsarはクラシックな訓練を受けたオペラ歌手のKelsey Cottonと緊密に協力しました。

Afsar氏は続けます。

「私は、この専門知識を具体的な形にしたかったのです。」

研究者たちは、ロボット繊維で作られた衣服を着用して歌手にパフォーマンスをしてもらい、衣服に織り込まれた歪みセンサーから動きのデータを記録しました。

そして、そのセンサーデータを、対応する触覚フィードバックに変換しました。

Afsar氏は続けます。

「最終的には、私たちが繊維に求めていたセンシングと作動モードの両方を実現することができました。つまり、熟練した歌手の生理学から得られる複雑な動きを、歌手ではない初心者の体に置き換えて記録し、再生することができたのです。つまり、専門家から知識を得るだけでなく、それを学習中の人に触覚で伝えることができるのです。」

この実験は声楽教育の一環として行われたものですが、同じ方法で、スポーツ選手がさまざまな活動をしているときにモニタリングを行い、活動している筋肉群を刺激することで、状況に応じた最適な呼吸のコントロール方法を習得することができると、Afsar氏は話します。

最終的には、大きな手術やCovid-19などの呼吸器系の病気の後に、患者さんが健康な呼吸パターンを取り戻すために、あるいは（アフサールが子供の頃に苦しんだ）睡眠時無呼吸症候群の代替治療として、このような衣服が使われることも期待されています。

王立工科大学（KTH）の博士論文の一環としてこの研究を行っているAfsar氏は話します。

「呼吸の生理学は実際には非常に複雑です。私たちは、自分がどの筋肉を使っているのか、また、呼吸の生理機能がどのように構成されているのか、よくわかっていないのです。」

そこで、彼らがデザインした衣服には、着用者が息を吸ったり吐いたりする際に、異なる筋肉群をモニターするための独立したモジュールがあり、個々の動作を再生して各筋肉群の活性化を刺激することができます。

石井氏は、この技術にはさまざまな応用が考えられると言います。

「誰もが呼吸をしなければなりません。呼吸は、生産性、自信、パフォーマンスに大きな影響を与えます。歌を歌うときにも呼吸は重要ですが、手術やうつ病からの回復にも役立ちます。例えば、瞑想には呼吸がとても重要です。」

また、このシステムは、呼吸以外の他の種類の筋肉の動きのトレーニングにも役立つ可能性があるそうです。

例えば、私たちのアーティストの多くは素晴らしい書道を学んでいますが、私は筆のストロークのダイナミクスを感じたいと思っています。

また、オリンピック選手は、重量挙げやスキーなどのトップアスリートの動きを再現したウェアを身につけることで、技術を磨くことができるかもしれないと提案しています。

一本の糸のように見えるこのソフトファイバー複合体は、5つの層で構成されています。

すなわち、最内層の流体チャネル、作動流体を収納するシリコンベースのエラストマーチューブ、ひずみを電気抵抗の変化として検出するソフトな伸縮性センサー、ファイバーの外径寸法を制御するポリマー製の伸縮性のある編組アウターメッシュ、全体の伸縮性に機械的制約を与える非伸縮性フィラメントです。

今後は、制御用電子機器や圧縮空気の供給など、システム全体をさらに小型化して、できるだけ目立たないようにするとともに、より長いフィラメントを製造できるように製造システムを開発していく予定です。

今後は、このシステムを使って、熟練した歌手から初心者への技術移転の実験を開始し、その後、振付師やダンサーの動きなど、さまざまな種類の動きの練習を探求する予定です。

本研究は、スウェーデン戦略研究財団の支援を受けて行われました。

研究チームには、MITのAli Shtarbanov、Hila Mor、Ken Nakagaki、Jack Forman、KTH Royal Institute of TechnologyのKristina Hook、スウェーデンのUppsala UniversityのKaren Modrei、Seung Hee Jeong、Klas Hjortが参加しています。