萊斯大學(xué)喬治·布朗工程學(xué)院的工程師們正致力于將衣服變成電腦——而且不用電。
該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套基于紡織品的氣動(dòng)計(jì)算機(jī)，能夠進(jìn)行數(shù)字邏輯、板載存儲(chǔ)和用戶交互。“流體數(shù)字邏輯”的使用利用了空氣如何流經(jīng)一系列扭曲的通道來形成比特——計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的1和0。
這一概念的核心是“非”門——計(jì)算機(jī)電路的一個(gè)基本組成部分，也稱為反相器。這個(gè)邏輯門的輸出是輸入的反相。在電子電路中，閘門是開或關(guān)的(1或0)，但氣動(dòng)閘門用“高”或“低”氣壓來代替這些術(shù)語。
工程師們已經(jīng)將流體邏輯元件設(shè)計(jì)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(zhí)行任務(wù)。
這個(gè)想法是讓這種基于紡織品的邏輯門支持氣動(dòng)執(zhí)行器，可能與Rice團(tuán)隊(duì)開發(fā)的能量收集系統(tǒng)相結(jié)合，以幫助功能受限的人在沒有電子輔助的情況下執(zhí)行任務(wù)。這種裝置可以消除佩戴者攜帶笨重動(dòng)力裝置的需要。
批量生產(chǎn)
萊斯大學(xué)機(jī)械工程助理教授丹尼爾·普雷斯頓(Daniel Preston)表示，該實(shí)驗(yàn)室的邏輯紡織品可以使用現(xiàn)有的織物制造工藝進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，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(jiān)固，足以讓卡車駛過而不損壞它們。
普雷斯頓說:“使用流體構(gòu)建數(shù)字邏輯電路的想法并不新鮮，事實(shí)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(shí)現(xiàn)流體邏輯?！薄暗侥壳盀橹梗€沒有人采取措施在片狀材料中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)——這需要從基本原則出發(fā)重新設(shè)計(jì)整個(gè)方法。”
該實(shí)驗(yàn)室在幫助用戶進(jìn)行身體運(yùn)動(dòng)的設(shè)備上測(cè)試了其邏輯，并在一個(gè)系統(tǒng)上測(cè)試了一個(gè)按鈕，不用電來調(diào)節(jié)溫度。
“我們認(rèn)為有很多方法可以幫助人們進(jìn)行日常活動(dòng)，”普雷斯頓說?！拔覀円芯康南乱粋€(gè)領(lǐng)域是感知意圖。一旦佩戴者開始一個(gè)動(dòng)作過程，我們就可以為該動(dòng)作的剩余部分提供幫助。
“例如，你可能開始抓住一個(gè)物體，如果系統(tǒng)感知到你的意圖，它會(huì)幫助你握緊你的手，這樣你就可以舉起它?！?/span>
“我們認(rèn)為，在最基本的層面上，邏輯元件包含一個(gè)繼電器和一個(gè)流體阻力器，”賴斯博士后研究員Anoop Rajappan補(bǔ)充說。這相當(dāng)于將一個(gè)電子繼電器或晶體管與電阻器配對(duì)，這是典型的晶體管-電阻器邏輯的基礎(chǔ)。
氣動(dòng)系統(tǒng)依賴于一個(gè)概念，普雷斯頓將其描述為數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)的扭結(jié)幾何形狀，在壓力可控閥中實(shí)現(xiàn)，該閥切斷空氣流動(dòng)，就像彎曲的花園軟管停止供水一樣。
基于紡織品的氣動(dòng)計(jì)算機(jī)的核心元件是扭結(jié)閥，它模擬計(jì)算機(jī)中的非門或反相器，其輸出與輸入相反。
每個(gè)閥門大約一平方英寸大小，層壓在紡織品上，已經(jīng)證明足夠堅(jiān)固，可以處理20，000次開關(guān)循環(huán)和100萬次彎曲循環(huán)，以及標(biāo)準(zhǔn)家用洗衣機(jī)中的20次循環(huán)。
額外肢體
利用其基于紡織品的能量收集系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建造了一個(gè)額外的肢體，能夠抓住物體并行走，僅由壓縮空氣提供動(dòng)力。
原型“手臂”是一塊織物，在不使用時(shí)擁抱身體，但在激活時(shí)向外伸出，并在表面加入一層彈性體襯里，以保持其對(duì)光滑物體的抓力。普雷斯頓說，未來的版本可能會(huì)有傳感器來預(yù)測(cè)佩戴者的意圖并完成運(yùn)動(dòng)。
通過行走提供動(dòng)力，一件腋下裝有風(fēng)箱狀致動(dòng)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(shí)驗(yàn)室還制作了一款襯衫，在腋窩處安裝了一個(gè)風(fēng)箱狀的致動(dòng)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(cè)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(diǎn)。
該系統(tǒng)需要兩個(gè)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(shí)利用氣壓的氣動(dòng)執(zhí)行器。這些高跟鞋填充了開孔聚氨酯泡沫，使它們?cè)诿看涡凶吆蠖寄芑謴?fù)原狀。
普雷斯頓說，一個(gè)設(shè)備的所有組件花費(fèi)了實(shí)驗(yàn)室大約20美元。該產(chǎn)品組裝簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，可在洗衣機(jī)中清洗，性能不會(huì)下降。
“這種制造方法使用的技術(shù)已經(jīng)在服裝行業(yè)得到應(yīng)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(zhǔn)備考慮將我們的工作轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。"
除了測(cè)試單元，該實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了數(shù)學(xué)模型，根據(jù)用戶的體重和行走速度等參數(shù)來預(yù)測(cè)輔助設(shè)備的性能。
普雷斯頓補(bǔ)充說:“現(xiàn)在我們正在提供動(dòng)力，我們可以利用所有現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)工作。”“這將包括幫助人們合攏雙手的手套、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的輔助設(shè)備以及其他仍然依賴于通常剛性和笨重的電源的設(shè)備，這些電源要么不舒服，要么需要連接到外部基礎(chǔ)設(shè)施?！?/span>
來源：Rice University、NTMT紡織新材料
