Les textiles « robotiques » pourraient aider les artistes et les athlètes à entraîner leur respiration, et potentiellement aider les patients qui se remettent d’une modification de leur respiration après une opération.
Un nouveau type de fibre mis au point par des chercheurs du MIT et de Suède peut être transformé en un vêtement qui détecte l’ampleur de l’étirement ou de la compression, puis fournit un retour tactile immédiat sous forme de pression, d’étirement latéral ou de vibration. Selon l’équipe, ces tissus pourraient être utilisés dans des vêtements destinés à aider les chanteurs ou les athlètes à mieux contrôler leur respiration, ou à aider les patients en convalescence après une maladie ou une opération à retrouver leur rythme respiratoire.
Les fibres multicouches contiennent un canal de fluide en leur centre, qui peut être activé par un système fluidique. Ce système contrôle la géométrie des fibres en pressurisant et en libérant un milieu fluide, tel que de l’air comprimé ou de l’eau, dans le canal, permettant à la fibre d’agir comme un muscle artificiel. Les fibres contiennent également des capteurs étirables qui peuvent détecter et mesurer le degré d’étirement des fibres. Les fibres composites obtenues sont suffisamment fines et flexibles pour être cousues, tissées ou tricotées à l’aide de machines commerciales standard.
Les fibres, baptisées OmniFibers, sont présentées cette semaine à la conférence en ligne User Interface Software and Technology de l’Association for Computing Machinery, dans un article rédigé par Ozgun Kilic Afsar, doctorant invité et chercheur affilié au MIT, Hiroshi Ishii, titulaire de la chaire Jerome B. Wiesner en arts et sciences des médias, et huit autres personnes du MIT Media Lab, de l’université d’Uppsala et du KTH Royal Institute of Technology en Suède.
La nouvelle architecture de fibres présente un certain nombre de caractéristiques essentielles. Sa taille extrêmement réduite et l’utilisation d’un matériau peu coûteux permettent de structurer assez facilement les fibres en une variété de formes de tissus. Elle est également compatible avec la peau humaine, puisque sa couche extérieure est constituée d’un matériau similaire au polyester courant. Enfin, son temps de réponse rapide ainsi que la force et la variété des forces qu’il peut transmettre permettent de créer un système de retour d’information rapide pour la formation ou les communications à distance utilisant l’haptique (basée sur le sens du toucher).
Selon M. Afsar, la plupart des fibres musculaires artificielles existantes présentent les inconvénients suivants : soit elles sont activées thermiquement, ce qui peut entraîner une surchauffe lorsqu’elles sont utilisées au contact de la peau humaine, soit elles ont un faible rendement énergétique ou des processus d’entraînement ardus. Ces systèmes ont souvent des temps de réponse et de récupération lents, ce qui limite leur utilisation immédiate dans les applications qui nécessitent un retour d’information rapide, dit-elle.
Comme première application test du matériau, l’équipe a fabriqué un type de sous-vêtement que les chanteurs peuvent porter pour surveiller et reproduire le mouvement des muscles respiratoires, pour ensuite fournir un retour kinesthésique à travers le même vêtement afin d’encourager une posture et une respiration optimales pour la performance vocale souhaitée. « Le chant est un sujet qui me tient particulièrement à cœur, car ma mère est chanteuse d’opéra. C’est une soprano », explique-t-elle. Dans le processus de conception et de fabrication de ce vêtement, Afsar a travaillé en étroite collaboration avec une chanteuse d’opéra de formation classique, Kelsey Cotton.
« Je voulais vraiment capturer cette expertise sous une forme tangible », explique Mme Afsar. Les chercheurs ont demandé à la chanteuse de se produire tout en portant le vêtement fait de leurs fibres robotiques, et ont enregistré les données de mouvement des capteurs de tension tissés dans le vêtement. Ils ont ensuite traduit les données des capteurs en un retour tactile correspondant. « Nous avons finalement réussi à obtenir à la fois la détection et les modes d’actionnement que nous voulions dans le textile, à enregistrer et à reproduire les mouvements complexes que nous pouvions capturer à partir de la physiologie d’un chanteur expert et à les transposer sur le corps d’un non-chanteur, d’un apprenant novice. Ainsi, nous ne nous contentons pas de capturer les connaissances d’un expert, mais nous sommes capables de les transférer de manière haptique à quelqu’un qui ne fait qu’apprendre », explique-t-elle.
Bien que ces premiers essais s’inscrivent dans le contexte de la pédagogie vocale, la même approche pourrait être utilisée pour aider les athlètes à apprendre à contrôler au mieux leur respiration dans une situation donnée, en se basant sur le suivi des athlètes accomplis pendant qu’ils effectuent diverses activités et en stimulant les groupes musculaires en action, explique Afsar. À terme, l’espoir est que ces vêtements puissent également être utilisés pour aider les patients à retrouver un rythme respiratoire sain après une intervention chirurgicale importante ou une maladie respiratoire telle que le Covid-19, ou même comme traitement alternatif de l’apnée du sommeil (dont Afsar a souffert dans son enfance, dit-elle).
La physiologie de la respiration est en fait assez complexe, explique Mme Afsar, qui réalise ces travaux dans le cadre de sa thèse de doctorat au KTH Royal Institute of Technology. « Nous ne savons pas vraiment quels muscles nous utilisons et en quoi consiste la physiologie de la respiration », explique-t-elle. Les vêtements qu’elles ont conçus sont donc dotés de modules distincts qui surveillent les différents groupes de muscles lorsque la personne qui les porte inspire et expire, et peuvent reproduire les mouvements individuels pour stimuler l’activation de chaque groupe de muscles.
Ishii dit qu’il peut prévoir une variété d’applications pour cette technologie. « Tout le monde doit respirer. La respiration a un impact majeur sur la productivité, la confiance et les performances », explique-t-il. « La respiration est importante pour chanter, mais cela peut aussi aider à se remettre d’une opération ou d’une dépression. Par exemple, la respiration est très importante pour la méditation. »
Le système pourrait également être utile pour entraîner d’autres types de mouvements musculaires que la respiration, dit-il. Par exemple, « beaucoup de nos artistes ont étudié la calligraphie, mais je veux ressentir la dynamique du coup de pinceau », ce qui pourrait être accompli avec une manche et un gant fabriqués dans ce matériau à rétroaction en boucle fermée. Et les athlètes olympiques pourraient aiguiser leurs talents en portant un vêtement qui reproduit les mouvements d’un athlète de haut niveau, qu’il s’agisse d’un haltérophile ou d’un skieur, suggère-t-il.
Le composite de fibres souples, qui ressemble à un fil, comporte cinq couches : le canal de fluide le plus interne, un tube élastomère à base de silicone pour contenir le fluide de travail, un capteur extensible souple qui détecte la déformation sous la forme d’une variation de la résistance électrique, une maille extérieure extensible en polymère tressé qui contrôle les dimensions extérieures de la fibre, et un filament non extensible qui fournit une contrainte mécanique sur l’extensibilité globale.
« L’ingénierie au niveau de la fibre et la conception au niveau du tissu sont bien intégrées dans cette étude », explique Lining Yao, professeur adjoint en interaction homme-machine à l’université Carnegie Mellon, qui n’a pas été associée à cette recherche. Ces travaux démontrent que « différentes techniques de tricotage mécanique, y compris les tissus d’incrustation et d’espacement actif, ont fait progresser l’état de l’art en ce qui concerne les moyens d’intégrer des fibres d’actionnement dans les textiles », ajoute-t-elle. « L’intégration de la détection des contraintes et des rétroactions est essentielle lorsque nous parlons d’interactions portables avec des tissus actionnables. »
Mme Afsar prévoit de continuer à travailler sur la miniaturisation de l’ensemble du système, y compris l’électronique de commande et l’alimentation en air comprimé, afin de le rendre aussi discret que possible, et de développer le système de fabrication pour pouvoir produire des filaments plus longs. Dans les mois à venir, elle prévoit de commencer à expérimenter l’utilisation du système pour le transfert de compétences d’un chanteur expert à un chanteur novice, puis d’explorer différents types de pratiques de mouvement, notamment celles des chorégraphes et des danseurs.
Cette recherche a été soutenue par la Fondation suédoise pour la recherche stratégique. L’équipe comprenait Ali Shtarbanov, Hila Mor, Ken Nakagaki et Jack Forman du MIT, Kristina Hook du KTH Royal Institute of Technology et Karen Modrei, Seung Hee Jeong et Klas Hjort de l’université d’Uppsala en Suède.
