Örgü denilince akla sadece kazak, şapka veya battaniye gelirdi; ancak bu durum artık değişti. Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndan (SEAS) araştırmacılar, geleneksel örgü tekniklerinin şekil değiştirebilen, hareketleri algılayabilen ve anahtar görevi görebilen işlevsel kumaşlar üretmek için kullanılabileceğini kanıtladı. Bu yenilikçi yaklaşım, programlanabilir tekstil ürünlerinin yeni neslinin önünü açıyor.
Ekip, bir kararlı şekilden diğerine aniden geçebilen veya çıt diye şekil değiştirebilen özel makinede örülmüş kumaşlar geliştirdi. Fizikçiler, birden fazla kararlı yapıyı koruma yeteneğini çoklu kararlılık olarak tanımlıyor.
Araştırmaya, yakın zamanda doktorasını tamamlayan ve şu anda Katia Bertoldi'nin (Uygulamalı Mekanik William ve Ami Kuan Danoff Profesörü) laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak çalışan Kausalya Mahadevan liderlik etti. Bulgular Advanced Functional Materials dergisinde yayımlandı.
Fiziği Örgü Tekstillerle Buluşturmak
Lisans öğrencisiyken Bertoldi'nin laboratuvarında çalışmaya başlayan Mahadevan, "Kumaşlar ve tekstil ürünleri ile bunlarla neler inşa edip geliştirebileceğimiz konusunda her zaman heyecanlıydım" dedi. Mahadevan, "Tekstildeki çoklu kararlılık fikirlerimiz, tekstil sanatçılarından ve onların yapılara yaklaşımından ilham alınması ile laboratuvarımızın katılardaki doğrusal olmayan mekaniğe geleneksel bakış açısının birleşiminden doğdu. Tekstilleri bu bağlamda düşünmeye çalıştık" sözleriyle süreci özetledi.
Kıvrılıp o formu koruyacak şekilde tasarlanan malzemeler genellikle polimerlerin kalıplanması ve içlerindeki artık gerilmelerin dikkatlice kontrol edilmesiyle üretiliyor. Ancak bu çalışmada araştırmacılar, şapka ve eldiven üretiminde yaygın olarak kullanılan endüstriyel bir yöntem olan atkı örgüsünün, sadece iplik kullanılarak karmaşık kıvrımlı yapılar oluşturabildiğini gösterdi.
Ekip, son derece esnek iplikler seçti ve tekstilin zıt yüzeylerine farklı iplikler yerleştiren kaplama (plating) adı verilen bir örgü yöntemi kullandı. Bu kombinasyon, kesilen bir tişörtün alt kenarının yukarı doğru kıvrılmasına neden olan temel davranışa benzer şekilde, doğal olarak üç boyutlu formlara kıvrılan yoğun ve kalın kumaşlar üretti.
Mahadevan, "İplik seçimi ve makine parametreleri, temel olarak alabileceğimiz en çıt diye şekil değiştiren kumaşı seçmemize olanak tanıdı" açıklamasını yaptı.
Kararlı Şekiller Arasında Geçiş Yapan Kumaşlar
Araştırmacılar daha sonra sistematik kombinasyonlarla yatay ve dikey şeritler oluşturdu. Bu sayede, farklı yapılar arasında geçiş yapabilen ve her birinde kararlı kalan, tıpkı açık veya kapalı konumda kalan bir ışık anahtarı gibi çalışan tekstiller üretti.
Kumaşın geometrisinin ve malzeme özelliklerinin bu aniden şekil değiştirme davranışını nasıl etkilediğini inceleyen ekip, örgülü tekstillerin çoklu kararlı hale gelmesini sağlayan fiziksel koşulları belirledi. Ayrıca, her bir iplik tek tek modellenmeye çalışılmak yerine, tekstilin sürekli bir malzeme olarak ele alındığı başarılı simülasyonlar gerçekleştirdiler.
Araştırmacılar, teknolojinin pratik cihazlarda nasıl kullanılabileceğini göstermek için kumaşlara ince iletken iplikler ekledi. Bu iletken lifler, örgü yapıları, kumaş bir yapıdan diğerine geçtiğinde elektriksel durumunu değiştiren yumuşak ve esnek elektrik anahtarlarına dönüştürdü.
Adım Sayarlardan Renk Değiştiren Işıklara
Bir gösterimde ekip, tekstil kararlı durumları arasında hareket ettikçe bir LED'i açıp kapatan çoklu kararlı bir örgü kabuk oluşturdu.
Ayrıca dize veya dirseğin üzerine yerleştirilebilen giyilebilir bir tekstil anahtarı ürettiler. Eklem büküldükçe oluşan bu aniden şekil değiştirme hareketi bir Arduino tarafından algılanabiliyor ve adım saymak için kullanılabiliyor.
Bir başka prototip ise üç ayrı çoklu kararlı anahtar içeren yeniden yapılandırılabilir bir abajurdu. Kumaşın bölümleri gerilip yapılar arasında geçiş yaptıkça her anahtar farklı bir ışık rengini kontrol ediyordu. Bu cihazlar ve projenin diğer örnekleri, yakın zamanda düzenlenen bir Sanat Laboratuvarı (Art Lab) enstalasyonunda sergilendi.
Ölçeklenebilir Akıllı Tekstiller İçin Potansiyel Bir Yol
Önemle belirtmek gerekir ki Mahadevan ve meslektaşlarının kullandığı makineler, halihazırda giysi fabrikalarında bulunan endüstriyel örgü ekipmanlarına benzerlik gösteriyor. Bu uyumluluk, tekniğe dayalı cihazların nispeten hızlı bir şekilde ölçeklenebileceğine işaret ediyor.
Bilimsel bir perspektiften bakıldığında bu çalışma, tekstilleri doğrusal olmayan mekanik metamalzeme alanına daha da yaklaştırıyor. Bu mühendislik yapıları, faydalı işlevler sağlayacak şekilde kontrollü biçimlerde bükülmek, burkulmak ve aniden şekil değiştirmek üzere tasarlanıyor.
Mahadevan, yumuşaklık, dikişsiz yapı ve işlevselliği birleştiren kumaşlar yaratmak için çoklu kararlılığı kullanma konusunda ek fırsatlar görüyor. Araştırmacılar gelecekte, vücut hareketlerini sessizce takip edebilen, dokunsal geri bildirim verebilen veya gerektiğinde fiziksel şeklini değiştirebilen tekstiller hayal ediyor.
Araştırma, NSF DMR-2011754 hibesi ve ARO MURI programı W911NF-22-1-0219 tarafından desteklendi. Ekipman desteği ise ONR DURIP Ödülü N00014-19-1-2220 ile sağlandı.
