Bilim bunu da yaptı: İstendiğinde şekil değiştiren kumaş

Örgü örmek artık kazak, şapka ve battaniye gibi bilindik eşyalar yapmaktan ibaret değil.

Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndan (SEAS) araştırmacılar, geleneksel örgü tekniklerinin biçim değiştirebilen, hareketi algılayabilen ve anahtar (şalter) işlevi görebilen işlevsel kumaşlar üretmek için kullanılabileceğini gösterdi. Bu yaklaşım, yeni nesil programlanabilir tekstil ürünlerinin önünü açabilir.

Ekip, kararlı bir biçimden diğerine “çıt” ederek (anıden bir formdan diğerine atlayarak) geçebilen özel, makine örgüsü kumaşlar geliştirdi. Fizikçiler, birden fazla kararlı konfigürasyonu koruma yeteneğini “çoklu kararlılık” (multistability) olarak tanımlıyor.

Araştırma, şu anda Uygulamalı Mekanik Profesörü Katia Bertoldi’nin laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapan yeni doktora mezunu Kausalya Mahadevan liderliğinde yürütüldü. Çalışmanın sonuçları Advanced Functional Materials dergisinde yayımlandı.

Fiziği Örme Tekstile Taşımak

Bertoldi’nin laboratuvarında henüz lisans öğrencisiyken çalışmaya başlayan Mahadevan, “Kumaşlar, tekstiller ve bunlarla neleri mühendislik süzgecinden geçirip inşa edebileceğimiz konusunda her zaman heyecan duymuşumdur” dedi. “Tekstilde çoklu kararlılık fikrimiz, tekstil sanatçılarından ve onların yapılara yaklaşımından ilham almamızın yanı sıra, [Bertoldi’nin] laboratuvarının katı maddelerdeki lineer olmayan mekanik üzerine geleneksel düşünme tarzının bir birleşiminden doğdu. Tekstili bu bağlamda ele almaya çalıştık.”

Kavis alacak ve ardından o formu koruyacak şekilde tasarlanan malzemeler, genellikle polimerlerin kalıplanması ve içlerindeki kalıntı gerilimlerin dikkatlice kontrol edilmesiyle üretilir. Ancak bu çalışmada araştırmacılar; şapka ve eldiven üretiminde yaygın olarak kullanılan endüstriyel atkılı örme (weft knitting) yönteminin, yalnızca iplik kullanarak karmaşık kavisli yapılar oluşturabileceğini kanıtladı.

Ekip, yüksek esnekliğe sahip iplikler seçti ve kumaşın zıt yüzeylerine farklı iplikler yerleştiren “plating” (kaplama) adlı bir örme yöntemi kullandı. Bu kombinasyon, doğal olarak üç boyutlu formlara kıvrılan yoğun ve kalın kumaşlar üretti. Bu etki, kesilmiş bir tişörtün alt kenarının yukarı doğru kıvrılmasına neden olan temel davranışla aynı ilkeye dayanıyor.

Mahadevan, “İplik seçimi ve makine parametrelerinin ayarlanması, temel olarak elde edebileceğimiz en ‘geçişken/esnek’ kumaşı seçmemize olanak tanıdı” dedi.

Kararlı Biçimler Arasında Geçiş Yapan Kumaşlar

Araştırmacılar daha sonra yatay ve dikey çizgileri sistematik kombinasyonlarla düzenledi. Bu sayede, tıpkı açık veya kapalı konumda sabit kalan bir elektrik anahtarı gibi, farklı konfigürasyonlar arasında geçiş yapabilen ve her birinde kararlı kalabilen tekstiller ürettiler.

Ekip, kumaşın geometrisinin ve malzeme özelliklerinin bu geçiş davranışını nasıl etkilediğini inceleyerek, örgü tekstillerin çoklu kararlı hale gelmesini sağlayan fiziksel koşulları belirledi. Ayrıca, her bir iplik telini tek tek modellemeye çalışmak yerine, her bir tekstili kesintisiz bir malzeme olarak ele alarak bu davranışı başarıyla simüle ettiler.

Araştırmacılar ardından teknolojinin pratik cihazlarda nasıl kullanılabileceğini göstermek amacıyla ince iletken iplikler eklediler. Bu iletken lifler, örgü yapıları kumaş bir konfigürasyondan diğerine geçerken elektrik durumunu değiştiren yumuşak, esnek elektrik anahtarlarına dönüştürdü.

Adım Sayarlardan Renk Değiştiren Işıklara

Yapılan bir gösterimde ekip, tekstil kararlı durumları arasında hareket ettikçe bir LED’i açıp kapatan çoklu kararlı örgü bir kılıf oluşturdu.

Ayrıca diz veya dirsek üzerine yerleştirilebilen giyilebilir bir tekstil anahtarı da ürettiler. Eklem büküldükçe ortaya çıkan geçiş hareketi bir Arduino tarafından algılanabiliyor ve adım saymak için kullanılabiliyor.

Bir diğer prototip ise üç ayrı çoklu kararlı anahtar içeren, yeniden yapılandırılabilir bir lamba gölgesiydi (abajur). Kumaşın parçaları esnetilip konfigürasyonlar arasında geçiş yaptıkça, her anahtar farklı bir ışık rengini kontrol ediyordu. Bu cihazlar, projeden diğer örneklerle birlikte yakın zamanda bir Art Lab sergisinde sergilendi.

Araştırmacılar, farklı ışık renklerine karşılık gelen çoklu kararlı anahtarlara sahip yeniden yapılandırılabilir bir abajur tasarladılar.

Ölçeklenebilir Akıllı Tekstiller İçin Potansiyel Bir Yol

Daha da önemlisi, Mahadevan ve meslektaşlarının kullandığı makineler, konfeksiyon fabrikalarında halihazırda bulunan endüstriyel örgü ekipmanlarına oldukça benziyor. Bu uyumluluk, tekniğe dayalı cihazların potansiyel olarak nispeten hızlı bir şekilde seri üretime taşınabileceğini gösteriyor.

Bilimsel açıdan bakıldığında bu çalışma, tekstili lineer olmayan mekanik metamalzemeler alanına da yaklaştırıyor. Bu mühendislik harikası yapılar; faydalı işlevler sağlamak amacıyla kontrollü şekillerde bükülecek, esneyecek ve biçim değiştirecek şekilde tasarlanıyor.

Mahadevan, çoklu kararlılığın yumuşaklığı, dikişsiz yapıyı ve işlevselliği birleştiren kumaşlar yaratmada yeni fırsatlar sunduğunu düşünüyor. Gelecekte araştırmacılar; vücut hareketlerini sessizce takip edebilen, dokunsal geri bildirim sağlayan veya gerektiğinde fiziksel şeklini değiştirebilen tekstiller hayal ediyor.