Tessuti intelligenti per il rilevamento dei movimenti

Attraverso l'utilizzo di un innovativo processo di fabbricazione, i ricercatori del MIT hanno prodotto tessuti intelligenti in grado di adattarsi perfettamente al corpo umano. I tessuti intelligenti possono percepire facilmente la posizione e i movimenti di chi li indossa.

Introduzione

I tessuti intelligenti (smart textiles) possono rilevare come si muovono i loro utilizzatori. Un tessuto smart offre la capacità di rilevare e classificare il movimento e riconoscere i modelli di distribuzione della forza in situazioni reali o in un contesto di laboratorio. I ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology) hanno sviluppato un tessuto comodo e aderente che riconosce le attività di chi lo indossa, come camminare, correre o saltare. Incorporando una particolare tipologia di filato di plastica e usando il calore per fonderlo leggermente (processo chiamato termoformatura), i ricercatori del MIT sono stati in grado di migliorare notevolmente la precisione dei sensori utilizzando questo processo per creare una scarpa e un tappetino "intelligenti". Il team ha quindi progettato un sistema hardware e software per misurare e interpretare i dati dai sensori di pressione in tempo reale. Il sistema, basato sull'apprendimento automatico (ML), prevede movimenti e posizioni yoga eseguite da un individuo in piedi sul tappetino in tessuto intelligente con una precisione di circa il 99%.

Il processo di fabbricazione

Il processo di fabbricazione messo a punto dal MIT Media Lab sfrutta la tecnologia di lavorazione a maglia digitale e consente la prototipazione rapida di dispositivi intelligenti. La tecnica si presta ad essere facilmente ampliata per la produzione su larga scala. Questa particolare tecnologia innovativa potrebbe avere molte applicazioni, soprattutto in ambito sanitario e riabilitativo. Ad esempio, potrebbe essere utilizzata per produrre scarpe intelligenti che tracciano l'andatura di un individuo che sta imparando a camminare di nuovo dopo un infortunio, o calze che monitorano la pressione sul piede di un paziente diabetico per prevenire la formazione di ulcere. Il grande vantaggio della tecnologia di lavorazione a maglia digitale è che si ha la piena libertà di progettare i propri modelli e di integrare sensori all'interno della struttura stessa, in modo che diventi senza cuciture e confortevole, sviluppandola in base alla forma del corpo. La ricerca, in parte supportata dal MIT Media Lab Consortium, sarà presentata alla IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Conference.

Figura 1: Scarpa realizzata con tessuto intelligente

Per produrre un tessuto intelligente, i ricercatori del MIT hanno utilizzato una macchina per maglieria digitale che intreccia strati di tessuto con fili di tessuto standard e funzionale. Il tessuto a maglia multistrato è composto da due strati di filato conduttivo a maglia racchiusi attorno a una maglia piezoresistiva, che cambia la sua resistenza quando viene schiacciata. Seguendo un motivo, la macchina cuce questo filato funzionale su tutto il tessuto in file orizzontali e verticali. Dove le fibre funzionali si intersecano, creano un sensore di pressione. Il filato è morbido e flessibile, quindi gli strati si spostano e si sfregano l'uno contro l'altro quando chi lo indossa si muove. Questo, tuttavia, genera rumore e provoca una lieve variabilità che rende i sensori di pressione molto meno precisi. Il team di ricerca del MIT ha però trovato una soluzione a questo problema incorporando le fibre di fusione e la termoformatura nel processo di fabbricazione tessile intelligente. La termoformatura risolve il problema del rumore poiché indurisce il tessuto multistrato in un unico strato, essenzialmente comprimendo e fondendo l'intero tessuto insieme, il che migliora notevolmente anche la precisione. La termoformatura consente anche di creare forme 3D, come un calzino o una scarpa, che si adattano perfettamente alle dimensioni e alla forma precisa dell'utente.

Una volta perfezionato il processo di fabbricazione, è stato messo a punto un sistema per elaborare accuratamente i dati dei sensori di pressione. Poiché il tessuto è lavorato a maglia come una griglia, è stato realizzato un circuito wireless che scansiona righe e colonne sul tessuto e misura la resistenza in ogni punto. Sulla base delle tecniche di Deep Learning per la classificazione delle immagini, è stato ideato anche un sistema che visualizza i dati dei sensori di pressione come una mappa termica. Le immagini vengono inviate a un modello di Machine Learning che viene addestrato per rilevare la postura, la posizione o il movimento dell'utente in base all'immagine della mappa termica. Addestrato il modello, questo può classificare l'attività dell'utente (camminare, correre, fare flessioni, ecc.) con una precisione del 99,6% e riconoscere ben sette posizioni yoga con una precisione del 98,7%. Nella ricerca è stata utilizzata anche una macchina per maglieria circolare per creare una scarpa tessile intelligente aderente con 96 punti di rilevamento della pressione distribuiti sull'intero tessuto 3D (Figura 1). La scarpa è stata utilizzata per misurare la pressione esercitata su diverse parti del piede quando chi la indossava tirava un pallone da calcio. L'elevata precisione di questa tecnologia potrebbe rendere i tessuti intelligenti utili per applicazioni in protesi, dove la precisione è un fattore essenziale. Un rivestimento in tessuto intelligente potrebbe misurare la pressione che un arto protesico esercita sull'invasatura, consentendo a un protesista di verificare facilmente quanto si adatta bene il dispositivo.

Conclusioni

L'evoluzione nella ricerca è resa possibile dall'avanzamento tecnologico, dai progressi nei materiali, nell'elettronica wearable e nei processi di fabbricazione. La ricerca è un contesto nel quale le tecniche di sensing e le nuove entusiasmanti funzionalità implementabili nei progetti aprono a infinite possibilità applicative. Con gli smart textiles e la giusta collaborazione interdisciplinare all'interno del team, si possono creare infinite e uniche applicazioni. Non ci resta che lasciare spazio alle possibilità della ricerca, alla creatività e all'immaginazione.

Puoi leggere l'articolo completo al seguente link, dove troverai anche un video dimostrativo del progetto: Smart textiles sense how their users are moving | MIT News | Massachusetts Institute of Technology

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