MỸ – Công nghệ dệt kim (knitting) (*) đã phát triển một bước mới, không còn đơn thuần để đan áo ấm, mà đã trở thành một công nghệ chế tạo tiên tiến. (*) Dệt kim: khác với dệt đan thoi (đan sợi dọc và sợi ngang đan chéo vuông góc 90 độ như vải sơ mi, vải jean), dệt kim tạo ra cấu trúc gồm các mũi đan móc nối tiếp nhau.
Các nhà nghiên cứu tại trường kỹ thuật và khoa học ứng dụng John A. Paulson thuộc đại học Harvard (SEAS – Harvard John A. Paulson school of engineering and applied sciences) đã ứng dụng kỹ thuật dệt kim thành một nền tảng chế tạo các thiết bị điện tử. Những thiết bị này có thể hoạt động như công tắc, cảm biến và nhiều ứng dụng khác mở ra triển vọng cho thế hệ vật liệu dệt chức năng có khả năng lập trình.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra những loại vải dệt máy độc đáo có khả năng bật nảy (snap) qua lại giữa nhiều trạng thái hình dạng ổn định khác nhau, hiện tượng mà các nhà vật lý gọi là tính đa ổn định (multistability) (*). Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Tiến sĩ Kausalya Mahadevan, tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Katia Bertoldi. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials. (*) Multistability: tính đa ổn định hay tính đa trạng thái cân bằng. Trong vật lý và khoa học vật liệu, multistability là đặc tính của một hệ thống có nhiều hơn một trạng thái cân bằng bền dưới cùng một điều kiện môi trường.
Tiến sĩ Mahadevan tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Bertoldi, chia sẻ: “Nhóm nghiên cứu đã nhận thấy tiềm năng từ vải, vật liệu dệt và những gì có thể thiết kế, chế tạo từ chúng. Ý tưởng về tính đa ổn định trong vật liệu dệt xuất phát từ cảm hứng với cách các nghệ sĩ dệt tiếp cận cấu trúc, kết hợp với góc nhìn truyền thống của phòng thí nghiệm Bertoldi về cơ học phi tuyến (*) trong chất rắn. Nhóm đã cố gắng tiếp cận tư duy về vật liệu dệt trong bối cảnh đó.” (*) Nonlinear mechanics: là phân nhánh nghiên cứu các hiện tượng cơ học mà đầu ra (biến dạng, phản lực) không tỉ lệ thuận theo đường thẳng với đầu vào (lực tác động).
Không cần dùng nhựa hay hóa chất phức tạp, họ chỉ dùng sợi chỉ/ sợi đan thông thường. Bằng cách điều khiển máy dệt đan các mũi dệt lệch nhau (mũi tiến, mũi lùi, độ căng sợi), họ tạo ra lực căng nội tại giữa các vòng chỉ, chính lực căng này đóng vai trò như “ứng suất dư” làm tấm vải tự cong nảy thành hình dạng 3D mong muốn.
Họ chọn các loại sợi có độ đàn hồi cao và áp dụng kỹ thuật dệt phủ (plating), giúp các loại sợi khác nhau nổi trên mỗi mặt của tấm vải. Nhờ đó, họ đã sản xuất được các loại vải dày, mật độ cao có thể tự động cuộn lại thành hình dạng 3D, dựa trên cùng một cơ chế cơ bản khiến mép dưới của một chiếc áo phông bị cắt tự cuộn tròn lên.
Tiến sĩ Mahadevan cho biết: “Việc lựa chọn loại sợi và cài đặt thông số máy cho phép tạo ra một loại vải có độ bật nảy cao”.
Bằng cách kết hợp các sọc ngang và sọc dọc, nhóm nghiên cứu đã chế tạo ra các tấm vải có thể bật nảy và cố định ở nhiều hơn một cấu hình ổn định, tương tự như cơ chế bật/ tắt của công tắc đèn. Qua việc lập bản đồ ảnh hưởng của hình học và lựa chọn vật liệu đến hành vi chuyển trạng thái bật nảy, họ đã xác định được các chế độ vật lý giúp vải dệt đạt tính đa ổn định. Họ cũng mô phỏng chính xác các trạng thái của tấm vải bằng cách xem chúng như một bề mặt/ tấm mỏng liên tục có tính chất cơ học đặc biệt, thay vì dựng mô hình cơ học trên máy tính cho hàng nghìn sợi chỉ riêng lẻ, tính toán lực ma sát, sự va chạm và kéo giãn của từng mũi dệt.
Để minh họa các ứng dụng tiềm năng, các nhà nghiên cứu đã tích hợp các sợi dẫn điện siêu nhỏ vào trong vải dệt, biến chúng thành các công tắc điện mềm, có thể co giãn và thay đổi trạng thái mỗi khi vải bật nảy qua lại.
Ví dụ, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một cấu trúc vỏ dệt kim đa ổn định có thể bật/ tắt đèn led khi lật qua lại giữa các trạng thái. Họ cũng làm một công tắc vải đeo được: khi gắn vào đầu gối hoặc khuỷu tay, chuyển động bật nảy của nó sẽ được bo mạch Arduino đọc dữ liệu để đếm bước chân. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một vỏ bọc bóng đèn có thể thay đổi hình dạng tương ứng với ba công tắc riêng biệt, mỗi công tắc điều khiển một màu ánh sáng khác nhau khi vải co giãn và bật nảy.
Các loại máy dệt mà Tiến sĩ Mahadevan và các đồng nghiệp sử dụng, tương tự như các máy dệt kim công nghiệp tiêu chuẩn trong các nhà máy may mặc, cho thấy khả năng mở rộng quy mô sản xuất thương mại một cách nhanh chóng trong tương lai.
Về mặt khoa học, dự án này đưa vật liệu dệt tiến gần hơn đến lĩnh vực rộng lớn của vật liệu cơ học phi tuyến, các cấu trúc được thiết kế để uốn cong, biến dạng và bật nảy theo những cách có lợi. Hướng tới tương lai, Tiến sĩ Mahadevan rất hào hứng với khả năng sử dụng cơ chế kiểm soát đa ổn định để thiết kế các loại vải mềm, không đường may và nhiều chức năng. Nhóm nghiên cứu hình dung ra những tấm vải có thể theo dõi chuyển động một cách tinh tế, cung cấp phản hồi xúc giác hoặc thậm chí tự biến đổi thành các hình dạng mới theo yêu cầu.
Để xem các tin bài khác về “Vải dệt thông minh”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
