В МТИ разработали «дышащую» одежду и обувь для занятий спортом
Команда исследователей из Массачусетского технологического института (МТИ) разработала «дышащий» костюм для тренировки, вентилирующие клапаны которого открываются и закрываются в ответ на тепло тела и пот спортсмена. Клапаны выложены живыми микробными клетками, которые сжимаются и расширяются в ответ на изменения влажности. Ячейки действуют как крошечные датчики и исполнительные механизмы: заставляют закрылки открываться, когда спортсмен начинает потеть, и закрывают их, когда тело остыло. В дополнении к костюму ученые также разработали кроссовки с внутренним слоем аналогичных клеточных клапанов для выпуска воздуха и влаги.
Зачем использовать клетки в чувствительных тканях? Исследователи утверждают, что чувствительные к влаге клетки не нуждаются в дополнительных элементах для восприятия и реагирования на влажность. Также доказано, что использование микробных клеток безопасно для контакта с кожей. Более того, благодаря доступным сегодня инструментам генной инженерии можно очень быстро подготовить огромное количество клеток, чтобы те смогли выполнять различные функции в дополнение к реакции на влажность.
Чтобы продемонстрировать эту способность, исследователи разработали влагочувствительные клетки, которые не только открывают створки, но и подсвечиваются в ответ на изменение влажности. Методами генетики исследователи добавили флуоресценцию, и в темноте силуэт человека на пробежке будет заметно… В будущем учёные смогут объединить возможности клеток с функцией выделения запахов: после посещения тренажерного зала рубашка или футболка спортсмена будут благоухать приятным запахом.
В природе биологи наблюдали, что живые существа и элементы их строения, от чешуи до микробных клеток и даже конкретных белков, могут изменять свою структуру или объем в ответ на изменения влажности. Команда из МТИ выдвинула гипотезу, что природные преобразователи формы, такие как дрожжи, бактерии и другие микробные клетки, можно использовать в качестве строительных блоков для создания влагочувствительной ткани.
Эти клетки настолько сильны, что могут изгибать подложку, на которую они нанесены. Сначала исследователи работали с наиболее распространенным непатогенным штаммом E. coli (кишечной палочки), который, как было обнаружено, разбухает и сжимается в ответ на изменение влажности. Они дополнительно сконструировали клетки для экспрессии зеленого флуоресцентного белка, позволяя клетке светиться, когда она ощущает изменение влажности.
С помощью метода клеточной печати команда нанесла параллельные линии клеток E. coli на листы латекса, проделав отверстия в ткани в условиях повышенной влажности. При сушке на электрической плите ячейки сжались, закручивая верхний слой латекста, на водяном пару клетки светились и расширялись, выравнивая латекс. По словам ученых, после ста таких циклов слой с клетками и ткань в целом практически не износились.
В разработке одежды исследователи работали с биоматериалом, проектируя костюм для бега с клеточными латексными клапанами, вшитыми в спинку костюма. Они определяли размер каждого лоскута, а также степень их открытости, основываясь на изображениях человеческого тела с нанесенными на них зонами выделения тепла и пота.
Команда исследователей акцентирует внимание на том, что не все части тела одинаково вырабатывают тепло и пот. Так, например, в нижней части позвоночника вырабатывается много пота, но не очень много тепла. Ученые перепроектировали одежду, используя эти «карты»: где тело вырабатывает тепла больше, закрылки увеличили.
Опорные рамы под каждым лоскутом латекса удерживают внутренний слой ткани от непосредственного контакта с кожей, но в то же время клетки способны ощущать и реагировать на изменения влажности воздуха, располагаясь прямо над кожей. В испытаниях для проверки костюма для бега участники надевали одежду и тренировались на беговых дорожках и велосипедах. Исследователи следили за температурой и влажностью тел испытуемых, используя небольшие датчики на их спинах.
После пяти минут упражнений закрылки костюма начали открываться как раз в тот момент, когда участники эксперимента сообщили о выделении пота и ощущении тепла. Датчики показали, что заслонки эффективно удаляли пот и понижали температуру тела, в отличие от аналогичного костюма для бега с нефункциональными клапанами.
Ученые из МТИ также интегрировали влагочувствительную ткань в грубый прототип обуви. Там, где стопа касается стельки обуви, исследователи вшили несколько клапанов, изогнутых вниз. Клеточный слой обращен к ноге бегуна, но при этом не касается неё. При разработке кроссовок они также ориентировались на карты тепла и пота стопы и стандартные размерные сетки.
Как и в случае с тренировочным костюмом, откидные створки на обуви для бега открывались и подсвечивались, когда исследователи увеличивали влажность в помещении. В сухих условиях свечение прекращалось, створки закрывались.
Исследователи намерены сотрудничать с компаниями-производителями спортивной одежды, чтобы коммерциализировать свои проекты. Группа учёных изучает другие области применения технологии, включая влагозащитные шторы, абажуры и простыни. Кроме того, они заинтересованы в переосмыслении упаковки товаров. Концепция второй кожи могла бы подарить новую жизнь гибкой упаковке.
doi: 10.1126/sciadv. 1601984
