Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Wyświetla karuzelę z trzema slajdami jednocześnie.Użyj przycisków Poprzedni i Następny, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie, lub użyj przycisków suwaka na końcu, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie.
Łączenie tekstyliów i sztucznych mięśni w celu stworzenia inteligentnych tekstyliów przyciąga wiele uwagi zarówno społeczności naukowej, jak i przemysłowej.Inteligentne tekstylia oferują wiele korzyści, w tym komfort adaptacyjny i wysoki stopień zgodności z obiektami, zapewniając jednocześnie aktywne uruchamianie w celu uzyskania pożądanego ruchu i siły.W artykule przedstawiono nową klasę programowalnych inteligentnych tkanin wytwarzanych różnymi metodami tkania, tkania i klejenia sztucznych włókien mięśniowych napędzanych płynem.Opracowano model matematyczny opisujący stosunek siły wydłużenia arkuszy dzianinowych i tkanych, a następnie sprawdzono eksperymentalnie jego ważność.Nowy „inteligentny” materiał tekstylny charakteryzuje się dużą elastycznością, zgodnością i programowaniem mechanicznym, umożliwiając wielomodalny ruch i możliwości deformacji w szerszym zakresie zastosowań.W drodze weryfikacji eksperymentalnej stworzono różne prototypy inteligentnych tekstyliów, uwzględniając różne przypadki zmiany kształtu, takie jak wydłużenie (do 65%), rozszerzenie obszaru (108%), rozszerzanie promieniowe (25%) i ruch zginający.Badana jest również koncepcja rekonfiguracji pasywnych tradycyjnych tkanek w aktywne struktury na potrzeby biomimetycznych struktur kształtujących.Oczekuje się, że proponowane inteligentne tekstylia ułatwią rozwój inteligentnych urządzeń do noszenia, systemów dotykowych, miękkich robotów biomimetycznych i elektroniki do noszenia.
Roboty sztywne są skuteczne podczas pracy w zorganizowanych środowiskach, ale mają problemy z nieznanym kontekstem zmieniających się środowisk, co ogranicza ich wykorzystanie w poszukiwaniach lub eksploracji.Natura wciąż zaskakuje nas wieloma pomysłowymi strategiami radzenia sobie z czynnikami zewnętrznymi i różnorodnością.Na przykład wąsy roślin pnących wykonują ruchy multimodalne, takie jak zginanie i skręcanie, aby eksplorować nieznane środowisko w poszukiwaniu odpowiedniego podparcia1.Muchołówka (Dionaea muscipula) ma na liściach wrażliwe włoski, które po uruchomieniu zatrzaskują się, aby złapać ofiarę2.W ostatnich latach interesującym tematem badawczym stała się deformacja lub deformacja ciał z powierzchni dwuwymiarowych (2D) do kształtów trójwymiarowych (3D) naśladujących struktury biologiczne3,4.Te miękkie konfiguracje robotów zmieniają kształt, aby dostosować się do zmieniającego się środowiska, umożliwiają multimodalne poruszanie się i przykładają siły do wykonywania pracy mechanicznej.Ich zasięg rozszerzył się na szeroką gamę zastosowań robotyki, w tym roboty rozmieszczalne5, roboty rekonfigurowalne i samoskładające6,7, urządzenia biomedyczne8, pojazdy9,10 i elektronikę z możliwością rozbudowy11.
Przeprowadzono wiele badań w celu opracowania programowalnych płaskich płytek, które po aktywacji przekształcają się w złożone struktury trójwymiarowe3.Prostym pomysłem na tworzenie odkształcalnych struktur jest łączenie warstw różnych materiałów, które pod wpływem bodźców uginają się i marszczą12,13.Janbaz i in.14 oraz Li i in.15 wdrożyło tę koncepcję, aby stworzyć wrażliwe na ciepło, multimodalne, odkształcalne roboty.Struktury oparte na origami zawierające elementy reagujące na bodźce zostały wykorzystane do stworzenia złożonych struktur trójwymiarowych16,17,18.Zainspirowani morfogenezą struktur biologicznych, Emmanuel i in.Elastomery odkształcalne kształtowo powstają poprzez organizację kanałów powietrznych na gumowej powierzchni, które pod ciśnieniem przekształcają się w złożone, dowolne trójwymiarowe kształty.
Integracja tekstyliów lub tkanin w odkształcalnych miękkich robotach to kolejny nowy projekt koncepcyjny, który wzbudził szerokie zainteresowanie.Tekstylia to miękkie i elastyczne materiały wykonane z przędzy technikami tkackimi, takimi jak dzianie, tkanie, splatanie lub tkanie węzłów.Niesamowite właściwości tkanin, w tym elastyczność, dopasowanie, elastyczność i oddychalność, sprawiają, że są one bardzo popularne we wszystkim, od odzieży po zastosowania medyczne20.Istnieją trzy szerokie podejścia do włączania tekstyliów do robotyki21.Pierwsze podejście polega na wykorzystaniu materiału tekstylnego jako pasywnego podkładu lub podstawy dla innych komponentów.W tym przypadku tekstylia pasywne zapewniają użytkownikowi wygodne dopasowanie podczas przenoszenia sztywnych elementów (silniki, czujniki, zasilacz).Większość miękkich robotów do noszenia lub miękkich egzoszkieletów podlega temu podejściu.Na przykład miękkie, nadające się do noszenia egzoszkielety do pomocy w chodzeniu 22 i łokci 23, 24, 25, miękkie rękawiczki do noszenia 26 do pomocy dłoni i palców oraz bioniczne miękkie roboty 27.
Drugie podejście polega na wykorzystaniu tekstyliów jako pasywnych i ograniczonych elementów miękkich urządzeń robotycznych.Siłowniki tekstylne należą do tej kategorii, gdzie tkanina jest zwykle skonstruowana jako zewnętrzny pojemnik mieszczący wewnętrzny wąż lub komorę, tworząc siłownik wzmocniony miękkim włóknem.Poddane działaniu zewnętrznego źródła pneumatycznego lub hydraulicznego te miękkie siłowniki ulegają zmianom kształtu, w tym wydłużeniu, zginaniu lub skręcaniu, w zależności od ich pierwotnego składu i konfiguracji.Na przykład Talman i in.Wprowadzono odzież ortopedyczną na kostkę, składającą się z szeregu kieszeni z materiału, ułatwiających zgięcie podeszwowe w celu przywrócenia chodu28.Warstwy tekstylne o różnej rozciągliwości można łączyć w celu uzyskania ruchu anizotropowego 29 .OmniSkins – miękkie skórki robotów wykonane z różnych miękkich siłowników i materiałów podłoża mogą przekształcać obiekty pasywne w wielofunkcyjne aktywne roboty, które mogą wykonywać multimodalne ruchy i deformacje dla różnych zastosowań.Zhu i in.opracowali arkusz mięśni tkanki płynnej31, który może generować ruchy wydłużające, zginające i różne deformacje.Bucknera i in.Zintegruj włókna funkcjonalne z konwencjonalnymi tkankami, aby stworzyć tkanki robotyczne o wielu funkcjach, takich jak uruchamianie, wykrywanie i zmienna sztywność32.Inne metody w tej kategorii można znaleźć w artykułach 21, 33, 34, 35.
Niedawne podejście do wykorzystania doskonałych właściwości tekstyliów w dziedzinie robotyki miękkiej polega na wykorzystaniu włókien reaktywnych lub reagujących na bodźce do tworzenia inteligentnych tekstyliów przy użyciu tradycyjnych metod produkcji tekstyliów, takich jak tkanie, dzianie i tkanie21,36,37.W zależności od składu materiału, przędza reaktywna pod wpływem działania elektrycznego, termicznego lub nacisku powoduje zmianę kształtu, co prowadzi do deformacji tkaniny.W tym podejściu, gdy tradycyjne tekstylia są zintegrowane z miękkim systemem robotycznym, zmiana kształtu tekstyliów następuje raczej na warstwie wewnętrznej (przędzy), a nie na warstwie zewnętrznej.Dzięki temu inteligentne tekstylia zapewniają doskonałą obsługę pod względem ruchu multimodalnego, programowalnego odkształcenia, rozciągliwości i możliwości regulacji sztywności.Na przykład stopy z pamięcią kształtu (SMA) i polimery z pamięcią kształtu (SMP) można włączać do tkanin w celu aktywnej kontroli ich kształtu poprzez stymulację termiczną, taką jak obszywanie38, usuwanie zmarszczek36,39, dotykowe i dotykowe sprzężenie zwrotne40,41, a także adaptacyjne odzież do noszenia.urządzenia 42 .Jednakże wykorzystanie energii cieplnej do ogrzewania i chłodzenia powoduje powolną reakcję oraz trudności w chłodzeniu i sterowaniu.Niedawno Hiramitsu i in.Drobne mięśnie McKibbena43,44, pneumatyczne sztuczne mięśnie, wykorzystywane są jako przędza osnowy do tworzenia różnych form aktywnych tekstyliów poprzez zmianę struktury splotu45.Chociaż to podejście zapewnia duże siły, ze względu na naturę mięśnia McKibbena, jego tempo rozszerzania jest ograniczone (< 50%) i nie można uzyskać małych rozmiarów (średnica < 0,9 mm).Ponadto tworzenie inteligentnych wzorów tekstylnych przy użyciu metod tkania wymagających ostrych narożników było trudne.Aby stworzyć szerszą gamę inteligentnych tekstyliów, Maziz i in.Elektroaktywne wyroby tekstylne do noszenia opracowano poprzez dzianie i tkanie elektroczułych nici polimerowych46.
W ostatnich latach pojawił się nowy typ termoczułego sztucznego mięśnia, zbudowanego z silnie skręconych, niedrogich włókien polimerowych47,48.Włókna te są dostępne w handlu i można je łatwo włączyć do tkania lub tkania w celu wyprodukowania niedrogich, eleganckich ubrań.Pomimo postępu te nowe tekstylia wrażliwe na ciepło mają ograniczony czas reakcji ze względu na potrzebę ogrzewania i chłodzenia (np. tekstylia o kontrolowanej temperaturze) lub trudności w wytwarzaniu skomplikowanych wzorów dzianych i tkanych, które można zaprogramować w celu wygenerowania pożądanych odkształceń i ruchów .Przykłady obejmują rozszerzanie promieniowe, transformację kształtu 2D do 3D lub rozszerzanie dwukierunkowe, które oferujemy tutaj.
Aby przezwyciężyć wyżej wymienione problemy, w artykule przedstawiono nową inteligentną tkaninę napędzaną płynem, wykonaną z niedawno wprowadzonych na rynek miękkich sztucznych włókien mięśniowych (AMF)49,50,51.AMF są bardzo elastyczne, skalowalne i można je redukować do średnicy 0,8 mm i dużych długości (co najmniej 5000 mm), oferując wysoki współczynnik kształtu (długość do średnicy), a także duże wydłużenie (co najmniej 245%), wysoką energię wydajność, szybkość reakcji poniżej 20 Hz).Do tworzenia inteligentnych tekstyliów używamy AMF jako aktywnej przędzy do tworzenia aktywnych warstw mięśni 2D za pomocą technik dziania i tkania.Zbadaliśmy ilościowo tempo rozszerzania i siłę skurczu tych „inteligentnych” tkanek pod względem objętości płynu i dostarczonego ciśnienia.Opracowano modele analityczne w celu ustalenia zależności siły wydłużenia dla arkuszy dzianych i tkanych.Opisujemy także kilka technik programowania mechanicznego inteligentnych tekstyliów pod kątem ruchu multimodalnego, w tym dwukierunkowego rozciągania, zginania, rozszerzania promieniowego i możliwości przejścia z 2D do 3D.Aby zademonstrować siłę naszego podejścia, będziemy również integrować AMF z komercyjnymi tkaninami lub tekstyliami, aby zmienić ich konfigurację ze struktur pasywnych na aktywne, które powodują różne deformacje.Zademonstrowaliśmy także tę koncepcję na kilku eksperymentalnych stanowiskach testowych, obejmującą programowane zginanie nici w celu wytworzenia pożądanych liter oraz zmieniające kształt struktury biologiczne w kształt obiektów, takich jak motyle, konstrukcje czworonożne i kwiaty.
Tekstylia to elastyczne dwuwymiarowe struktury utworzone z przeplatających się jednowymiarowych nici, takich jak przędza, nici i włókna.Tekstylia to jedna z najstarszych technologii ludzkości i są szeroko stosowane we wszystkich aspektach życia ze względu na wygodę, możliwości adaptacji, oddychalność, estetykę i ochronę.Inteligentne tekstylia (znane również jako inteligentne ubrania lub tkaniny zrobotyzowane) są coraz częściej wykorzystywane w badaniach ze względu na ich ogromny potencjał w zastosowaniach robotycznych20,52.Inteligentne tekstylia obiecują poprawić ludzkie doświadczenia w interakcji z miękkimi przedmiotami, zapoczątkowując zmianę paradygmatu w dziedzinie, w której można kontrolować ruch i siły cienkiej, elastycznej tkaniny w celu wykonywania określonych zadań.W tym artykule badamy dwa podejścia do produkcji inteligentnych tekstyliów w oparciu o nasz najnowszy AMF49: (1) wykorzystujemy AMF jako aktywną przędzę do tworzenia inteligentnych tekstyliów przy użyciu tradycyjnych technologii produkcji tekstyliów;(2) włóż AMF bezpośrednio do tradycyjnych tkanin, aby stymulować pożądany ruch i deformację.
AMF składa się z wewnętrznej rurki silikonowej dostarczającej energię hydrauliczną i zewnętrznej spiralnej cewki ograniczającej jej promieniowe rozszerzanie.Zatem AMF wydłużają się wzdłużnie pod wpływem nacisku, a następnie wykazują siły skurczowe, aby powrócić do swojej pierwotnej długości po zwolnieniu nacisku.Mają właściwości podobne do włókien tradycyjnych, m.in. elastyczność, małą średnicę i dużą długość.Jednakże AMF jest bardziej aktywny i kontrolowany pod względem ruchu i siły niż jego konwencjonalne odpowiedniki.Zainspirowani ostatnimi szybkimi postępami w dziedzinie inteligentnych tekstyliów, przedstawiamy tutaj cztery główne podejścia do produkcji inteligentnych tekstyliów poprzez zastosowanie AMF w dawno ustalonej technologii produkcji tkanin (rysunek 1).
Pierwszym sposobem jest tkanie.Wykorzystujemy technologię dziania wątkowego, aby wyprodukować reaktywną dzianinę, która pod wpływem ruchu hydraulicznego rozwija się w jednym kierunku.Dziane prześcieradła są bardzo rozciągliwe i rozciągliwe, ale mają tendencję do łatwiejszego rozplatania niż prześcieradła tkane.W zależności od metody kontroli AMF może tworzyć pojedyncze rzędy lub kompletne produkty.Oprócz płaskich arkuszy, do produkcji pustych struktur AMF nadają się również rurowe wzory dziewiarskie.Drugą metodą jest tkanie, w którym wykorzystujemy dwa AMF jako osnowę i wątek, aby utworzyć prostokątny tkany arkusz, który może rozszerzać się niezależnie w dwóch kierunkach.Tkane prześcieradła zapewniają większą kontrolę (w obu kierunkach) niż prześcieradła dziane.Wyplataliśmy również AMF z tradycyjnej przędzy, aby uzyskać prostszy tkany arkusz, który można rozwijać tylko w jednym kierunku.Trzecia metoda – rozszerzanie promieniowe – jest odmianą techniki tkackiej, w której AMP są ułożone nie w prostokącie, ale spiralnie, a nici zapewniają wiązanie promieniowe.W tym przypadku oplot rozszerza się promieniowo pod wpływem ciśnienia wlotowego.Czwarte podejście polega na przyklejeniu AMF do arkusza tkaniny pasywnej, aby wywołać ruch zginający w pożądanym kierunku.Przekonfigurowaliśmy pasywną tablicę breakoutową w aktywną tablicę breakout, przesuwając AMF wokół jej krawędzi.Ta programowalna natura AMF otwiera niezliczone możliwości dla inspirowanych biologią, zmieniających kształt miękkich struktur, w których możemy zamienić obiekty pasywne w aktywne.Ta metoda jest prosta, łatwa i szybka, ale może zagrozić trwałości prototypu.Czytelnika odsyła się do innych podejść w literaturze, które szczegółowo opisują mocne i słabe strony każdej właściwości tkanki21,33,34,35.
Większość nici lub przędz używanych do produkcji tradycyjnych tkanin zawiera struktury pasywne.W tej pracy wykorzystujemy nasz wcześniej opracowany AMF, który może osiągnąć długość metra i średnicę submilimetrową, aby zastąpić tradycyjne pasywne przędze tekstylne AFM w celu stworzenia inteligentnych i aktywnych tkanin o szerszym zakresie zastosowań.W poniższych sekcjach opisano szczegółowe metody tworzenia prototypów inteligentnych tekstyliów oraz zaprezentowano ich główne funkcje i zachowania.
Trzy koszulki AMF wykonaliśmy ręcznie techniką dziania wątkowego (ryc. 2A).Wybór materiałów i szczegółowe specyfikacje AMF i prototypów można znaleźć w sekcji Metody.Każdy AMF podąża krętą ścieżką (zwaną także trasą), która tworzy symetryczną pętlę.Pętle każdego rzędu są mocowane za pomocą pętli rzędów powyżej i poniżej.Pierścienie jednej kolumny prostopadłe do biegu są połączone w wał.Nasz dzianinowy prototyp składa się z trzech rzędów po siedem oczek (lub siedmiu oczek) w każdym rzędzie.Górne i dolne pierścienie nie są stałe, dlatego możemy je przymocować do odpowiednich metalowych prętów.Dziane prototypy rozplatały się łatwiej niż konwencjonalne dzianiny ze względu na większą sztywność AMF w porównaniu z konwencjonalnymi przędzami.Dlatego zawiązaliśmy pętle sąsiednich rzędów cienkimi elastycznymi sznurkami.
Wdrażane są różne prototypy inteligentnych tekstyliów z różnymi konfiguracjami AMF.(A) Dzianinowy prześcieradło wykonane z trzech AMF.(B) Dwukierunkowo tkany arkusz dwóch AMF.(C) Jednokierunkowo tkany arkusz wykonany z AMF i przędzy akrylowej może wytrzymać obciążenie 500 g, co stanowi 192-krotność jego wagi (2,6 g).(D) Promieniowo rozszerzająca się struktura z jednym AMF i przędzą bawełnianą jako wiązaniem promieniowym.Szczegółowe specyfikacje można znaleźć w sekcji Metody.
Chociaż zygzakowate pętelki dzianiny mogą rozciągać się w różnych kierunkach, nasza prototypowa dzianina pod wpływem nacisku rozszerza się przede wszystkim w kierunku pętelki ze względu na ograniczenia w kierunku ruchu.Wydłużenie każdego AMF przyczynia się do powiększenia całkowitej powierzchni dzianego arkusza.W zależności od konkretnych wymagań możemy sterować trzema AMF niezależnie z trzech różnych źródeł płynu (rysunek 2A) lub jednocześnie z jednego źródła płynu za pośrednictwem dystrybutora płynu 1 do 3.Na ryc.2A pokazuje przykład dzianego prototypu, którego początkowa powierzchnia wzrosła o 35% podczas przykładania ciśnienia do trzech AMP (1,2 MPa).Warto zauważyć, że AMF osiąga duże wydłużenie, wynoszące co najmniej 250% swojej pierwotnej długości49, dzięki czemu dzianinowe prześcieradła mogą rozciągać się nawet bardziej niż obecne wersje.
Stworzyliśmy również arkusze o dwukierunkowym splocie utworzonym z dwóch AMF przy użyciu techniki splotu płóciennego (rysunek 2B).Osnowa i wątek AMF przeplatają się pod kątem prostym, tworząc prosty wzór krzyżowy.Nasz prototypowy splot został sklasyfikowany jako zrównoważony splot płócienny, ponieważ zarówno osnowa, jak i wątek zostały wykonane z przędzy tego samego rozmiaru (szczegóły w sekcji Metody).W przeciwieństwie do zwykłych nici, które mogą tworzyć ostre fałdy, zastosowany AMF wymaga pewnego promienia zgięcia przy powrocie do innej nici wzoru tkackiego.Dlatego tkane arkusze wykonane z AMP mają niższą gęstość w porównaniu do konwencjonalnych tkanin.Typ AMF S (średnica zewnętrzna 1,49 mm) ma minimalny promień gięcia 1,5 mm.Na przykład prototypowy splot, który prezentujemy w tym artykule, ma wzór nitek 7×7, w którym każde skrzyżowanie jest stabilizowane węzłem z cienkiego elastycznego sznurka.Stosując tę samą technikę tkania, możesz uzyskać więcej pasm.
Kiedy odpowiedni AMF otrzymuje ciśnienie płynu, tkany arkusz rozszerza swoją powierzchnię w kierunku osnowy lub wątku.Dlatego kontrolowaliśmy wymiary plecionego arkusza (długość i szerokość), niezależnie zmieniając wielkość ciśnienia wlotowego przykładanego do dwóch AMP.Na ryc.2B przedstawia tkany prototyp, który rozszerzył się do 44% swojej pierwotnej powierzchni po przyłożeniu nacisku na jeden AMP (1,3 MPa).Przy jednoczesnym działaniu nacisku na dwa AMF powierzchnia wzrosła o 108%.
Wykonaliśmy również jednokierunkowo tkany arkusz z pojedynczego AMF z osnową i przędzą akrylową jako wątkiem (rysunek 2C).AMF są ułożone w siedem zygzakowatych rzędów, a nici splatają te rzędy AMF razem, tworząc prostokątny arkusz tkaniny.Ten tkany prototyp był gęstszy niż na ryc. 2B, dzięki miękkim nitkom akrylowym, które z łatwością wypełniały cały arkusz.Ponieważ jako osnowę używamy tylko jednego AMF, tkany arkusz może rozszerzać się w kierunku osnowy jedynie pod ciśnieniem.Rysunek 2C przedstawia przykład tkanego prototypu, którego powierzchnia początkowa zwiększa się o 65% wraz ze wzrostem ciśnienia (1,3 MPa).Ponadto ten pleciony element (o wadze 2,6 grama) może unieść ładunek o masie 500 gramów, czyli 192-krotność jego masy.
Zamiast układać AMF w zygzakowaty wzór, aby utworzyć prostokątny tkany arkusz, wyprodukowaliśmy płaski, spiralny kształt AMF, który następnie został promieniowo związany przędzą bawełnianą, aby utworzyć okrągły tkany arkusz (rysunek 2D).Wysoka sztywność AMF ogranicza jego wypełnienie w samym środkowym obszarze płyty.Jednakże wyściółka ta może być wykonana z elastycznych przędz lub elastycznych tkanin.Po otrzymaniu ciśnienia hydraulicznego AMP przekształca swoje wydłużenie wzdłużne w promieniowe rozszerzanie blachy.Warto również zauważyć, że zarówno średnica zewnętrzna, jak i wewnętrzna kształtu spiralnego są zwiększone ze względu na promieniowe ograniczenie włókien.Rysunek 2D pokazuje, że przy przyłożonym ciśnieniu hydraulicznym 1 MPa kształt okrągłego arkusza rozszerza się do 25% jego pierwotnej powierzchni.
Przedstawiamy tutaj drugie podejście do tworzenia inteligentnych tekstyliów, w którym przyklejamy AMF do płaskiego kawałka tkaniny i zmieniamy jego konfigurację ze struktury pasywnej na aktywnie kontrolowaną.Schemat konstrukcyjny napędu gnącego pokazano na ryc.3A, gdzie AMP jest złożony na środku i przyklejony dwustronną taśmą jako klejem do paska nierozciągliwej tkaniny (tkaniny muślinowej bawełnianej).Po zgrzaniu górna część AMF może się swobodnie rozciągać, podczas gdy dolna część jest ograniczona taśmą i tkaniną, co powoduje wyginanie się paska w kierunku tkaniny.Możemy dezaktywować dowolną część siłownika gięcia w dowolnym miejscu, po prostu przyklejając na nią pasek taśmy.Dezaktywowany segment nie może się poruszać i staje się segmentem pasywnym.
Tkaniny są rekonfigurowane poprzez naklejenie AMF na tradycyjne tkaniny.(A) Koncepcja konstrukcyjna napędu gnącego wykonana poprzez naklejenie złożonego AMF na nierozciągliwą tkaninę.(B) Zagięcie prototypu siłownika.(C) Rekonfiguracja prostokątnego materiału w aktywnego czworonożnego robota.Tkanina nieelastyczna: jersey bawełniany.Tkanina rozciągliwa: poliester.Szczegółowe specyfikacje można znaleźć w sekcji Metody.
Wykonaliśmy kilka prototypowych siłowników gnących o różnych długościach i poddaliśmy je działaniu układu hydraulicznego, aby wytworzyć ruch zginający (rysunek 3B).Co ważne, AMF można ułożyć w linii prostej lub złożyć w wiele nitek, a następnie przykleić do tkaniny, tworząc napęd gnący z odpowiednią ilością nitek.Przekształciliśmy także pasywny arkusz tkanki w aktywną strukturę czworonoga (ryc. 3C), gdzie użyliśmy AMF do wytyczenia granic prostokątnej nierozciągliwej tkanki (tkanina muślinowa bawełniana).AMP mocuje się do tkaniny za pomocą kawałka dwustronnej taśmy.Środek każdej krawędzi jest oklejony taśmą, aby stał się pasywny, podczas gdy cztery rogi pozostają aktywne.Górne pokrycie z elastycznej tkaniny (poliester) jest opcjonalne.Cztery rogi materiału wyginają się (wyglądają jak nogi) po naciśnięciu.
Zbudowaliśmy stanowisko testowe, aby ilościowo badać właściwości opracowanych inteligentnych tekstyliów (patrz sekcja Metody i rysunek uzupełniający S1).Ponieważ wszystkie próbki wykonano z AMF, ogólny trend wyników eksperymentów (rys. 4) jest zgodny z główną charakterystyką AMF, a mianowicie, że ciśnienie wlotowe jest wprost proporcjonalne do wydłużenia wylotowego i odwrotnie proporcjonalne do siły ściskającej.Jednakże te inteligentne tkaniny mają unikalne cechy, które odzwierciedlają ich specyficzne konfiguracje.
Zawiera inteligentne konfiguracje tekstylne.(A, B) Krzywe histerezy dla ciśnienia wlotowego i wydłużenia wylotowego oraz siły dla tkanych arkuszy.(C) Rozszerzenie obszaru tkanego arkusza.(D,E) Zależność pomiędzy ciśnieniem wejściowym a wydłużeniem wyjściowym i siłą dla dzianin.(F) Ekspansja powierzchniowa konstrukcji rozszerzających się promieniowo.(G) Kąty gięcia trzech różnych długości napędów gnących.
Każdy AMF tkanego arkusza poddano ciśnieniu wlotowemu wynoszącemu 1 MPa, aby wytworzyć wydłużenie o około 30% (ryc. 4A).Wybraliśmy ten próg dla całego eksperymentu z kilku powodów: (1) aby stworzyć znaczne wydłużenie (około 30%), aby podkreślić ich krzywe histerezy, (2) aby zapobiec cyklicznym zmianom z różnych eksperymentów i prototypów wielokrotnego użytku, skutkującym przypadkowym uszkodzeniem lub awarią..pod wysokim ciśnieniem płynu.Strefa martwa jest wyraźnie widoczna, a oplot pozostaje w bezruchu do momentu osiągnięcia ciśnienia wlotowego 0,3 MPa.Wykres histerezy wydłużenia pod ciśnieniem pokazuje dużą przerwę pomiędzy fazami pompowania i uwalniania, co wskazuje, że następuje znaczna strata energii, gdy tkany arkusz zmienia swój ruch z rozszerzania na kurczenie się.(Rys. 4A).Po uzyskaniu ciśnienia wlotowego 1 MPa tkany arkusz mógł wywierać siłę skurczu 5,6 N (rys. 4B).Wykres histerezy siły nacisku pokazuje również, że krzywa resetowania prawie pokrywa się z krzywą wzrostu ciśnienia.Rozszerzanie powierzchni tkanego arkusza zależało od wielkości nacisku przyłożonego do każdego z dwóch AMF, jak pokazano na wykresie powierzchni 3D (rysunek 4C).Doświadczenia pokazują również, że tkany arkusz może zwiększyć powierzchnię o 66%, gdy jego osnowa i wątek AMF zostaną jednocześnie poddane ciśnieniu hydraulicznemu o wartości 1 MPa.
Wyniki eksperymentów dla arkusza dzianego wykazują podobny wzór do arkusza tkanego, w tym szeroką przerwę histerezy na wykresie rozciągania-nacisku i nakładające się krzywe siły nacisku.Dziany arkusz wykazywał wydłużenie 30%, po czym siła ściskająca wyniosła 9 N przy ciśnieniu wlotowym 1 MPa (rys. 4D, E).
W przypadku arkusza tkanego okrągło jego powierzchnia początkowa wzrosła o 25% w porównaniu do powierzchni początkowej po poddaniu działaniu ciśnienia cieczy o wartości 1 MPa (rys. 4F).Zanim próbka zacznie się rozszerzać, istnieje duża martwa strefa ciśnienia wlotowego do 0,7 MPa.Spodziewano się tej dużej martwej strefy, ponieważ próbki wykonano z większych AMF, które wymagały wyższych ciśnień, aby pokonać ich początkowe naprężenie.Na ryc.4F pokazuje również, że krzywa uwalniania prawie pokrywa się z krzywą wzrostu ciśnienia, co wskazuje na niewielką utratę energii przy zmianie ruchu dysku.
Wyniki eksperymentów dla trzech siłowników zginających (rekonfiguracja tkanki) pokazują, że ich krzywe histerezy mają podobny wzór (rysunek 4G), gdzie przed podniesieniem występują martwe strefy ciśnienia wlotowego do 0,2 MPa.Tę samą objętość płynu (0,035 ml) nanieśliśmy na trzy napędy gnące (L20, L30 i L50 mm).Jednakże każdy siłownik doświadczał różnych szczytów ciśnienia i wykazywał różne kąty zgięcia.Siłowniki L20 i L30 mm wykazywały ciśnienie wlotowe wynoszące 0,72 i 0,67 MPa, osiągając kąty zgięcia odpowiednio 167° i 194°.Najdłuższy napęd gnący (długość 50 mm) wytrzymał nacisk 0,61 MPa i osiągnął maksymalny kąt gięcia 236°.Wykresy histerezy kąta ciśnienia ujawniły również stosunkowo duże odstępy pomiędzy krzywymi zwiększania i zwalniania dla wszystkich trzech napędów zginających.
Zależność między objętością wejściową a właściwościami wyjściowymi (wydłużenie, siła, rozszerzanie obszaru, kąt zgięcia) dla powyższych inteligentnych konfiguracji tekstylnych można znaleźć na rysunku uzupełniającym S2.
Wyniki eksperymentów w poprzedniej sekcji wyraźnie pokazują proporcjonalną zależność pomiędzy przyłożonym ciśnieniem wlotowym i wydłużeniem wylotowym próbek AMF.Im silniejsze jest naprężenie AMB, tym większe jest jego wydłużenie i tym więcej gromadzi się energii sprężystości.Dlatego tym większa jest siła ściskająca, jaką wywiera.Wyniki wykazały również, że próbki osiągnęły maksymalną siłę ściskania po całkowitym usunięciu ciśnienia wlotowego.Celem tej sekcji jest ustalenie bezpośredniego związku pomiędzy wydłużeniem a maksymalną siłą skurczu dzianin i tkanin poprzez modelowanie analityczne i weryfikację eksperymentalną.
Maksymalna siła skurczu Fout (przy ciśnieniu wlotowym P = 0) pojedynczego AMF została podana w ref. 49 i ponownie wprowadzona w następujący sposób:
Wśród nich α, E i A0 to odpowiednio współczynnik rozciągania, moduł Younga i pole przekroju poprzecznego rurki silikonowej;k jest współczynnikiem sztywności cewki spiralnej;x i li to przesunięcie i długość początkowa.odpowiednio AMP.
właściwe równanie.(1) Weźmy jako przykład prześcieradła dziane i tkane (ryc. 5A, B).Siły skurczu wyrobu dzianinowego Fkv i wyrobu tkanego Fwh wyrażają się odpowiednio równaniami (2) i (3).
gdzie mk to liczba pętelek, φp to kąt pętelki dzianiny podczas wtrysku (rys. 5A), mh to liczba nitek, θhp to kąt zazębienia dzianiny podczas wtryskiwania (rys. 5B), εkv εwh to dzianinowy arkusz i odkształcenie tkanego arkusza, F0 to początkowe napięcie zwoju spiralnego.Szczegółowe wyprowadzenie równania.(2) i (3) można znaleźć w informacjach uzupełniających.
Utwórz model analityczny zależności wydłużenie-siła.(A,B) Ilustracje modeli analitycznych odpowiednio dla prześcieradeł dzianych i tkanych.(C,D) Porównanie modeli analitycznych i danych eksperymentalnych dla arkuszy dzianych i tkanych.RMSE Średni błąd kwadratowy.
Aby przetestować opracowany model, przeprowadziliśmy eksperymenty z wydłużeniem przy użyciu wzorów dzianych na ryc. 2A i próbek plecionych na ryc. 2B.Siłę skurczu mierzono w przyrostach co 5% dla każdego zablokowanego wyprostu od 0% do 50%.Średnią i odchylenie standardowe z pięciu prób przedstawiono na Rycinie 5C (działanie na drutach) i Rycinie 5D (działanie na drutach).Krzywe modelu analitycznego opisano równaniami.Parametry (2) i (3) podano w tabeli.1. Wyniki pokazują, że model analityczny jest w dobrej zgodności z danymi eksperymentalnymi w całym zakresie wydłużenia, przy średnim błędzie kwadratowym (RMSE) wynoszącym 0,34 N dla dzianiny, 0,21 N dla tkaniny AMF H (kierunek poziomy) i 0,17 N do tkanego AMF.V (kierunek pionowy).
Oprócz podstawowych ruchów proponowane inteligentne tekstylia można zaprogramować mechanicznie, aby zapewnić bardziej złożone ruchy, takie jak zgięcie w kształcie litery S, skurcz promieniowy i deformacja 2D do 3D.Przedstawiamy tutaj kilka metod programowania płaskich inteligentnych tekstyliów w pożądane struktury.
Oprócz rozszerzania domeny w kierunku liniowym, jednokierunkowe tkane arkusze można zaprogramować mechanicznie w celu wytworzenia ruchu multimodalnego (ryc. 6A).Konfigurujemy przedłużenie plecionego arkusza jako ruch zginający, ograniczając jedną z jego powierzchni (górną lub dolną) nicią do szycia.Arkusze mają tendencję do wyginania się w kierunku powierzchni ograniczającej pod naciskiem.Na ryc.6A pokazuje dwa przykłady tkanych paneli, które przyjmują kształt litery S, gdy jedna połowa jest ściśnięta na górnej stronie, a druga połowa jest ściśnięta na dolnej stronie.Alternatywnie można utworzyć kołowy ruch zginający, w którym ograniczona jest tylko cała powierzchnia.Z jednokierunkowego plecionego arkusza można również wykonać rękaw zaciskowy, łącząc jego dwa końce w strukturę rurową (ryc. 6B).Rękaw zakłada się na palec wskazujący, aby zapewnić ucisk, co jest formą masażu łagodzącego ból lub poprawiającego krążenie.Można go skalować, aby dopasować go do innych części ciała, takich jak ramiona, biodra i nogi.
Możliwość tkania arkuszy w jednym kierunku.(A) Tworzenie odkształcalnych struktur dzięki programowalności kształtu nici szwalniczych.(B) Tuleja uciskowa na palec.(C) Inna wersja plecionki i jej wykonanie jako rękawa uciskowego przedramienia.(D) Kolejny prototyp rękawa uciskowego wykonany z AMF typu M, przędzy akrylowej i pasków na rzepy.Szczegółowe specyfikacje można znaleźć w sekcji Metody.
Figura 6C przedstawia inny przykład jednokierunkowo tkanego arkusza wykonanego z pojedynczego AMF i przędzy bawełnianej.Arkusz może rozszerzać się o 45% (przy ciśnieniu 1,2 MPa) lub powodować ruch kołowy pod ciśnieniem.Dodaliśmy również prześcieradło, aby stworzyć rękaw uciskowy na przedramię, mocując paski magnetyczne na końcu prześcieradła.Kolejny prototyp rękawa uciskowego przedramienia pokazano na ryc. 6D, w którym wykonano jednokierunkowe plecione arkusze z AMF typu M (patrz Metody) i przędzy akrylowej w celu wygenerowania większych sił ściskających.Końcówki prześcieradeł wyposażyliśmy w paski z rzepami, ułatwiające mocowanie i dostosowane do różnych rozmiarów dłoni.
Technikę utwierdzania, która przekształca rozciąganie liniowe w ruch zginający, można zastosować również w przypadku arkuszy tkanych dwukierunkowo.Nici bawełniane wplatamy po jednej stronie tkanych arkuszy osnowy i wątku, tak aby nie rozszerzały się (ryc. 7A).Zatem, gdy dwa AMF niezależnie od siebie otrzymują ciśnienie hydrauliczne, arkusz ulega dwukierunkowemu ruchowi zginania, tworząc dowolną trójwymiarową strukturę.W innym podejściu używamy nierozciągliwych przędz, aby ograniczyć jeden kierunek dwukierunkowo tkanych arkuszy (rysunek 7B).W ten sposób arkusz może wykonywać niezależne ruchy zginania i rozciągania, gdy odpowiedni AMF znajduje się pod ciśnieniem.Na ryc.7B przedstawia przykład, w którym dwukierunkowy pleciony arkusz jest sterowany tak, aby owinąć wokół dwóch trzecich ludzkiego palca ruchem zginającym, a następnie zwiększyć jego długość, aby pokryć resztę ruchem rozciągającym.Dwukierunkowy ruch prześcieradeł może być przydatny w projektowaniu mody lub opracowywaniu inteligentnych ubrań.
Dwukierunkowy arkusz tkany, arkusz dziany i możliwości projektowania promieniowo rozszerzalnego.(A) Dwukierunkowo łączone dwukierunkowe panele wiklinowe w celu utworzenia dwukierunkowego zagięcia.(B) Jednokierunkowo ograniczone dwukierunkowe panele wiklinowe powodują elastyczność i wydłużenie.(C) Wysoce elastyczny arkusz dzianiny, który może dopasowywać się do różnych krzywizn powierzchni, a nawet tworzyć struktury rurowe.(D) wytyczenie linii środkowej promieniście rozszerzającej się struktury tworzącej kształt hiperboliczno-paraboliczny (chipsy ziemniaczane).
Połączyliśmy dwie sąsiednie pętelki górnego i dolnego rzędu części dzianej nicią do szycia, aby się nie rozplątała (ryc. 7C).Dzięki temu tkany arkusz jest w pełni elastyczny i dobrze dopasowuje się do różnych krzywizn powierzchni, takich jak powierzchnia skóry ludzkich dłoni i ramion.Stworzyliśmy również konstrukcję rurową (rękaw), łącząc końce dzianiny w kierunku jazdy.Rękaw dobrze owija się wokół palca wskazującego osoby (ryc. 7C).Falistość tkaniny zapewnia doskonałe dopasowanie i odkształcalność, dzięki czemu można ją nosić w eleganckich stylizacjach (rękawiczki, rękawy uciskowe), zapewniając komfort (poprzez dopasowanie) i efekt terapeutyczny (poprzez kompresję).
Oprócz promieniowego rozszerzania 2D w wielu kierunkach, okrągłe arkusze tkane można również zaprogramować w celu utworzenia struktur 3D.Linię środkową okrągłego oplotu ograniczyliśmy przędzą akrylową, aby zaburzyć jego równomierną rozszerzalność promieniową.W rezultacie pierwotny, płaski kształt okrągło tkanego arkusza po działaniu nacisku został przekształcony w hiperboliczny kształt paraboliczny (lub chipsy ziemniaczane) (rys. 7D).Tę zdolność zmiany kształtu można zastosować w postaci mechanizmu podnoszącego, soczewki optycznej, nóg robota mobilnego lub może być przydatna w projektowaniu mody i robotach bionicznych.
Opracowaliśmy prostą technikę tworzenia napędów zginających poprzez naklejenie AMF na pasek nierozciągliwej tkaniny (Rysunek 3).Używamy tej koncepcji do tworzenia wątków z programowalnym kształtem, w których możemy strategicznie rozmieścić wiele aktywnych i pasywnych sekcji w jednym AMF, aby stworzyć pożądane kształty.Wyprodukowaliśmy i zaprogramowaliśmy cztery aktywne włókna, które mogły zmieniać swój kształt z prostego na literowy (UNSW) w miarę wzrostu ciśnienia (rysunek uzupełniający S4).Ta prosta metoda pozwala na odkształcenie AMF w celu przekształcenia linii 1D w kształty 2D, a być może nawet struktury 3D.
W podobny sposób użyliśmy pojedynczego AMF do rekonfiguracji kawałka pasywnej normalnej tkanki w aktywnego czworonoga (ryc. 8A).Koncepcje routingu i programowania są podobne do tych pokazanych na rysunku 3C.Jednak zamiast prostokątnych prześcieradeł zaczęto używać tkanin o czworonożnym wzorze (żółw, muślin bawełniany).Dzięki temu nogi są dłuższe, a konstrukcję można podnieść wyżej.Wysokość konstrukcji stopniowo wzrasta pod naciskiem, aż jej nogi znajdą się prostopadle do podłoża.Jeśli ciśnienie wlotowe będzie nadal rosło, nogi opadną do wewnątrz, obniżając wysokość konstrukcji.Czworonogi mogą poruszać się, jeśli ich nogi są wyposażone w jednokierunkowe wzorce lub wykorzystują wiele AMF w strategiach manipulacji ruchem.Miękkie roboty lokomocyjne są potrzebne do różnorodnych zadań, w tym do ratownictwa podczas pożarów lasów, zawalonych budynków lub w niebezpiecznych środowiskach, a także do robotów dostarczających leki medyczne.
Tkanina jest ponownie konfigurowana, aby stworzyć struktury zmieniające kształt.(A) Przyklej AMF do krawędzi pasywnej tkaniny, zamieniając ją w sterowaną konstrukcję na czterech nogach.(BD) Dwa inne przykłady rekonfiguracji tkanek, zamiany pasywnych motyli i kwiatów w aktywne.Tkanina nierozciągliwa: gładki muślin bawełniany.
Korzystamy również z prostoty i wszechstronności tej techniki rekonfiguracji tkanek, wprowadzając dwie dodatkowe struktury inspirowane biologią do zmiany kształtu (ryc. 8B-D).Dzięki trasowanemu AMF te odkształcalne w formie struktury są rekonfigurowane z arkuszy tkanki pasywnej w struktury aktywne i sterowalne.Zainspirowani motylem monarchą, stworzyliśmy zmieniającą się konstrukcję motyla, używając kawałka tkaniny w kształcie motyla (bawełnianego muślinu) i długiego kawałka AMF wetkniętego pod skrzydła.Gdy AMF jest pod ciśnieniem, skrzydła składają się.Podobnie jak u motyla monarchy, lewe i prawe skrzydło robota motyla trzepoczą w ten sam sposób, ponieważ oba są kontrolowane przez AMF.Klapy motylkowe służą wyłącznie celom wystawowym.Nie potrafi latać jak Smart Bird (Festo Corp., USA).Zrobiliśmy także kwiat z tkaniny (rysunek 8D) składający się z dwóch warstw po pięć płatków każda.Umieściliśmy AMF pod każdą warstwą za zewnętrzną krawędzią płatków.Początkowo kwiaty są w pełnym rozkwicie, a wszystkie płatki są w pełni otwarte.Pod ciśnieniem AMF powoduje ruch zginający płatków, powodując ich zamknięcie.Dwa AMF niezależnie kontrolują ruch obu warstw, podczas gdy pięć płatków jednej warstwy ugina się w tym samym czasie.
Czas publikacji: 26 grudnia 2022 r