Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Combinarea textilelor și a mușchilor artificiali pentru a crea textile inteligente atrage multă atenție atât din partea comunităților științifice, cât și a celor industriale.Textilele inteligente oferă multe beneficii, inclusiv confort adaptiv și un grad ridicat de conformitate cu obiectele, oferind în același timp o acționare activă pentru mișcarea și rezistența dorite.Acest articol prezintă o nouă clasă de țesături inteligente programabile, realizate folosind diferite metode de țesut, țesut și lipire a fibrelor musculare artificiale conduse de fluide.A fost dezvoltat un model matematic pentru a descrie raportul dintre forța de alungire a foilor textile tricotate și țesute, iar apoi validitatea acestuia a fost testată experimental.Noul material textil „inteligent” prezintă flexibilitate ridicată, conformitate și programare mecanică, permițând mișcare multimodală și capacități de deformare pentru o gamă mai largă de aplicații.Diverse prototipuri textile inteligente au fost create prin verificare experimentală, inclusiv diferite cazuri de schimbare a formei, cum ar fi alungirea (până la 65%), extinderea suprafeței (108%), expansiunea radială (25%) și mișcarea de îndoire.De asemenea, este explorat conceptul de reconfigurare a țesuturilor tradiționale pasive în structuri active pentru structuri de modelare biomimetică.Se așteaptă că textilele inteligente propuse vor facilita dezvoltarea dispozitivelor portabile inteligente, a sistemelor haptice, a roboților moi biomimetici și a dispozitivelor electronice portabile.
Roboții rigizi sunt eficienți atunci când lucrează în medii structurate, dar au probleme cu contextul necunoscut al mediilor în schimbare, ceea ce limitează utilizarea lor în căutare sau explorare.Natura continuă să ne surprindă cu multe strategii inventive pentru a face față factorilor externi și diversității.De exemplu, vîrcile plantelor cățărătoare efectuează mișcări multimodale, cum ar fi îndoirea și spiralarea, pentru a explora un mediu necunoscut în căutarea unui suport adecvat1.Capcana de muște Venus (Dionaea muscipula) are firele de păr sensibile pe frunze care, atunci când sunt declanșate, se fixează pentru a prinde prada2.În ultimii ani, deformarea sau deformarea corpurilor de la suprafețe bidimensionale (2D) la forme tridimensionale (3D) care imită structurile biologice a devenit un subiect de cercetare interesant3,4.Aceste configurații robotice moi își schimbă forma pentru a se adapta la mediile în schimbare, permit locomoția multimodală și aplică forțe pentru a efectua lucrări mecanice.Raza lor de acoperire s-a extins la o gamă largă de aplicații robotice, inclusiv dispozitive implementabile5, roboți reconfigurabili și autopliabili6,7, dispozitive biomedicale8, vehicule9,10 și electronice extensibile11.
S-au făcut multe cercetări pentru a dezvolta plăci plane programabile care, atunci când sunt activate, se transformă în structuri tridimensionale complexe3.O idee simplă pentru crearea structurilor deformabile este de a combina straturi din diferite materiale care se îndoaie și se încrețesc atunci când sunt expuse la stimuli12,13.Janbaz şi colab.14 şi Li şi colab.15 au implementat acest concept pentru a crea roboți deformabili multimodali sensibili la căldură.Structurile bazate pe origami care încorporează elemente sensibile la stimul au fost folosite pentru a crea structuri tridimensionale complexe16,17,18.Inspirat de morfogeneza structurilor biologice, Emmanuel et al.Elastomerii deformabili în formă sunt creați prin organizarea canalelor de aer într-o suprafață de cauciuc care, sub presiune, se transformă în forme tridimensionale complexe, arbitrare.
Integrarea textilelor sau a țesăturilor în roboți moi deformabili este un alt proiect de concept nou care a generat un interes larg răspândit.Textilele sunt materiale moi și elastice realizate din fire prin tehnici de țesut precum tricotat, țesut, împletitură sau țesut cu noduri.Proprietățile uimitoare ale țesăturilor, inclusiv flexibilitatea, potrivirea, elasticitatea și respirabilitatea, le fac foarte populare în orice, de la îmbrăcăminte la aplicații medicale20.Există trei abordări largi pentru încorporarea textilelor în robotică21.Prima abordare este utilizarea materialului textil ca suport pasiv sau bază pentru alte componente.În acest caz, textilele pasive oferă o potrivire confortabilă pentru utilizator atunci când transportă componente rigide (motoare, senzori, sursă de alimentare).Majoritatea roboților moi sau a exoscheletelor moi se încadrează în această abordare.De exemplu, exoschelete moi portabile pentru ajutoare pentru mers 22 și ajutoare pentru cot 23, 24, 25, mănuși moi portabile 26 pentru ajutoare pentru mâini și degete și roboți bionici moi 27.
A doua abordare este utilizarea textilelor ca componente pasive și limitate ale dispozitivelor robotice moi.Actuatoarele pe bază de textile se încadrează în această categorie, unde țesătura este de obicei construită ca un container exterior pentru a conține furtunul interior sau camera, formând un dispozitiv de acționare armat cu fibre moi.Când sunt supuse unei surse externe pneumatice sau hidraulice, aceste actuatoare moi suferă modificări de formă, inclusiv alungire, îndoire sau răsucire, în funcție de compoziția și configurația lor inițială.De exemplu, Talman et al.Îmbrăcămintea ortopedică pentru glezne, constând dintr-o serie de buzunare din material textil, a fost introdusă pentru a facilita flexia plantară pentru a restabili mersul28.Straturile textile cu extensibilitate diferită pot fi combinate pentru a crea o mișcare anizotropă 29 .OmniSkins – piei robotice moi realizate dintr-o varietate de actuatoare moi și materiale de substrat pot transforma obiecte pasive în roboți activi multifuncționali care pot efectua mișcări și deformări multimodale pentru diverse aplicații.Zhu şi colab.au dezvoltat o foaie musculară de țesut lichid31 care poate genera alungire, îndoire și diverse mișcări de deformare.Buckner şi colab.Integrați fibrele funcționale în țesuturile convenționale pentru a crea țesuturi robotizate cu funcții multiple, cum ar fi acționarea, detectarea și rigiditatea variabilă32.Alte metode din această categorie pot fi găsite în aceste lucrări 21, 33, 34, 35.
O abordare recentă pentru valorificarea proprietăților superioare ale textilelor în domeniul roboticii moale este utilizarea filamentelor reactive sau sensibile la stimul pentru a crea textile inteligente folosind metode tradiționale de fabricare a textilelor, cum ar fi metodele de țesut, tricotat și țesut21,36,37.În funcție de compoziția materialului, firul reactiv provoacă o modificare a formei atunci când este supus unei acțiuni electrice, termice sau de presiune, ceea ce duce la deformarea țesăturii.În această abordare, în care textilele tradiționale sunt integrate într-un sistem robotizat moale, remodelarea textilului are loc mai degrabă pe stratul interior (fir) decât pe stratul exterior.Ca atare, textilele inteligente oferă o manevrabilitate excelentă în ceea ce privește mișcarea multimodală, deformarea programabilă, extensibilitatea și capacitatea de a regla rigiditatea.De exemplu, aliajele cu memorie de formă (SMA) și polimerii cu memorie de formă (SMP) pot fi încorporate în țesături pentru a le controla în mod activ forma prin stimulare termică, cum ar fi tivul38, îndepărtarea ridurilor36,39, feedback tactil și tactil40,41, precum și adaptarea. îmbrăcăminte purtabilă.dispozitive 42 .Cu toate acestea, utilizarea energiei termice pentru încălzire și răcire are ca rezultat un răspuns lent și o răcire și un control dificil.Mai recent, Hiramitsu et al.Mușchii fini ai lui McKibben43,44, mușchii artificiali pneumatici, sunt folosiți ca fire de urzeală pentru a crea diferite forme de textile active prin schimbarea structurii de țesătură45.Deși această abordare oferă forțe mari, datorită naturii mușchiului McKibben, rata de expansiune a acestuia este limitată (< 50%) și nu se poate atinge dimensiunea mică (diametrul < 0,9 mm).În plus, a fost dificil să se formeze modele textile inteligente din metode de țesut care necesită colțuri ascuțite.Pentru a forma o gamă mai largă de textile inteligente, Maziz et al.Țesăturile portabile electroactive au fost dezvoltate prin tricotarea și țeserea firelor polimerice electrosensibile46.
În ultimii ani, a apărut un nou tip de mușchi artificial termosensibil, construit din fibre polimerice foarte răsucite și ieftine47,48.Aceste fibre sunt disponibile comercial și sunt ușor încorporate în țesut sau țesut pentru a produce haine inteligente la prețuri accesibile.În ciuda progreselor, aceste noi textile sensibile la căldură au timpi de răspuns limitati datorită necesității de încălzire și răcire (de exemplu, textile cu temperatură controlată) sau dificultății de a realiza modele complexe tricotate și țesute care pot fi programate pentru a genera deformațiile și mișcările dorite. .Exemplele includ expansiunea radială, transformarea formei 2D în 3D sau extinderea bidirecțională, pe care le oferim aici.
Pentru a depăși aceste probleme menționate mai sus, acest articol prezintă un nou textil inteligent, condus de fluide, fabricat din fibre musculare artificiale moi (AMF) introduse recent49,50,51.AMF-urile sunt extrem de flexibile, scalabile și pot fi reduse la un diametru de 0,8 mm și lungimi mari (cel puțin 5000 mm), oferind un raport de aspect ridicat (lungime la diametru), precum și o alungire mare (cel puțin 245%), energie ridicată. eficiență, răspuns rapid sub 20 Hz).Pentru a crea textile inteligente, folosim AMF ca fir activ pentru a forma straturi musculare active 2D prin tehnici de tricotat și țesut.Am studiat cantitativ rata de expansiune și forța de contracție a acestor țesuturi „inteligente” în ceea ce privește volumul fluidului și presiunea furnizată.Au fost dezvoltate modele analitice pentru a stabili relația forței de alungire pentru foile tricotate și țesute.De asemenea, descriem câteva tehnici de programare mecanică pentru textile inteligente pentru mișcare multimodală, inclusiv extensie bidirecțională, îndoire, extindere radială și capacitatea de a trece de la 2D la 3D.Pentru a demonstra puterea abordării noastre, vom integra și AMF în țesături comerciale sau textile pentru a le schimba configurația de la structuri pasive la active care provoacă diverse deformații.De asemenea, am demonstrat acest concept pe mai multe bancuri de testare experimentale, inclusiv îndoirea programabilă a firelor pentru a produce literele dorite și structurile biologice care schimbă forma în forma unor obiecte precum fluturi, structuri patrupede și flori.
Textilele sunt structuri bidimensionale flexibile formate din fire unidimensionale împletite, cum ar fi fire, fire și fibre.Materialul textil este una dintre cele mai vechi tehnologii ale omenirii și este utilizat pe scară largă în toate aspectele vieții datorită confortului, adaptabilității, respirabilității, esteticii și protecției sale.Textile inteligente (cunoscute și sub numele de haine inteligente sau țesături robotizate) sunt din ce în ce mai folosite în cercetare datorită potențialului lor mare în aplicații robotizate20,52.Textilele inteligente promit să îmbunătățească experiența umană de a interacționa cu obiecte moi, introducând o schimbare de paradigmă în domeniul în care mișcarea și forțele țesăturii subțiri și flexibile pot fi controlate pentru a îndeplini sarcini specifice.În această lucrare, explorăm două abordări ale producției de textile inteligente bazate pe recentul nostru AMF49: (1) folosim AMF ca fir activ pentru a crea textile inteligente folosind tehnologiile tradiționale de fabricare a textilelor;(2) introduceți AMF direct în țesăturile tradiționale pentru a stimula mișcarea și deformarea dorite.
AMF constă dintr-un tub intern de silicon pentru a furniza energie hidraulică și o bobină elicoidă externă pentru a limita expansiunea radială.Astfel, AMF-urile se alungesc longitudinal atunci când se aplică presiune și, ulterior, prezintă forțe contractile pentru a reveni la lungimea inițială atunci când presiunea este eliberată.Au proprietăți similare fibrelor tradiționale, inclusiv flexibilitate, diametru mic și lungime mare.Cu toate acestea, AMF este mai activ și mai controlat în ceea ce privește mișcarea și forța decât omologii săi convenționali.Inspirați de progresele rapide recente ale textilelor inteligente, prezentăm aici patru abordări majore pentru producerea de textile inteligente prin aplicarea AMF la o tehnologie de fabricare a țesăturilor de lungă durată (Figura 1).
Prima modalitate este țesutul.Folosim tehnologia de tricotare a bătăturii pentru a produce o țesătură tricotată reactivă care se desfășoară într-o direcție când este acționată hidraulic.Foile tricotate sunt foarte elastice și extensibile, dar tind să se desfacă mai ușor decât foile țesute.În funcție de metoda de control, AMF poate forma rânduri individuale sau produse complete.Pe lângă foile plate, modelele de tricotat tubulare sunt potrivite și pentru fabricarea structurilor goale AMF.A doua metodă este țeserea, în care folosim două AMF ca urzeală și bătătură pentru a forma o foaie țesătă dreptunghiulară care se poate extinde independent în două direcții.Foile țesute oferă mai mult control (în ambele direcții) decât foile tricotate.De asemenea, am țesut AMF din fire tradiționale pentru a face o foaie țesută mai simplă, care poate fi derulată doar într-o singură direcție.A treia metodă – expansiunea radială – este o variantă a tehnicii de țesut, în care AMP-urile sunt amplasate nu într-un dreptunghi, ci în spirală, iar firele asigură constrângere radială.În acest caz, împletitura se extinde radial sub presiunea de intrare.O a patra abordare este să lipiți AMF pe o foaie de material pasiv pentru a crea o mișcare de îndoire în direcția dorită.Am reconfigurat placa de breakout pasivă într-o placă de breakout activă, rulând AMF în jurul marginii sale.Această natură programabilă a AMF deschide nenumărate posibilități pentru structuri moi care transformă formele bio-inspirate, unde putem transforma obiectele pasive în obiecte active.Această metodă este simplă, ușoară și rapidă, dar poate compromite longevitatea prototipului.Cititorul este referit la alte abordări din literatura de specialitate care detaliază punctele forte și punctele slabe ale fiecărei proprietăți tisulare21,33,34,35.
Cele mai multe fire sau fire folosite la fabricarea țesăturilor tradiționale conțin structuri pasive.În această lucrare, folosim AMF dezvoltat anterior, care poate atinge lungimi de metri și diametre submilimetrice, pentru a înlocui firele textile pasive tradiționale cu AFM pentru a crea țesături inteligente și active pentru o gamă mai largă de aplicații.Următoarele secțiuni descriu metode detaliate de realizare a prototipurilor textile inteligente și prezintă principalele lor funcții și comportamente.
Am realizat manual trei tricouri AMF folosind tehnica de tricotare a bătăturii (Fig. 2A).Selecția materialelor și specificațiile detaliate pentru AMF și prototipuri pot fi găsite în secțiunea Metode.Fiecare AMF urmează o cale întortocheată (numită și rută) care formează o buclă simetrică.Buclele fiecărui rând sunt fixate cu bucle ale rândurilor deasupra și dedesubtul lor.Inelele unei coloane perpendiculare pe curs sunt combinate într-un arbore.Prototipul nostru tricotat este format din trei rânduri de șapte ochiuri (sau șapte ochiuri) pe fiecare rând.Inelele de sus și de jos nu sunt fixate, așa că le putem atașa la tijele metalice corespunzătoare.Prototipurile tricotate s-au desfăcut mai ușor decât țesăturile tricotate convenționale datorită rigidității mai mari a AMF în comparație cu firele convenționale.Prin urmare, am legat buclele rândurilor adiacente cu corzi elastice subțiri.
Sunt implementate diverse prototipuri textile inteligente cu diferite configurații AMF.(A) Cearceaf tricotat din trei AMF.(B) Foaie țesută bidirecțională din două AMF.(C) O foaie țesută unidirecțională realizată din AMF și fire acrilice poate suporta o sarcină de 500 g, care este de 192 de ori greutatea sa (2,6 g).(D) Structură în expansiune radială cu un AMF și fire de bumbac ca constrângere radială.Specificațiile detaliate pot fi găsite în secțiunea Metode.
Deși buclele în zig-zag ale unui tricot se pot întinde în direcții diferite, tricotul nostru prototip se extinde în primul rând în direcția buclei sub presiune din cauza limitărilor în direcția de deplasare.Alungirea fiecărui AMF contribuie la extinderea suprafeței totale a foii tricotate.În funcție de cerințele specifice, putem controla trei AMF-uri independent de la trei surse diferite de fluid (Figura 2A) sau simultan de la o sursă de fluid printr-un distribuitor de fluid 1-la-3.Pe fig.2A prezintă un exemplu de prototip tricotat, a cărui zonă inițială a crescut cu 35% în timp ce se aplică presiune la trei AMP-uri (1,2 MPa).În special, AMF realizează o alungire mare de cel puțin 250% din lungimea sa originală49, astfel încât foile tricotate se pot întinde chiar mai mult decât versiunile actuale.
De asemenea, am creat foi de țesătură bidirecționale formate din două AMF-uri folosind tehnica de țesătură simplă (Figura 2B).Urzeala și bătătura AMF sunt împletite în unghi drept, formând un model simplu încrucișat.Țesătura noastră prototip a fost clasificată ca țesătură simplă echilibrată, deoarece atât firele de urzeală, cât și cele de bătătură au fost realizate din aceeași dimensiune a firului (consultați secțiunea Metode pentru detalii).Spre deosebire de firele obișnuite care pot forma pliuri ascuțite, AMF aplicată necesită o anumită rază de îndoire atunci când se întoarce la un alt fir al modelului de țesut.Prin urmare, foile țesute din AMP au o densitate mai mică în comparație cu textilele țesute convenționale.AMF-tip S (diametrul exterior 1,49 mm) are o rază de îndoire minimă de 1,5 mm.De exemplu, țesutul prototip pe care îl prezentăm în acest articol are un model de fir de 7×7 în care fiecare intersecție este stabilizată cu un nod de cordon elastic subțire.Folosind aceeași tehnică de țesut, puteți obține mai multe șuvițe.
Când AMF-ul corespunzător primește presiunea fluidului, foaia țesută își extinde zona în direcția urzelii sau bătăturii.Prin urmare, am controlat dimensiunile foii împletite (lungime și lățime) modificând independent cantitatea de presiune de intrare aplicată celor două AMP.Pe fig.2B prezintă un prototip țesut care sa extins la 44% din suprafața sa originală în timp ce a aplicat presiune la un AMP (1,3 MPa).Odată cu acțiunea simultană a presiunii asupra a două AMF-uri, suprafața a crescut cu 108%.
De asemenea, am realizat o foaie țesătă unidirecțională dintr-un singur AMF cu urzeală și fire acrilice ca bătătură (Figura 2C).AMF-urile sunt aranjate în șapte rânduri în zig-zag, iar firele țes aceste rânduri de AMF-uri împreună pentru a forma o foaie dreptunghiulară de țesătură.Acest prototip țesut a fost mai dens decât în Fig. 2B, datorită firelor acrilice moi care umpleau cu ușurință întreaga foaie.Deoarece folosim un singur AMF ca urzeală, foaia țesută se poate extinde numai sub presiune către urzeală.Figura 2C prezintă un exemplu de prototip țesut a cărui zonă inițială crește cu 65% odată cu creșterea presiunii (1,3 MPa).În plus, această piesă împletită (cu o greutate de 2,6 grame) poate ridica o sarcină de 500 de grame, adică de 192 de ori masa sa.
În loc să aranjam AMF într-un model în zig-zag pentru a crea o foaie țesută dreptunghiulară, am fabricat o formă de spirală plată a AMF, care a fost apoi constrânsă radial cu fire de bumbac pentru a crea o foaie țesătă rotundă (Figura 2D).Rigiditatea ridicată a AMF limitează umplerea regiunii centrale a plăcii.Cu toate acestea, această căptușeală poate fi realizată din fire elastice sau țesături elastice.La primirea presiunii hidraulice, AMP își transformă alungirea longitudinală într-o dilatare radială a foii.De asemenea, este de remarcat faptul că atât diametrul exterior, cât și cel interior al formei de spirală sunt crescute datorită limitării radiale a filamentelor.Figura 2D arată că, cu o presiune hidraulică aplicată de 1 MPa, forma unei foi rotunde se extinde la 25% din aria sa inițială.
Vă prezentăm aici o a doua abordare a fabricării textilelor inteligente, în care lipim un AMF pe o bucată plată de material și o reconfiguram dintr-o structură pasivă la o structură controlată activ.Schema de proiectare a mecanismului de îndoire este prezentată în fig.3A, unde AMP este pliat pe mijloc și lipit de o bandă de țesătură inextensibilă (țesătură de muselină de bumbac) folosind bandă cu două fețe ca adeziv.Odată etanșat, partea superioară a AMF este liberă să se extindă, în timp ce partea inferioară este limitată de bandă și țesătură, ceea ce face ca banda să se îndoaie spre material.Putem dezactiva orice parte a actuatorului de îndoire oriunde prin simpla lipire a unei benzi de bandă pe el.Un segment dezactivat nu se poate mișca și devine un segment pasiv.
Țesăturile sunt reconfigurate prin lipirea AMF pe țesăturile tradiționale.(A) Concept de proiectare pentru o unitate de îndoire realizată prin lipirea unui AMF pliat pe o țesătură inextensibilă.(B) Îndoirea prototipului actuatorului.(C) Reconfigurarea unei pânze dreptunghiulare într-un robot activ cu patru picioare.Material neelastic: jerseu de bumbac.Țesătură elastică: poliester.Specificațiile detaliate pot fi găsite în secțiunea Metode.
Am realizat câteva prototipuri de actuatoare de îndoire de diferite lungimi și le-am presurizat cu hidraulice pentru a crea o mișcare de îndoire (Figura 3B).Important este că AMF poate fi așezat în linie dreaptă sau pliat pentru a forma mai multe fire și apoi lipit de material pentru a crea o unitate de îndoire cu numărul adecvat de fire.De asemenea, am convertit foaia de țesut pasiv într-o structură activă de tetrapod (Figura 3C), unde am folosit AMF pentru a direcționa marginile unui țesut dreptunghiular inextensibil (țesătură de muselină de bumbac).AMP este atașat de țesătură cu o bucată de bandă cu două fețe.Mijlocul fiecărei margini este lipit pentru a deveni pasiv, în timp ce cele patru colțuri rămân active.Capacul superior din material elastic (poliester) este opțional.Cele patru colțuri ale țesăturii se îndoaie (arata ca niște picioare) atunci când sunt apăsate.
Am construit un banc de testare pentru a studia cantitativ proprietățile textilelor inteligente dezvoltate (a se vedea secțiunea Metode și Figura suplimentară S1).Deoarece toate probele au fost realizate din AMF, tendința generală a rezultatelor experimentale (Fig. 4) este în concordanță cu principalele caracteristici ale AMF, și anume, presiunea de intrare este direct proporțională cu alungirea la ieșire și invers proporțională cu forța de compresie.Cu toate acestea, aceste țesături inteligente au caracteristici unice care reflectă configurațiile lor specifice.
Dispune de configurații textile inteligente.(A, B) Curbe de histerezis pentru presiunea de intrare și alungirea și forța la ieșire pentru foile țesute.(C) Extinderea zonei foii țesute.(D,E) Relația dintre presiunea de intrare și alungirea și forța de ieșire pentru tricotaje.(F) Extinderea zonei structurilor cu expansiune radială.(G) Unghiuri de îndoire de trei lungimi diferite ale unităților de îndoire.
Fiecare AMF al foii țesute a fost supus la o presiune de intrare de 1 MPa pentru a genera aproximativ 30% alungire (Fig. 4A).Am ales acest prag pentru întregul experiment din mai multe motive: (1) pentru a crea o alungire semnificativă (aproximativ 30%) pentru a le sublinia curbele de histerezis, (2) pentru a preveni ciclul de la diferite experimente și prototipuri reutilizabile care au ca rezultat deteriorarea sau defecțiunea accidentală..sub presiune ridicată a fluidului.Zona moartă este clar vizibilă, iar împletitura rămâne nemișcată până când presiunea de intrare atinge 0,3 MPa.Graficul histerezisului de alungire a presiunii arată un decalaj mare între fazele de pompare și de eliberare, indicând că există o pierdere semnificativă de energie atunci când foaia țesută își schimbă mișcarea de la expansiune la contracție.(Fig. 4A).După obținerea unei presiuni de intrare de 1 MPa, foaia țesută ar putea exercita o forță de contracție de 5,6 N (Fig. 4B).Graficul histerezis presiune-forță arată, de asemenea, că curba de resetare aproape se suprapune cu curba de creștere a presiunii.Expansiunea suprafeței foii țesute depindea de cantitatea de presiune aplicată fiecăruia dintre cele două AMF, așa cum se arată în graficul de suprafață 3D (Figura 4C).Experimentele arată, de asemenea, că o foaie țesută poate produce o extindere a suprafeței de 66% atunci când AMF-urile sale de urzeală și bătătură sunt supuse simultan la o presiune hidraulică de 1 MPa.
Rezultatele experimentale pentru foaia tricotată arată un model similar cu cel al foii țesute, incluzând un decalaj mare de histerezis în diagrama tensiune-presiune și curbele presiune-forță suprapuse.Foaia tricotată a prezentat o alungire de 30%, după care forța de compresie a fost de 9 N la o presiune de intrare de 1 MPa (Fig. 4D, E).
În cazul unei foi țesute rotunde, aria sa inițială a crescut cu 25% față de aria inițială după expunerea la o presiune a lichidului de 1 MPa (Fig. 4F).Înainte ca proba să înceapă să se extindă, există o zonă moartă a presiunii de intrare mare de până la 0,7 MPa.Această zonă moartă mare era de așteptat, deoarece eșantioanele au fost făcute din AMF mai mari, care necesitau presiuni mai mari pentru a depăși stresul lor inițial.Pe fig.4F arată, de asemenea, că curba de eliberare aproape coincide cu curba de creștere a presiunii, indicând o pierdere mică de energie atunci când mișcarea discului este comutată.
Rezultatele experimentale pentru cele trei actuatoare de îndoire (reconfigurarea țesuturilor) arată că curbele lor de histerezis au un model similar (Figura 4G), în care experimentează o zonă moartă a presiunii de intrare de până la 0,2 MPa înainte de ridicare.Am aplicat același volum de lichid (0,035 ml) la trei unități de îndoire (L20, L30 și L50 mm).Cu toate acestea, fiecare actuator a experimentat vârfuri de presiune diferite și a dezvoltat unghiuri de îndoire diferite.Actuatoarele L20 și L30 mm au experimentat o presiune de intrare de 0,72 și 0,67 MPa, atingând unghiuri de îndoire de 167° și respectiv 194°.Cea mai lungă unitate de îndoire (lungime 50 mm) a rezistat la o presiune de 0,61 MPa și a atins un unghi maxim de îndoire de 236°.Graficele histerezisului unghiului de presiune au dezvăluit, de asemenea, decalaje relativ mari între curbele de presurizare și de eliberare pentru toate cele trei mecanisme de îndoire.
Relația dintre volumul de intrare și proprietățile de ieșire (alungire, forță, extindere a suprafeței, unghi de îndoire) pentru configurațiile textile inteligente de mai sus poate fi găsită în Figura suplimentară S2.
Rezultatele experimentale din secțiunea anterioară demonstrează în mod clar relația proporțională dintre presiunea de intrare aplicată și alungirea la ieșire a probelor AMF.Cu cât AMB este mai puternic încordat, cu atât este mai mare alungirea pe care o dezvoltă și cu atât mai multă energie elastică se acumulează.Prin urmare, cu cât este mai mare forța de compresiune pe care o exercită.Rezultatele au arătat, de asemenea, că specimenele au atins forța maximă de compresie atunci când presiunea de intrare a fost eliminată complet.Această secțiune își propune să stabilească o relație directă între alungire și forța maximă de contracție a foilor tricotate și țesute prin modelare analitică și verificare experimentală.
Forța contractilă maximă Fout (la presiunea de intrare P = 0) a unui singur AMF a fost dată în ref. 49 și reintrodusă după cum urmează:
Printre acestea, α, E și A0 sunt factorul de întindere, modulul Young și respectiv aria secțiunii transversale a tubului de silicon;k este coeficientul de rigiditate al spiralei;x și li sunt offset și lungimea inițială.AMP, respectiv.
ecuația corectă.(1) Luați ca exemplu foile tricotate și țesute (Fig. 5A, B).Forțele de contracție ale produsului tricotat Fkv și ale produsului țesut Fwh sunt exprimate prin ecuația (2) și respectiv (3).
unde mk este numărul de bucle, φp este unghiul buclei țesăturii tricotate în timpul injectării (Fig. 5A), mh este numărul de fire, θhp este unghiul de angajare al țesăturii tricotate în timpul injectării (Fig. 5B), εkv εwh este foaia tricotată și deformarea foii țesute, F0 este tensiunea inițială a spiralei.Derivarea detaliată a ecuației.(2) și (3) pot fi găsite în informațiile justificative.
Creați un model analitic pentru relația alungire-forță.(A,B) Ilustrații de model analitic pentru foi tricotate și, respectiv, țesute.(C,D) Compararea modelelor analitice și a datelor experimentale pentru foile tricotate și țesute.RMSE Eroare pătratică medie.
Pentru a testa modelul dezvoltat, am efectuat experimente de alungire folosind modelele tricotate din Fig. 2A și mostre împletite din Fig. 2B.Forța de contracție a fost măsurată în trepte de 5% pentru fiecare extensie blocată de la 0% la 50%.Media și abaterea standard a celor cinci încercări sunt prezentate în Figura 5C (tricot) și Figura 5D (tricot).Curbele modelului analitic sunt descrise prin ecuații.Parametrii (2) și (3) sunt prezentați în tabel.1. Rezultatele arată că modelul analitic este în acord cu datele experimentale pe întregul interval de alungire cu o eroare pătratică medie (RMSE) de 0,34 N pentru tricotaje, 0,21 N pentru AMF H țesut (direcție orizontală) și 0,17 N. pentru AMF țesut .V (direcție verticală).
Pe lângă mișcările de bază, textilele inteligente propuse pot fi programate mecanic pentru a oferi mișcări mai complexe, cum ar fi îndoirea în S, contracția radială și deformarea 2D până la 3D.Vă prezentăm aici câteva metode de programare a textilelor plate inteligente în structurile dorite.
Pe lângă extinderea domeniului în direcția liniară, foile țesute unidirecționale pot fi programate mecanic pentru a crea mișcare multimodală (Fig. 6A).Reconfiguram extensia foii împletite ca o mișcare de îndoire, constrângând una dintre fețele acesteia (sus sau jos) cu fir de cusut.Foile au tendința de a se îndoi spre suprafața de delimitare sub presiune.Pe fig.6A prezintă două exemple de panouri țesute care devin în formă de S atunci când o jumătate este înghesuită pe partea superioară și cealaltă jumătate este înghesuită pe partea inferioară.Alternativ, puteți crea o mișcare circulară de îndoire în care este constrânsă doar întreaga față.O foaie împletită unidirecțională poate fi, de asemenea, transformată într-un manșon de compresie prin conectarea celor două capete ale sale într-o structură tubulară (Fig. 6B).Mâneca este purtată peste degetul arătător al unei persoane pentru a oferi compresie, o formă de terapie prin masaj pentru a calma durerea sau pentru a îmbunătăți circulația.Poate fi scalat pentru a se potrivi cu alte părți ale corpului, cum ar fi brațele, șoldurile și picioarele.
Abilitatea de a țese foi într-o singură direcție.(A) Crearea de structuri deformabile datorită programabilității formei firelor de cusut.(B) Manșon de compresie pentru degete.(C) O altă versiune a foii împletite și implementarea ei ca manșon de compresie pentru antebraț.(D) Un alt prototip de manșon de compresie realizat din AMF tip M, fire acrilice și curele Velcro.Specificațiile detaliate pot fi găsite în secțiunea Metode.
Figura 6C prezintă un alt exemplu de foaie țesută unidirecțională realizată dintr-un singur AMF și fire de bumbac.Foaia se poate extinde cu 45% în zonă (la 1,2 MPa) sau poate provoca mișcare circulară sub presiune.De asemenea, am încorporat o foaie pentru a crea un manșon de compresie pentru antebraț prin atașarea curelelor magnetice la capătul foii.Un alt prototip de manșon de compresie pentru antebraț este prezentat în Fig. 6D, în care foile împletite unidirecționale au fost realizate din tip M AMF (vezi Metode) și fire acrilice pentru a genera forțe de compresie mai puternice.Am echipat capetele cearșafurilor cu curele Velcro pentru o atașare ușoară și pentru diferite dimensiuni ale mâinilor.
Tehnica de reținere, care transformă extensia liniară în mișcare de îndoire, este aplicabilă și foilor țesute bidirecționale.Țesem firele de bumbac pe o parte a urzelii și țesăm foile țesute astfel încât să nu se extindă (Fig. 7A).Astfel, atunci când două AMF primesc presiune hidraulică independent unul de celălalt, foaia suferă o mișcare de îndoire bidirecțională pentru a forma o structură tridimensională arbitrară.Într-o altă abordare, folosim fire inextensibile pentru a limita o direcție a foilor țesute bidirecționale (Figura 7B).Astfel, foaia poate face mișcări independente de îndoire și întindere atunci când AMF-ul corespunzător este sub presiune.Pe fig.7B prezintă un exemplu în care o foaie împletită bidirecțională este controlată să înfășoare aproximativ două treimi dintr-un deget uman cu o mișcare de îndoire și apoi să-și extindă lungimea pentru a acoperi restul cu o mișcare de întindere.Mișcarea în două sensuri a cearșafurilor poate fi utilă pentru designul modei sau dezvoltarea de îmbrăcăminte inteligentă.
Foaie țesută bidirecțională, foaie tricotată și capabilități de proiectare extensibile radial.(A) Panouri de răchită bidirecționale lipite bidirecționale pentru a crea o îndoire bidirecțională.(B) Panourile de răchită bidirecționale constrânse unidirecțional produc flexibilitate și alungire.(C) Foaie tricotată foarte elastică, care se poate conforma cu diferite curburi ale suprafeței și poate forma chiar structuri tubulare.(D) delimitarea liniei centrale a unei structuri în expansiune radială formând o formă parabolică hiperbolică (chips de cartofi).
Am conectat două bucle adiacente ale rândurilor superioare și inferioare ale piesei tricotate cu fir de cusut, astfel încât să nu se desfacă (Fig. 7C).Astfel, foaia țesută este complet flexibilă și se adaptează bine la diferite curbe ale suprafeței, cum ar fi suprafața pielii mâinilor și brațelor umane.De asemenea, am creat o structură tubulară (mânecă) prin conectarea capetelor piesei tricotate în direcția de mers.Mâneca se înfășoară bine în jurul degetului arătător al persoanei (Fig. 7C).Sinuozitatea țesăturii asigură o potrivire și deformabilitate excelente, făcându-l ușor de utilizat în purtarea inteligentă (mănuși, mâneci de compresie), oferind confort (prin potrivire) și efect terapeutic (prin compresie).
Pe lângă expansiunea radială 2D în mai multe direcții, foile țesute circulare pot fi, de asemenea, programate pentru a forma structuri 3D.Am limitat linia centrală a împletiturii rotunde cu fire acrilice pentru a-i perturba expansiunea radială uniformă.Ca rezultat, forma plată originală a foii țesute rotunde a fost transformată într-o formă parabolică hiperbolică (sau chipsuri de cartofi) după presurizare (Fig. 7D).Această capacitate de schimbare a formei ar putea fi implementată ca un mecanism de ridicare, o lentilă optică, picioare de robot mobile sau ar putea fi utilă în designul modei și roboții bionici.
Am dezvoltat o tehnică simplă pentru crearea antrenamentelor de încovoiere prin lipirea AMF pe o bandă de material non-stretch (Figura 3).Folosim acest concept pentru a crea fire programabile de formă în care putem distribui strategic mai multe secțiuni active și pasive într-un singur AMF pentru a crea formele dorite.Am fabricat și programat patru filamente active care și-ar putea schimba forma de la drept la literă (UNSW) pe măsură ce presiunea creștea (Fig. S4 suplimentară).Această metodă simplă permite deformabilitatea AMF să transforme linii 1D în forme 2D și, eventual, chiar structuri 3D.
Într-o abordare similară, am folosit un singur AMF pentru a reconfigura o bucată de țesut normal pasiv într-un tetrapod activ (Fig. 8A).Conceptele de rutare și programare sunt similare cu cele prezentate în Figura 3C.Cu toate acestea, în loc de cearșafuri dreptunghiulare, au început să folosească țesături cu un model patruped (broască țestoasă, muselină de bumbac).Prin urmare, picioarele sunt mai lungi și structura poate fi ridicată mai sus.Înălțimea structurii crește treptat sub presiune până când picioarele sale sunt perpendiculare pe sol.Dacă presiunea de admisie continuă să crească, picioarele se vor lăsa spre interior, coborând înălțimea structurii.Tetrapodele pot efectua locomoție dacă picioarele lor sunt echipate cu modele unidirecționale sau folosesc mai multe AMF cu strategii de manipulare a mișcării.Roboții de locomoție moale sunt necesari pentru o varietate de sarcini, inclusiv salvari de la incendii, clădiri prăbușite sau medii periculoase și roboți de livrare de medicamente medicale.
Țesătura este reconfigurată pentru a crea structuri care schimbă forma.(A) Lipiți AMF de marginea foii de țesătură pasivă, transformându-l într-o structură orientabilă cu patru picioare.(BD) Alte două exemple de reconfigurare a țesuturilor, transformând fluturii și florile pasive în unele active.Țesătură non-stretch: muselină simplă de bumbac.
De asemenea, profităm de simplitatea și versatilitatea acestei tehnici de reconfigurare a țesuturilor prin introducerea a două structuri bioinspirate suplimentare pentru remodelare (Figurile 8B-D).Cu un AMF rutabil, aceste structuri deformabile în formă sunt reconfigurate de la foi de țesut pasiv la structuri active și orientabile.Inspirați de fluturele monarh, am realizat o structură de fluture transformatoare folosind o bucată de material în formă de fluture (muselină de bumbac) și o bucată lungă de AMF înfiptă sub aripi.Când AMF este sub presiune, aripile se pliază în sus.La fel ca fluturele monarh, aripile stânga și dreapta ale robotului fluture bat în același mod, deoarece ambele sunt controlate de AMF.Clapele fluture sunt doar pentru afișare.Nu poate zbura ca Smart Bird (Festo Corp., SUA).De asemenea, am realizat o floare de material textil (Figura 8D) formată din două straturi a câte cinci petale fiecare.Am plasat AMF-ul sub fiecare strat după marginea exterioară a petalelor.Inițial, florile sunt în plină floare, cu toate petalele complet deschise.Sub presiune, AMF provoacă o mișcare de îndoire a petalelor, determinând închiderea acestora.Cele două AMF controlează în mod independent mișcarea celor două straturi, în timp ce cele cinci petale ale unui strat se flexează în același timp.
Ora postării: 26-12-2022