Tekstil pintar menggunakan gentian otot tiruan yang dipacu cecair

Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Menggabungkan tekstil dan otot tiruan untuk mencipta tekstil pintar menarik banyak perhatian daripada kedua-dua komuniti saintifik dan industri.Tekstil pintar menawarkan banyak faedah, termasuk keselesaan penyesuaian dan tahap pematuhan yang tinggi kepada objek sambil menyediakan penggerak aktif untuk pergerakan dan kekuatan yang diingini.Artikel ini membentangkan kelas baharu fabrik pintar boleh atur cara yang dibuat menggunakan pelbagai kaedah menenun, menenun dan melekatkan gentian otot tiruan yang dipacu cecair.Model matematik telah dibangunkan untuk menerangkan nisbah daya pemanjangan helaian tekstil rajutan dan tenunan, dan kemudian kesahihannya diuji secara eksperimen.Tekstil "pintar" baharu menampilkan fleksibiliti tinggi, kesesuaian dan pengaturcaraan mekanikal, membolehkan pergerakan berbilang mod dan keupayaan ubah bentuk untuk pelbagai aplikasi yang lebih luas.Pelbagai prototaip tekstil pintar telah dicipta melalui pengesahan eksperimen, termasuk pelbagai kes perubahan bentuk seperti pemanjangan (sehingga 65%), pengembangan kawasan (108%), pengembangan jejari (25%) dan gerakan lentur.Konsep konfigurasi semula tisu tradisional pasif kepada struktur aktif untuk struktur pembentukan biomimetik juga sedang diterokai.Tekstil pintar yang dicadangkan dijangka memudahkan pembangunan boleh pakai pintar, sistem haptik, robot lembut biomimetik dan elektronik boleh pakai.
Robot tegar berkesan apabila bekerja dalam persekitaran berstruktur, tetapi mempunyai masalah dengan konteks yang tidak diketahui dalam persekitaran yang berubah-ubah, yang mengehadkan penggunaannya dalam carian atau penerokaan.Alam semula jadi terus mengejutkan kita dengan banyak strategi inventif untuk menangani faktor luaran dan kepelbagaian.Contohnya, sulur tumbuhan memanjat melakukan pergerakan multimodal, seperti membongkok dan berpusing, untuk meneroka persekitaran yang tidak diketahui untuk mencari sokongan yang sesuai1.Perangkap lalat Zuhrah (Dionaea muscipula) mempunyai bulu-bulu sensitif pada daunnya yang apabila dicetuskan, tersepit ke tempatnya untuk menangkap mangsa2.Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, ubah bentuk atau ubah bentuk jasad daripada permukaan dua dimensi (2D) kepada bentuk tiga dimensi (3D) yang meniru struktur biologi telah menjadi topik penyelidikan yang menarik3,4.Konfigurasi robotik lembut ini berubah bentuk untuk menyesuaikan diri dengan persekitaran yang berubah-ubah, membolehkan pergerakan multimodal, dan menggunakan daya untuk melakukan kerja mekanikal.Jangkauan mereka telah meluas kepada pelbagai aplikasi robotik, termasuk boleh pakai5, robot boleh konfigurasi semula dan boleh lipat sendiri6,7, peranti bioperubatan8, kenderaan9,10 dan elektronik boleh kembang11.
Banyak penyelidikan telah dilakukan untuk membangunkan plat rata boleh atur cara yang, apabila diaktifkan, berubah menjadi struktur tiga dimensi yang kompleks3.Idea mudah untuk mencipta struktur boleh ubah bentuk adalah dengan menggabungkan lapisan bahan berbeza yang melentur dan berkedut apabila terdedah kepada rangsangan12,13.Janbaz et al.14 dan Li et al.15 telah melaksanakan konsep ini untuk mencipta robot boleh ubah bentuk pelbagai mod sensitif haba.Struktur berasaskan origami yang menggabungkan elemen gerak balas rangsangan telah digunakan untuk mencipta struktur tiga dimensi yang kompleks16,17,18.Diilhamkan oleh morfogenesis struktur biologi, Emmanuel et al.Elastomer boleh ubah bentuk bentuk dicipta dengan mengatur saluran udara dalam permukaan getah yang, di bawah tekanan, berubah menjadi bentuk tiga dimensi yang kompleks dan sewenang-wenangnya.
Penyepaduan tekstil atau fabrik ke dalam robot lembut boleh ubah bentuk adalah satu lagi projek konsep baharu yang telah menjana minat yang meluas.Tekstil ialah bahan lembut dan anjal yang diperbuat daripada benang dengan teknik tenunan seperti mengait, menganyam, jalinan, atau menganyam simpul.Ciri-ciri fabrik yang menakjubkan, termasuk fleksibiliti, kesesuaian, keanjalan dan kebolehnafasan, menjadikannya sangat popular dalam segala-galanya daripada pakaian hingga aplikasi perubatan20.Terdapat tiga pendekatan luas untuk menggabungkan tekstil ke dalam robotik21.Pendekatan pertama ialah menggunakan tekstil sebagai sandaran pasif atau asas untuk komponen lain.Dalam kes ini, tekstil pasif memberikan kesesuaian yang selesa untuk pengguna apabila membawa komponen tegar (motor, sensor, bekalan kuasa).Kebanyakan robot boleh pakai lembut atau eksoskeleton lembut berada di bawah pendekatan ini.Contohnya, exoskeleton boleh pakai lembut untuk alat bantu berjalan 22 dan alat bantu siku 23, 24, 25, sarung tangan boleh pakai lembut 26 untuk bantuan tangan dan jari, dan robot lembut bionik 27.
Pendekatan kedua ialah menggunakan tekstil sebagai komponen pasif dan terhad peranti robotik lembut.Penggerak berasaskan tekstil termasuk dalam kategori ini, di mana fabrik biasanya dibina sebagai bekas luar untuk mengandungi hos atau ruang dalam, membentuk penggerak bertetulang gentian lembut.Apabila tertakluk kepada sumber pneumatik atau hidraulik luaran, penggerak lembut ini mengalami perubahan bentuk, termasuk pemanjangan, lenturan atau berpusing, bergantung pada komposisi dan konfigurasi asalnya.Sebagai contoh, Talman et al.Pakaian buku lali ortopedik, yang terdiri daripada satu siri poket fabrik, telah diperkenalkan untuk memudahkan fleksi plantar untuk memulihkan gaya berjalan28.Lapisan tekstil dengan kebolehlanjutan yang berbeza boleh digabungkan untuk mewujudkan pergerakan anisotropik 29 .OmniSkins – kulit robotik lembut yang diperbuat daripada pelbagai penggerak lembut dan bahan substrat boleh mengubah objek pasif menjadi robot aktif pelbagai fungsi yang boleh melakukan pergerakan dan ubah bentuk pelbagai mod untuk pelbagai aplikasi.Zhu et al.telah membangunkan lembaran otot tisu cecair31 yang boleh menghasilkan pemanjangan, lenturan, dan pelbagai gerakan ubah bentuk.Buckner et al.Mengintegrasikan gentian berfungsi ke dalam tisu konvensional untuk mencipta tisu robotik dengan pelbagai fungsi seperti penggerak, penderiaan dan kekakuan berubah-ubah32.Kaedah lain dalam kategori ini boleh didapati dalam kertas ini 21, 33, 34, 35.
Pendekatan terkini untuk memanfaatkan sifat unggul tekstil dalam bidang robotik lembut ialah menggunakan filamen reaktif atau responsif rangsangan untuk mencipta tekstil pintar menggunakan kaedah pembuatan tekstil tradisional seperti kaedah menenun, mengait dan menenun21,36,37.Bergantung pada komposisi bahan, benang reaktif menyebabkan perubahan bentuk apabila tertakluk kepada tindakan elektrik, haba atau tekanan, yang membawa kepada ubah bentuk fabrik.Dalam pendekatan ini, di mana tekstil tradisional diintegrasikan ke dalam sistem robotik lembut, pembentukan semula tekstil berlaku pada lapisan dalam (benang) dan bukannya lapisan luar.Oleh itu, tekstil pintar menawarkan pengendalian yang sangat baik dari segi pergerakan multimodal, ubah bentuk boleh atur cara, kebolehregangan, dan keupayaan untuk melaraskan kekakuan.Contohnya, aloi ingatan bentuk (SMA) dan polimer ingatan bentuk (SMP) boleh digabungkan ke dalam fabrik untuk mengawal bentuknya secara aktif melalui rangsangan haba, seperti hemming38, penyingkiran kedut36,39, maklum balas sentuhan dan sentuhan40,41, serta penyesuaian. pakaian yang boleh dipakai.peranti 42 .Walau bagaimanapun, penggunaan tenaga haba untuk pemanasan dan penyejukan mengakibatkan tindak balas yang perlahan dan penyejukan dan kawalan yang sukar.Baru-baru ini, Hiramitsu et al.Otot halus McKibben43,44, otot tiruan pneumatik, digunakan sebagai benang meledingkan untuk mencipta pelbagai bentuk tekstil aktif dengan mengubah struktur tenunan45.Walaupun pendekatan ini memberikan daya yang tinggi, kerana sifat otot McKibben, kadar pengembangannya adalah terhad (< 50%) dan saiz kecil tidak dapat dicapai (diameter < 0.9 mm).Selain itu, sukar untuk membentuk corak tekstil pintar daripada kaedah tenunan yang memerlukan sudut tajam.Untuk membentuk rangkaian tekstil pintar yang lebih luas, Maziz et al.Tekstil boleh pakai elektroaktif telah dibangunkan dengan mengait dan menenun benang polimer elektrosensitif46.
Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, jenis baru otot tiruan termosensitif telah muncul, dibina daripada gentian polimer yang sangat berpintal dan murah47,48.Gentian ini boleh didapati secara komersial dan mudah digabungkan ke dalam tenunan atau tenunan untuk menghasilkan pakaian pintar yang mampu dimiliki.Walaupun terdapat kemajuan, tekstil sensitif haba baharu ini mempunyai masa tindak balas yang terhad kerana keperluan untuk pemanasan dan penyejukan (cth tekstil terkawal suhu) atau kesukaran membuat corak rajutan dan tenunan kompleks yang boleh diprogramkan untuk menghasilkan ubah bentuk dan pergerakan yang diingini. .Contohnya termasuk pengembangan jejari, transformasi bentuk 2D kepada 3D atau pengembangan dua arah, yang kami tawarkan di sini.
Untuk mengatasi masalah yang disebutkan di atas, artikel ini mempersembahkan tekstil pintar pacuan bendalir baharu yang diperbuat daripada gentian otot tiruan lembut (AMF)49,50,51 yang diperkenalkan baru-baru ini.AMF sangat fleksibel, berskala dan boleh dikurangkan kepada diameter 0.8 mm dan panjang besar (sekurang-kurangnya 5000 mm), menawarkan nisbah aspek tinggi (panjang kepada diameter) serta pemanjangan tinggi (sekurang-kurangnya 245%), tenaga tinggi kecekapan, kurang daripada 20Hz tindak balas pantas).Untuk mencipta tekstil pintar, kami menggunakan AMF sebagai benang aktif untuk membentuk lapisan otot aktif 2D melalui teknik mengait dan menganyam.Kami telah mengkaji secara kuantitatif kadar pengembangan dan daya penguncupan tisu "pintar" ini dari segi isipadu cecair dan tekanan yang dihantar.Model analisis telah dibangunkan untuk mewujudkan hubungan daya pemanjangan untuk helaian rajutan dan tenunan.Kami juga menerangkan beberapa teknik pengaturcaraan mekanikal untuk tekstil pintar untuk pergerakan multimodal, termasuk sambungan dua arah, lenturan, pengembangan jejari dan keupayaan untuk beralih daripada 2D kepada 3D.Untuk menunjukkan kekuatan pendekatan kami, kami juga akan menyepadukan AMF ke dalam fabrik komersial atau tekstil untuk menukar konfigurasinya daripada struktur pasif kepada aktif yang menyebabkan pelbagai ubah bentuk.Kami juga telah menunjukkan konsep ini pada beberapa bangku ujian eksperimen, termasuk lenturan benang yang boleh diprogramkan untuk menghasilkan huruf yang diingini dan struktur biologi yang mengubah bentuk ke dalam bentuk objek seperti rama-rama, struktur berkaki empat dan bunga.
Tekstil ialah struktur dua dimensi fleksibel yang terbentuk daripada tenunan benang satu dimensi seperti benang, benang dan gentian.Tekstil adalah salah satu teknologi tertua manusia dan digunakan secara meluas dalam semua aspek kehidupan kerana keselesaan, kebolehsuaian, kebolehnafasan, estetika dan perlindungannya.Tekstil pintar (juga dikenali sebagai pakaian pintar atau fabrik robotik) semakin digunakan dalam penyelidikan kerana potensi besarnya dalam aplikasi robotik20,52.Tekstil pintar berjanji untuk meningkatkan pengalaman manusia berinteraksi dengan objek lembut, membawa kepada anjakan paradigma dalam bidang di mana pergerakan dan daya fabrik nipis dan fleksibel boleh dikawal untuk melaksanakan tugas tertentu.Dalam kertas kerja ini, kami meneroka dua pendekatan kepada pengeluaran tekstil pintar berdasarkan AMF49 kami baru-baru ini: (1) menggunakan AMF sebagai benang aktif untuk mencipta tekstil pintar menggunakan teknologi pembuatan tekstil tradisional;(2) masukkan AMF terus ke dalam fabrik tradisional untuk merangsang pergerakan dan ubah bentuk yang diingini.
AMF terdiri daripada tiub silikon dalaman untuk membekalkan kuasa hidraulik dan gegelung heliks luaran untuk mengehadkan pengembangan jejarinya.Oleh itu, AMF memanjang secara membujur apabila tekanan dikenakan dan seterusnya mempamerkan daya penguncupan untuk kembali ke panjang asalnya apabila tekanan dilepaskan.Mereka mempunyai sifat yang serupa dengan gentian tradisional, termasuk fleksibiliti, diameter kecil dan panjang panjang.Walau bagaimanapun, AMF lebih aktif dan terkawal dari segi pergerakan dan kekuatan berbanding rakan konvensionalnya.Diilhamkan oleh kemajuan pesat baru-baru ini dalam tekstil pintar, di sini kami membentangkan empat pendekatan utama untuk menghasilkan tekstil pintar dengan menggunakan AMF kepada teknologi pembuatan fabrik yang telah lama wujud (Rajah 1).
Cara pertama ialah menganyam.Kami menggunakan teknologi mengait pakan untuk menghasilkan fabrik rajutan reaktif yang terbentang dalam satu arah apabila digerakkan secara hidraulik.Cadar rajutan sangat tegang dan boleh diregangkan tetapi cenderung untuk terurai lebih mudah daripada cadar tenunan.Bergantung pada kaedah kawalan, AMF boleh membentuk baris individu atau produk lengkap.Sebagai tambahan kepada kepingan rata, corak mengait tiub juga sesuai untuk pembuatan struktur berongga AMF.Kaedah kedua ialah tenunan, di mana kita menggunakan dua AMF sebagai meledingkan dan pakan untuk membentuk lembaran tenunan segi empat tepat yang boleh mengembang secara bebas dalam dua arah.Cadar tenunan memberikan lebih kawalan (dalam kedua-dua arah) daripada helaian rajutan.Kami juga menganyam AMF daripada benang tradisional untuk membuat helaian tenunan yang lebih ringkas yang hanya boleh ditanggalkan dalam satu arah.Kaedah ketiga - pengembangan jejari - adalah varian teknik tenunan, di mana AMP tidak terletak dalam segi empat tepat, tetapi dalam lingkaran, dan benang memberikan kekangan jejarian.Dalam kes ini, jalinan mengembang secara jejari di bawah tekanan masuk.Pendekatan keempat ialah melekatkan AMF pada helaian fabrik pasif untuk mencipta gerakan lentur ke arah yang dikehendaki.Kami telah mengkonfigurasi semula papan pecah pasif menjadi papan pecahan aktif dengan menjalankan AMF di sekeliling tepinya.Sifat AMF yang boleh diprogramkan ini membuka banyak kemungkinan untuk struktur lembut pengubah bentuk yang diinspirasikan oleh bio di mana kita boleh menukar objek pasif kepada yang aktif.Kaedah ini mudah, mudah dan pantas, tetapi boleh menjejaskan jangka hayat prototaip.Pembaca dirujuk kepada pendekatan lain dalam literatur yang memperincikan kekuatan dan kelemahan setiap sifat tisu21,33,34,35.
Kebanyakan benang atau benang yang digunakan untuk membuat fabrik tradisional mengandungi struktur pasif.Dalam kerja ini, kami menggunakan AMF kami yang telah dibangunkan sebelum ini, yang boleh mencapai panjang meter dan diameter submilimeter, untuk menggantikan benang tekstil pasif tradisional dengan AFM untuk mencipta fabrik pintar dan aktif untuk pelbagai aplikasi yang lebih luas.Bahagian berikut menerangkan kaedah terperinci untuk membuat prototaip tekstil pintar dan membentangkan fungsi dan tingkah laku utamanya.
Kami membuat tiga jersi AMF menggunakan teknik mengait pakan (Gamb. 2A).Pemilihan bahan dan spesifikasi terperinci untuk AMF dan prototaip boleh didapati di bahagian Kaedah.Setiap AMF mengikut laluan berliku (juga dipanggil laluan) yang membentuk gelung simetri.Gelung setiap baris ditetapkan dengan gelung baris di atas dan di bawahnya.Gelang satu lajur berserenjang dengan laluan digabungkan menjadi aci.Prototaip rajutan kami terdiri daripada tiga baris tujuh jahitan (atau tujuh jahitan) dalam setiap baris.Cincin atas dan bawah tidak tetap, jadi kami boleh memasangkannya pada batang logam yang sepadan.Prototaip rajutan terurai lebih mudah daripada fabrik rajutan konvensional kerana kekukuhan AMF yang lebih tinggi berbanding benang konvensional.Oleh itu, kami mengikat gelung baris bersebelahan dengan tali elastik nipis.
Pelbagai prototaip tekstil pintar sedang dilaksanakan dengan konfigurasi AMF yang berbeza.(A) Lembaran rajutan diperbuat daripada tiga AMF.(B) Lembaran tenunan dua arah dua AMF.(C) Lembaran tenunan satu arah yang diperbuat daripada benang AMF dan akrilik boleh menanggung beban 500g, iaitu 192 kali ganda beratnya (2.6g).(D) Struktur mengembang secara jejari dengan satu AMF dan benang kapas sebagai kekangan jejarian.Spesifikasi terperinci boleh didapati di bahagian Kaedah.
Walaupun gelung zigzag rajutan boleh meregang ke arah yang berbeza, rajutan prototaip kami mengembang terutamanya ke arah gelung di bawah tekanan disebabkan oleh pengehadan arah perjalanan.Pemanjangan setiap AMF menyumbang kepada pengembangan jumlah luas helaian rajutan.Bergantung pada keperluan khusus, kami boleh mengawal tiga AMF secara bebas daripada tiga sumber cecair berbeza (Rajah 2A) atau serentak daripada satu sumber cecair melalui pengedar cecair 1 hingga 3.Pada rajah.2A menunjukkan contoh prototaip rajutan, kawasan awal yang meningkat sebanyak 35% semasa menggunakan tekanan kepada tiga AMP (1.2 MPa).Terutamanya, AMF mencapai pemanjangan tinggi sekurang-kurangnya 250% daripada panjang asalnya49 supaya helaian rajutan boleh meregang lebih daripada versi semasa.
Kami juga mencipta helaian anyaman dua hala yang terbentuk daripada dua AMF menggunakan teknik anyaman biasa (Rajah 2B).Ledingan dan pakan AMF dijalin pada sudut tepat, membentuk corak silang silang yang ringkas.Tenunan prototaip kami dikelaskan sebagai anyaman biasa seimbang kerana kedua-dua benang meledingkan dan benang dibuat daripada saiz benang yang sama (lihat bahagian Kaedah untuk butiran).Tidak seperti benang biasa yang boleh membentuk lipatan tajam, AMF yang digunakan memerlukan jejari lentur tertentu apabila kembali ke benang lain corak tenunan.Oleh itu, kepingan tenunan yang diperbuat daripada AMP mempunyai ketumpatan yang lebih rendah berbanding dengan tekstil tenunan konvensional.AMF-jenis S (diameter luar 1.49 mm) mempunyai jejari lentur minimum 1.5 mm.Sebagai contoh, tenunan prototaip yang kami bentangkan dalam artikel ini mempunyai corak benang 7×7 di mana setiap persimpangan distabilkan dengan simpulan tali elastik nipis.Menggunakan teknik tenunan yang sama, anda boleh mendapatkan lebih banyak helai.
Apabila AMF yang sepadan menerima tekanan bendalir, lembaran tenunan mengembangkan kawasannya dalam arah meledingkan atau pakan.Oleh itu, kami mengawal dimensi helaian jalinan (panjang dan lebar) dengan menukar secara bebas jumlah tekanan masuk yang dikenakan pada kedua-dua AMP.Pada rajah.2B menunjukkan prototaip tenunan yang berkembang kepada 44% daripada kawasan asalnya sambil mengenakan tekanan pada satu AMP (1.3 MPa).Dengan tindakan tekanan serentak pada dua AMF, kawasan itu meningkat sebanyak 108%.
Kami juga membuat helaian tenunan satu arah daripada satu AMF dengan benang meledingkan dan akrilik sebagai pakan (Rajah 2C).AMF disusun dalam tujuh baris zigzag dan benang menganyam baris AMF ini bersama-sama untuk membentuk helaian fabrik segi empat tepat.Prototaip tenunan ini lebih padat daripada dalam Rajah 2B, terima kasih kepada benang akrilik lembut yang mudah memenuhi seluruh helaian.Kerana kita hanya menggunakan satu AMF sebagai peleding, lembaran tenunan hanya boleh mengembang ke arah meledingkan di bawah tekanan.Rajah 2C menunjukkan contoh prototaip tenunan yang luas awalnya meningkat sebanyak 65% ​​dengan peningkatan tekanan (1.3 MPa).Selain itu, kepingan jalinan ini (berberat 2.6 gram) boleh mengangkat beban 500 gram, iaitu 192 kali ganda jisimnya.
Daripada menyusun AMF dalam corak zigzag untuk mencipta helaian tenunan segi empat tepat, kami membuat bentuk lingkaran rata AMF, yang kemudiannya dikekang secara jejari dengan benang kapas untuk mencipta helaian tenunan bulat (Rajah 2D).Ketegaran tinggi AMF mengehadkan pengisiannya di kawasan tengah plat.Walau bagaimanapun, padding ini boleh dibuat daripada benang elastik atau fabrik elastik.Apabila menerima tekanan hidraulik, AMP menukarkan pemanjangan membujurnya kepada pengembangan jejari helaian.Ia juga perlu diperhatikan bahawa kedua-dua diameter luar dan dalam bentuk lingkaran meningkat disebabkan oleh had jejarian filamen.Rajah 2D menunjukkan bahawa dengan tekanan hidraulik yang dikenakan sebanyak 1 MPa, bentuk kepingan bulat mengembang kepada 25% daripada kawasan asalnya.
Kami membentangkan di sini pendekatan kedua untuk membuat tekstil pintar di mana kami melekatkan AMF pada sekeping fabrik rata dan mengkonfigurasi semula ia daripada struktur pasif kepada terkawal secara aktif.Gambar rajah reka bentuk pemacu lentur ditunjukkan dalam rajah.3A, di mana AMP dilipat ke bahagian tengah dan dilekatkan pada jalur fabrik yang tidak boleh dipanjangkan (fabrik muslin kapas) menggunakan pita dua muka sebagai pelekat.Setelah dimeterai, bahagian atas AMF bebas untuk dilanjutkan, manakala bahagian bawah dihadkan oleh pita dan fabrik, menyebabkan jalur itu bengkok ke arah fabrik.Kita boleh menyahaktifkan mana-mana bahagian penggerak lentur di mana-mana sahaja dengan hanya melekatkan jalur pita padanya.Segmen yang dinyahaktifkan tidak boleh bergerak dan menjadi segmen pasif.
Fabrik dikonfigurasikan semula dengan melekatkan AMF pada fabrik tradisional.(A) Konsep reka bentuk untuk pemacu lentur yang dibuat dengan melekatkan AMF yang dilipat pada fabrik yang tidak boleh dipanjangkan.(B) Lenturan prototaip penggerak.(C) Konfigurasi semula kain segi empat tepat menjadi robot berkaki empat yang aktif.Fabrik tidak anjal: jersi kapas.Kain regangan: poliester.Spesifikasi terperinci boleh didapati di bahagian Kaedah.
Kami membuat beberapa prototaip penggerak lentur dengan panjang yang berbeza dan menekannya dengan hidraulik untuk mencipta gerakan lentur (Rajah 3B).Yang penting, AMF boleh dibentangkan dalam garis lurus atau dilipat untuk membentuk berbilang benang dan kemudian dilekatkan pada fabrik untuk mencipta pemacu lentur dengan bilangan benang yang sesuai.Kami juga menukar helaian tisu pasif ke dalam struktur tetrapod aktif (Rajah 3C), di mana kami menggunakan AMF untuk menghalakan sempadan tisu tidak boleh dipanjangkan segi empat tepat (kain muslin kapas).AMP dilekatkan pada kain dengan sekeping pita dua muka.Bahagian tengah setiap tepi dilekatkan untuk menjadi pasif, manakala empat sudut kekal aktif.Penutup atas kain regangan (poliester) adalah pilihan.Empat penjuru kain dibengkokkan (kelihatan seperti kaki) apabila ditekan.
Kami membina bangku ujian untuk mengkaji secara kuantitatif sifat-sifat tekstil pintar yang dibangunkan (lihat bahagian Kaedah dan Rajah Tambahan S1).Memandangkan semua sampel dibuat daripada AMF, trend umum keputusan eksperimen (Rajah 4) adalah konsisten dengan ciri utama AMF, iaitu, tekanan masuk adalah berkadar terus dengan pemanjangan alur keluar dan berkadar songsang dengan daya mampatan.Walau bagaimanapun, fabrik pintar ini mempunyai ciri unik yang mencerminkan konfigurasi khusus mereka.
Mempunyai konfigurasi tekstil pintar.(A, B) Lengkung histerisis untuk tekanan masuk dan pemanjangan alur keluar dan daya untuk kepingan tenunan.(C) Pengembangan kawasan lembaran tenunan.(D,E) Hubungan antara tekanan input dan pemanjangan output dan daya untuk pakaian rajut.(F) Perluasan kawasan struktur yang mengembang secara jejari.(G) Sudut lentur tiga panjang pemacu lentur yang berbeza.
Setiap AMF helaian tenunan tertakluk kepada tekanan masuk 1 MPa untuk menghasilkan lebih kurang 30% pemanjangan (Rajah 4A).Kami memilih ambang ini untuk keseluruhan percubaan atas beberapa sebab: (1) untuk mencipta pemanjangan yang ketara (kira-kira 30%) untuk menekankan lengkung histerisis mereka, (2) untuk mengelakkan berbasikal daripada eksperimen yang berbeza dan prototaip boleh guna semula yang mengakibatkan kerosakan atau kegagalan secara tidak sengaja..di bawah tekanan bendalir tinggi.Zon mati jelas kelihatan, dan jalinan kekal tidak bergerak sehingga tekanan masuk mencapai 0.3 MPa.Plot histeresis pemanjangan tekanan menunjukkan jurang yang besar antara fasa mengepam dan melepaskan, menunjukkan bahawa terdapat kehilangan tenaga yang ketara apabila helaian tenunan menukar gerakannya daripada pengembangan kepada penguncupan.(Gamb. 4A).Selepas mendapat tekanan masuk 1 MPa, kepingan tenunan boleh mengenakan daya penguncupan 5.6 N (Rajah 4B).Plot histerisis daya-tekanan juga menunjukkan bahawa lengkung set semula hampir bertindih dengan lengkung pembentukan tekanan.Pengembangan kawasan lembaran tenunan bergantung pada jumlah tekanan yang dikenakan pada setiap dua AMF, seperti yang ditunjukkan dalam plot permukaan 3D (Rajah 4C).Eksperimen juga menunjukkan bahawa kepingan tenunan boleh menghasilkan pengembangan kawasan sebanyak 66% apabila AMF meledingkan dan pakannya secara serentak tertakluk kepada tekanan hidraulik 1 MPa.
Keputusan eksperimen untuk helaian rajutan menunjukkan corak yang serupa dengan helaian tenunan, termasuk jurang histerisis yang luas dalam gambar rajah tegangan-tekanan dan lengkung daya-tekanan yang bertindih.Lembaran rajutan menunjukkan pemanjangan 30%, selepas itu daya mampatan adalah 9 N pada tekanan masuk 1 MPa (Rajah 4D, E).
Dalam kes helaian tenunan bulat, kawasan awalnya meningkat sebanyak 25% berbanding kawasan awal selepas terdedah kepada tekanan cecair 1 MPa (Rajah 4F).Sebelum sampel mula mengembang, terdapat zon mati tekanan masuk besar sehingga 0.7 MPa.Zon mati yang besar ini dijangka kerana sampel dibuat daripada AMF yang lebih besar yang memerlukan tekanan yang lebih tinggi untuk mengatasi tekanan awalnya.Pada rajah.4F juga menunjukkan bahawa lengkung pelepas hampir bertepatan dengan lengkung peningkatan tekanan, menunjukkan kehilangan tenaga yang sedikit apabila pergerakan cakera dihidupkan.
Keputusan eksperimen untuk tiga penggerak lentur (konfigurasi semula tisu) menunjukkan bahawa lengkung histerisis mereka mempunyai corak yang sama (Rajah 4G), di mana mereka mengalami zon mati tekanan masuk sehingga 0.2 MPa sebelum diangkat.Kami menggunakan isipadu cecair yang sama (0.035 ml) kepada tiga pemacu lentur (L20, L30 dan L50 mm).Walau bagaimanapun, setiap penggerak mengalami puncak tekanan yang berbeza dan mengembangkan sudut lentur yang berbeza.Penggerak L20 dan L30 mm mengalami tekanan masuk 0.72 dan 0.67 MPa, masing-masing mencapai sudut lentur 167° dan 194°.Pemacu lentur terpanjang (panjang 50 mm) menahan tekanan 0.61 MPa dan mencapai sudut lentur maksimum 236°.Plot histerisis sudut tekanan juga mendedahkan jurang yang agak besar antara lengkung tekanan dan pelepasan untuk ketiga-tiga pemacu lentur.
Hubungan antara isipadu input dan sifat keluaran (pemanjangan, daya, pengembangan kawasan, sudut lentur) untuk konfigurasi tekstil pintar di atas boleh didapati dalam Rajah Tambahan S2.
Keputusan eksperimen dalam bahagian sebelumnya dengan jelas menunjukkan hubungan berkadar antara tekanan masuk yang dikenakan dan pemanjangan alur keluar sampel AMF.Lebih kuat AMB tegang, lebih besar pemanjangan ia berkembang dan lebih banyak tenaga elastik ia terkumpul.Oleh itu, semakin besar daya mampatan yang dikenakannya.Keputusan juga menunjukkan bahawa spesimen mencapai daya mampatan maksimum apabila tekanan masuk dikeluarkan sepenuhnya.Bahagian ini bertujuan untuk mewujudkan hubungan langsung antara pemanjangan dan daya pengecutan maksimum helaian rajutan dan tenunan melalui pemodelan analitikal dan pengesahan eksperimen.
Daya penguncupan maksimum Fout (pada tekanan masuk P = 0) bagi satu AMF diberikan dalam ref 49 dan diperkenalkan semula seperti berikut:
Antaranya, α, E, dan A0 ialah faktor regangan, modulus Young, dan luas keratan rentas tiub silikon, masing-masing;k ialah pekali kekukuhan gegelung lingkaran;x dan li diimbangi dan panjang awal.AMP, masing-masing.
persamaan yang betul.(1) Ambil helaian rajutan dan tenunan sebagai contoh (Rajah 5A, B).Daya pengecutan hasil rajutan Fkv dan hasil tenunan Fwh dinyatakan dengan persamaan (2) dan (3), masing-masing.
di mana mk ialah bilangan gelung, φp ialah sudut gelung fabrik rajutan semasa suntikan (Rajah 5A), mh ialah bilangan benang, θhp ialah sudut penglibatan fabrik rajutan semasa suntikan (Rajah 5B), εkv εwh ialah helaian rajutan dan ubah bentuk helaian tenunan, F0 ialah tegangan awal gegelung lingkaran.Terbitan terperinci persamaan.(2) dan (3) boleh didapati dalam maklumat sokongan.
Cipta model analitikal untuk hubungan pemanjangan-daya.(A, B) Ilustrasi model analitik untuk helaian rajutan dan tenunan, masing-masing.(C, D) Perbandingan model analisis dan data eksperimen untuk helaian rajutan dan tenunan.RMSE Root bermaksud ralat kuasa dua.
Untuk menguji model yang dibangunkan, kami melakukan eksperimen pemanjangan menggunakan corak rajutan dalam Rajah 2A dan sampel jalinan dalam Rajah 2B.Daya penguncupan diukur dalam kenaikan 5% untuk setiap sambungan terkunci daripada 0% hingga 50%.Min dan sisihan piawai bagi lima percubaan ditunjukkan dalam Rajah 5C (berkait) dan Rajah 5D (berkait).Lengkung model analitik diterangkan dengan persamaan.Parameter (2) dan (3) diberikan dalam Jadual.1. Keputusan menunjukkan bahawa model analisis adalah dalam persetujuan yang baik dengan data eksperimen sepanjang julat pemanjangan dengan ralat purata kuasa dua akar (RMSE) sebanyak 0.34 N untuk pakaian rajut, 0.21 N untuk tenunan AMF H (arah mendatar) dan 0.17 N untuk tenunan AMF .V (arah menegak).
Sebagai tambahan kepada pergerakan asas, tekstil pintar yang dicadangkan boleh diprogramkan secara mekanikal untuk menyediakan pergerakan yang lebih kompleks seperti lentur-S, pengecutan jejari dan ubah bentuk 2D kepada 3D.Kami membentangkan di sini beberapa kaedah untuk memprogramkan tekstil pintar rata ke dalam struktur yang dikehendaki.
Selain mengembangkan domain dalam arah linear, helaian tenunan satu arah boleh diprogramkan secara mekanikal untuk mencipta pergerakan multimodal (Rajah 6A).Kami mengkonfigurasi semula sambungan helaian jalinan sebagai gerakan lentur, mengekang salah satu mukanya (atas atau bawah) dengan benang jahit.Lembaran cenderung membongkok ke arah permukaan yang terikat di bawah tekanan.Pada rajah.6A menunjukkan dua contoh panel tenunan yang menjadi berbentuk S apabila satu separuh sempit di bahagian atas dan separuh lagi sempit di bahagian bawah.Sebagai alternatif, anda boleh membuat gerakan membongkok bulat di mana hanya seluruh muka dikekang.Lembaran jalinan satu arah juga boleh dibuat menjadi lengan mampatan dengan menyambungkan dua hujungnya ke dalam struktur tiub (Rajah 6B).Lengan dipakai di atas jari telunjuk seseorang untuk memberikan mampatan, satu bentuk terapi urutan untuk melegakan kesakitan atau meningkatkan peredaran.Ia boleh diskalakan agar sesuai dengan bahagian badan lain seperti lengan, pinggul dan kaki.
Keupayaan untuk menenun helaian dalam satu arah.(A) Penciptaan struktur boleh ubah bentuk kerana kebolehprograman bentuk benang jahit.(B) Lengan mampatan jari.(C) Satu lagi versi helaian jalinan dan pelaksanaannya sebagai lengan mampatan lengan bawah.(D) Satu lagi prototaip lengan mampatan diperbuat daripada AMF jenis M, benang akrilik dan tali Velcro.Spesifikasi terperinci boleh didapati di bahagian Kaedah.
Rajah 6C menunjukkan satu lagi contoh helaian tenunan satu arah yang diperbuat daripada satu AMF dan benang kapas.Lembaran boleh mengembang sebanyak 45% dalam kawasan (pada 1.2 MPa) atau menyebabkan gerakan bulat di bawah tekanan.Kami juga telah memasukkan helaian untuk mencipta lengan mampatan lengan bawah dengan memasang tali magnet pada hujung helaian.Satu lagi prototaip lengan mampatan lengan bawah ditunjukkan dalam Rajah 6D, di mana helaian jalinan satu arah dibuat daripada Jenis M AMF (lihat Kaedah) dan benang akrilik untuk menjana daya mampatan yang lebih kuat.Kami telah melengkapkan hujung helaian dengan tali Velcro untuk pemasangan mudah dan untuk saiz tangan yang berbeza.
Teknik sekatan, yang menukar sambungan linear kepada gerakan lenturan, juga boleh digunakan pada helaian tenunan dua hala.Kami menenun benang kapas pada satu sisi helaian tenunan meledingkan dan pakan supaya ia tidak mengembang (Gamb. 7A).Oleh itu, apabila dua AMF menerima tekanan hidraulik secara bebas antara satu sama lain, helaian itu mengalami gerakan lentur dua arah untuk membentuk struktur tiga dimensi yang sewenang-wenangnya.Dalam pendekatan lain, kami menggunakan benang yang tidak boleh dipanjangkan untuk menghadkan satu arah helaian tenunan dua hala (Rajah 7B).Oleh itu, helaian boleh membuat pergerakan lentur dan regangan bebas apabila AMF yang sepadan berada di bawah tekanan.Pada rajah.7B menunjukkan contoh di mana helaian jalinan dua hala dikawal untuk membalut dua pertiga daripada jari manusia dengan gerakan membengkok dan kemudian memanjangkan panjangnya untuk menutup yang lain dengan gerakan regangan.Pergerakan dua hala helaian boleh berguna untuk reka bentuk fesyen atau pembangunan pakaian pintar.
Keupayaan reka bentuk yang boleh dikembangkan secara jejari, helaian tenunan dua arah, helaian rajutan.(A) Panel rotan dwiarah terikat dwiarah untuk mencipta selekoh dwiarah.(B) Panel rotan dua hala yang dikekang satu arah menghasilkan lentur dan pemanjangan.(C) Lembaran rajutan yang sangat elastik, yang boleh mematuhi kelengkungan permukaan yang berbeza dan juga membentuk struktur tiub.(D) persempadanan garis tengah struktur yang mengembang secara jejari membentuk bentuk parabola hiperbola (kerepek kentang).
Kami menyambungkan dua gelung bersebelahan baris atas dan bawah bahagian rajutan dengan benang jahit supaya ia tidak terurai (Rajah 7C).Oleh itu, helaian tenunan adalah fleksibel sepenuhnya dan menyesuaikan diri dengan pelbagai lengkung permukaan, seperti permukaan kulit tangan dan lengan manusia.Kami juga mencipta struktur tiub (lengan) dengan menyambungkan hujung bahagian rajutan ke arah perjalanan.Lengan itu melilit dengan baik di sekeliling jari telunjuk orang itu (Gamb. 7C).Kesinduan fabrik tenunan memberikan kesesuaian dan kebolehubah bentuk yang sangat baik, menjadikannya mudah digunakan dalam pakaian pintar (sarung tangan, lengan mampatan), memberikan keselesaan (melalui kesesuaian) dan kesan terapeutik (melalui pemampatan).
Selain pengembangan jejari 2D dalam pelbagai arah, helaian anyaman bulat juga boleh diprogramkan untuk membentuk struktur 3D.Kami mengehadkan garis tengah jalinan bulat dengan benang akrilik untuk mengganggu pengembangan jejari seragamnya.Akibatnya, bentuk rata asal lembaran tenunan bulat telah diubah menjadi bentuk parabola hiperbolik (atau kerepek kentang) selepas tekanan (Rajah 7D).Keupayaan mengubah bentuk ini boleh dilaksanakan sebagai mekanisme angkat, kanta optik, kaki robot mudah alih, atau boleh berguna dalam reka bentuk fesyen dan robot bionik.
Kami telah membangunkan teknik mudah untuk mencipta pemacu lentur dengan melekatkan AMF pada jalur fabrik tidak regangan (Rajah 3).Kami menggunakan konsep ini untuk mencipta bentuk benang boleh atur cara di mana kami boleh mengedarkan berbilang bahagian aktif dan pasif secara strategik dalam satu AMF untuk mencipta bentuk yang diingini.Kami mereka dan memprogramkan empat filamen aktif yang boleh mengubah bentuknya daripada terus kepada huruf (UNSW) apabila tekanan meningkat (Tambahan Rajah S4).Kaedah mudah ini membolehkan kebolehubah bentuk AMF menukar garisan 1D kepada bentuk 2D dan mungkin juga struktur 3D.
Dalam pendekatan yang sama, kami menggunakan AMF tunggal untuk mengkonfigurasi semula sekeping tisu normal pasif ke dalam tetrapod aktif (Rajah 8A).Konsep penghalaan dan pengaturcaraan adalah serupa dengan yang ditunjukkan dalam Rajah 3C.Walau bagaimanapun, bukannya helaian segi empat tepat, mereka mula menggunakan fabrik dengan corak quadrupedal (penyu, muslin kapas).Oleh itu, kaki lebih panjang dan struktur boleh dinaikkan lebih tinggi.Ketinggian struktur secara beransur-ansur meningkat di bawah tekanan sehingga kakinya berserenjang dengan tanah.Jika tekanan masuk terus meningkat, kaki akan melorot ke dalam, menurunkan ketinggian struktur.Tetrapod boleh melakukan pergerakan jika kaki mereka dilengkapi dengan corak satu arah atau menggunakan berbilang AMF dengan strategi manipulasi gerakan.Robot pergerakan lembut diperlukan untuk pelbagai tugas, termasuk menyelamat daripada kebakaran hutan, bangunan runtuh atau persekitaran berbahaya dan robot penghantaran ubat perubatan.
Fabrik dikonfigurasikan semula untuk mencipta struktur berubah bentuk.(A) Lekatkan AMF pada sempadan helaian fabrik pasif, mengubahnya menjadi struktur berkaki empat yang boleh dikendalikan.(BD) Dua lagi contoh konfigurasi semula tisu, menukar rama-rama dan bunga pasif kepada yang aktif.Fabrik tidak regangan: muslin kapas biasa.
Kami juga mengambil kesempatan daripada kesederhanaan dan kepelbagaian teknik konfigurasi semula tisu ini dengan memperkenalkan dua struktur bioinspirasi tambahan untuk membentuk semula (Rajah 8B-D).Dengan AMF yang boleh dialihkan, struktur boleh ubah bentuk ini dikonfigurasikan semula daripada kepingan tisu pasif kepada struktur aktif dan boleh dikendalikan.Diilhamkan oleh rama-rama raja, kami membuat struktur rama-rama yang berubah-ubah menggunakan sekeping fabrik berbentuk rama-rama (kapas muslin) dan sekeping AMF yang panjang tersangkut di bawah sayapnya.Apabila AMF berada di bawah tekanan, sayap dilipat.Seperti Monarch Butterfly, sayap kiri dan kanan Robot Butterfly mengepak dengan cara yang sama kerana kedua-duanya dikawal oleh AMF.Kepak rama-rama adalah untuk tujuan paparan sahaja.Ia tidak boleh terbang seperti Smart Bird (Festo Corp., USA).Kami juga membuat bunga kain (Rajah 8D) yang terdiri daripada dua lapisan lima kelopak setiap satu.Kami meletakkan AMF di bawah setiap lapisan selepas tepi luar kelopak.Pada mulanya, bunga sedang mekar penuh, dengan semua kelopak terbuka sepenuhnya.Di bawah tekanan, AMF menyebabkan pergerakan lenturan kelopak, menyebabkan ia tertutup.Kedua-dua AMF mengawal pergerakan dua lapisan secara bebas, manakala lima kelopak satu lapisan melentur pada masa yang sama.