Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Поєднання текстилю та штучних м’язів для створення розумного текстилю привертає велику увагу як наукових, так і промислових кіл.Розумний текстиль пропонує багато переваг, включаючи адаптивний комфорт і високий ступінь відповідності об’єктам, одночасно забезпечуючи активну активацію для бажаного руху та сили.У цій статті представлено новий клас програмованих розумних тканин, виготовлених за допомогою різних методів плетіння, переплетення та склеювання штучних м’язових волокон, що керуються рідиною.Було розроблено математичну модель для опису співвідношення сили подовження трикотажних і тканих текстильних листів, а потім її достовірність перевірено експериментально.Новий «розумний» текстиль відрізняється високою гнучкістю, конформністю та механічним програмуванням, що забезпечує мультимодальні можливості переміщення та деформації для ширшого спектру застосувань.За допомогою експериментальної перевірки було створено різні прототипи розумного текстилю, включаючи різні випадки зміни форми, такі як подовження (до 65%), розширення площі (108%), радіальне розширення (25%) і рух згинання.Також досліджується концепція реконфігурації пасивних традиційних тканин в активні структури для біоміметичних структур формування.Очікується, що запропонований розумний текстиль сприятиме розробці розумних переносних пристроїв, тактильних систем, біоміметичних м’яких роботів і переносної електроніки.
Жорсткі роботи ефективні під час роботи в структурованому середовищі, але мають проблеми з невідомим контекстом мінливого середовища, що обмежує їх використання під час пошуку чи дослідження.Природа продовжує дивувати нас багатьма винахідливими стратегіями боротьби із зовнішніми факторами та різноманітністю.Наприклад, вусики в'юнких рослин виконують мультимодальні рухи, такі як згинання та спіраль, щоб досліджувати невідоме середовище в пошуках відповідної опори1.Венерина мухоловка (Dionaea muscipula) має чутливі волоски на листках, які, коли їх спрацьовувати, фіксуються, щоб зловити здобич2.Останніми роками деформація або деформація тіл із двовимірних (2D) поверхонь у тривимірні (3D) форми, які імітують біологічні структури, стала цікавою темою дослідження3,4.Ці м’які роботизовані конфігурації змінюють форму, щоб адаптуватися до мінливого середовища, уможливлюють мультимодальне пересування та застосовують сили для виконання механічної роботи.Їх охоплення поширилося на широкий спектр застосувань робототехніки, включаючи розгортання5, реконфігурованих та самоскладних роботів6,7, біомедичні пристрої8, транспортні засоби9,10 та розширювану електроніку11.
Було проведено багато досліджень для розробки програмованих плоских пластин, які при активації перетворюються на складні тривимірні структури3.Проста ідея для створення структур, що деформуються, полягає в поєднанні шарів різних матеріалів, які згинаються і зморщуються під впливом подразників12,13.Джанбаз та ін.14 та Li et al.15 реалізували цю концепцію для створення термочутливих мультимодальних деформованих роботів.Структури на основі орігамі, що містять елементи, що реагують на стимули, використовувалися для створення складних тривимірних структур16,17,18.Натхненний морфогенезом біологічних структур, Emmanuel et al.Еластомери, що деформуються, створюються шляхом організації повітряних каналів усередині гумової поверхні, які під тиском перетворюються на складні довільні тривимірні форми.
Інтеграція текстилю або тканини в м’яких роботів, що деформуються, є ще одним новим концептуальним проектом, який викликав широкий інтерес.Текстиль — це м’які та еластичні матеріали, виготовлені з пряжі такими техніками плетіння, як в’язання, ткацтво, косичка або вузликове плетіння.Дивовижні властивості тканин, включаючи гнучкість, прилягання, еластичність і повітропроникність, роблять їх дуже популярними в усьому, від одягу до медичних застосувань20.Існує три широкі підходи до включення текстилю в робототехніку21.Перший підхід полягає у використанні текстилю як пасивної основи або основи для інших компонентів.При цьому пасивний текстиль забезпечує зручну посадку користувача при перенесенні жорстких компонентів (двигуни, датчики, блок живлення).Більшість м’яких переносних роботів або м’яких екзоскелетів підпадають під цей підхід.Наприклад, м’які носильні екзоскелети для засобів допомоги при ходьбі 22 і ліктьових засобів 23, 24, 25, м’які рукавички 26 для засобів допомоги для рук і пальців, а також біонічні м’які роботи 27.
Другий підхід полягає у використанні текстилю як пасивних і обмежених компонентів м’яких роботів.Приводи на основі текстилю потрапляють у цю категорію, де тканина зазвичай сконструйована як зовнішній контейнер, який містить внутрішній шланг або камеру, утворюючи привід, посилений м’яким волокном.Під впливом зовнішнього пневматичного або гідравлічного джерела ці м’які приводи зазнають змін у формі, включаючи подовження, вигин або скручування, залежно від їх початкового складу та конфігурації.Наприклад, Talman et al.Ортопедичний одяг для щиколотки, що складається з ряду тканинних кишень, був представлений для полегшення підошовного згинання для відновлення ходи28.Текстильні шари з різною розтяжністю можна поєднувати для створення анізотропного руху 29 .OmniSkins – м’які роботизовані оболонки, виготовлені з різноманітних м’яких приводів і матеріалів підкладки, можуть перетворювати пасивні об’єкти на багатофункціональних активних роботів, які можуть виконувати мультимодальні рухи та деформації для різних застосувань.Чжу та ін.розробили м’язовий лист рідкої тканини31, який може генерувати подовження, згинання та різні деформаційні рухи.Бакнер та ін.Інтегруйте функціональні волокна в звичайні тканини, щоб створити роботизовані тканини з кількома функціями, такими як активація, чутливість і змінна жорсткість32.Інші методи в цій категорії можна знайти в цих статтях 21, 33, 34, 35.
Нещодавній підхід до використання чудових властивостей текстилю в області м’якої робототехніки полягає у використанні реактивних або чутливих до стимулів ниток для створення розумних текстильних виробів за допомогою традиційних методів виробництва текстилю, таких як ткацтво, в’язання та плетіння21,36,37.Залежно від складу матеріалу реактивна пряжа викликає зміну форми під дією електричного, теплового або тиску, що призводить до деформації тканини.У цьому підході, де традиційний текстиль інтегровано в м’яку роботизовану систему, зміна форми текстилю відбувається на внутрішньому шарі (пряжі), а не на зовнішньому.Таким чином, розумний текстиль пропонує відмінну керованість з точки зору мультимодального руху, програмованої деформації, розтяжності та можливості регулювати жорсткість.Наприклад, сплави з пам’яттю форми (SMA) і полімери з пам’яттю форми (SMP) можна включати в тканини для активного контролю їх форми за допомогою термічної стимуляції, такої як підгинання38, видалення зморшок36,39, тактильний і тактильний зворотний зв’язок40,41, а також адаптивний одяг, який можна носити.пристрої 42 .Однак використання теплової енергії для нагріву та охолодження призводить до повільної реакції та ускладнення охолодження та контролю.Нещодавно Hiramitsu et al.Тонкі м’язи МакКіббена43,44, пневматичні штучні м’язи, використовуються як нитки основи для створення різних форм активного текстилю шляхом зміни структури переплетення45.Незважаючи на те, що цей підхід забезпечує високі зусилля, через природу м’яза Мак-Кіббена швидкість його розширення обмежена (< 50%), і не можна досягти малого розміру (діаметр < 0,9 мм).Крім того, було важко сформувати розумні текстильні візерунки з методів плетіння, які вимагають гострих кутів.Щоб сформувати ширший асортимент розумних текстильних виробів, Мазіз та ін.Електроактивні тканини, що носяться, були розроблені шляхом в’язання та переплетення електрочутливих полімерних ниток46.
Останніми роками з’явився новий тип термочутливих штучних м’язів, виготовлених із сильно скручених недорогих полімерних волокон47,48.Ці волокна є комерційно доступними та легко включаються в ткацтво або плетіння для виробництва доступного розумного одягу.Незважаючи на досягнення, ці нові термочутливі тканини мають обмежений час відгуку через потребу в нагріванні та охолодженні (наприклад, тканини з контрольованою температурою) або труднощі створення складних в’язаних і тканих візерунків, які можна запрограмувати для створення бажаних деформацій і рухів. .Приклади включають радіальне розширення, перетворення форми з 2D на 3D або двонаправлене розширення, які ми пропонуємо тут.
Щоб подолати ці вищезгадані проблеми, у цій статті представлено нову інтелектуальну тканину, що керується рідиною, виготовлену з нещодавно представлених нами м’яких штучних м’язових волокон (AMF)49,50,51.AMF є дуже гнучкими, масштабованими і можуть бути зменшені до діаметра 0,8 мм і великої довжини (принаймні 5000 мм), пропонуючи високе співвідношення сторін (довжина до діаметра), а також високе подовження (принаймні 245%), високу енергію ефективність, швидкість відгуку менше 20 Гц).Для створення розумного текстилю ми використовуємо AMF як активну пряжу для формування двовимірних активних м’язових шарів за допомогою техніки в’язання та плетіння.Ми кількісно вивчили швидкість розширення та силу скорочення цих «розумних» тканин з точки зору об’єму рідини та наданого тиску.Розроблено аналітичні моделі для встановлення залежності сили подовження для трикотажних і тканих листів.Ми також описуємо кілька методів механічного програмування для інтелектуального текстилю для мультимодального руху, включаючи двонаправлене розширення, згинання, радіальне розширення та можливість переходу від 2D до 3D.Щоб продемонструвати силу нашого підходу, ми також інтегруємо AMF у комерційні тканини чи текстиль, щоб змінити їхню конфігурацію з пасивної на активну структуру, яка викликає різні деформації.Ми також продемонстрували цю концепцію на кількох експериментальних стендах, включаючи програмоване згинання ниток для створення бажаних літер і біологічних структур, що змінюють форму, у форму таких об’єктів, як метелики, чотирилапі конструкції та квіти.
Текстиль — це гнучкі двовимірні структури, утворені з переплетених одновимірних ниток, таких як пряжа, нитки та волокна.Текстиль є однією з найстаріших технологій людства і широко використовується в усіх сферах життя завдяки своєму комфорту, адаптивності, повітропроникності, естетичності та захисту.Розумний текстиль (також відомий як розумний одяг або роботизована тканина) все частіше використовується в дослідженнях через його великий потенціал у роботах20,52.Розумний текстиль обіцяє покращити людський досвід взаємодії з м’якими об’єктами, започаткувавши зміну парадигми в галузі, де рухом і зусиллями тонкої гнучкої тканини можна керувати для виконання конкретних завдань.У цій статті ми досліджуємо два підходи до виробництва розумного текстилю на основі нашого нещодавнього AMF49: (1) використання AMF як активної пряжі для створення розумного текстилю з використанням традиційних технологій виробництва текстилю;(2) вставте AMF безпосередньо в традиційні тканини, щоб стимулювати бажаний рух і деформацію.
AMF складається з внутрішньої силіконової трубки для подачі гідравлічної енергії та зовнішньої спіральної котушки для обмеження її радіального розширення.Таким чином, AMF подовжуються в поздовжньому напрямку під час застосування тиску і згодом виявляють силу скорочення, щоб повернутися до своєї початкової довжини, коли тиск скидається.Вони мають властивості, подібні до традиційних волокон, включаючи гнучкість, малий діаметр і велику довжину.Однак AMF більш активний і контрольований з точки зору руху та сили, ніж його звичайні аналоги.Натхненні нещодавніми швидкими досягненнями в галузі інтелектуального текстилю, тут ми представляємо чотири основні підходи до виробництва розумного текстилю шляхом застосування AMF до давно встановленої технології виробництва тканини (рис. 1).
Перший спосіб – плетіння.Ми використовуємо технологію в’язання за утоком для виробництва реактивного трикотажу, який розгортається в одному напрямку під час гідравлічного приводу.Трикотажні полотна дуже еластичні та розтягуються, але, як правило, легше розмотуються, ніж ткані полотна.Залежно від методу контролю AMF може формувати окремі ряди або цілі вироби.Крім плоских листів, для виготовлення порожнистих конструкцій AMF підходять також трубчасті моделі.Другий метод — це ткацтво, де ми використовуємо два AMF як основу та уток, щоб сформувати прямокутне ткане полотно, яке може розширюватися незалежно у двох напрямках.Ткані простирадла забезпечують більший контроль (в обох напрямках), ніж трикотажні.Ми також виткали AMF із традиційної пряжі, щоб зробити простіше ткане полотно, яке можна розмотувати лише в одному напрямку.Третій спосіб – радіальне розширення – є варіантом техніки плетіння, в якому АМП розташовані не прямокутником, а по спіралі, а нитки забезпечують радіальне обмеження.У цьому випадку оплетка радіально розширюється під тиском на вході.Четвертий підхід полягає в тому, щоб наклеїти AMF на аркуш пасивної тканини для створення згинального руху в потрібному напрямку.Ми переконфігурували пасивну комутаційну плату в активну комбіновану плату, провівши AMF навколо її краю.Цей програмований характер AMF відкриває незліченні можливості для м’яких структур, що змінюють форму, де ми можемо перетворювати пасивні об’єкти на активні.Цей метод простий, легкий і швидкий, але може поставити під загрозу довговічність прототипу.Читача відсилають до інших підходів у літературі, які детально описують сильні та слабкі сторони кожної властивості тканини21,33,34,35.
Більшість ниток або пряжі, які використовуються для виготовлення традиційних тканин, містять пасивні структури.У цій роботі ми використовуємо наш раніше розроблений AMF, який може досягати метрової довжини та субміліметрового діаметру, щоб замінити традиційні пасивні текстильні нитки на AFM для створення інтелектуальних та активних тканин для ширшого спектру застосувань.У наступних розділах описуються детальні методи створення розумних текстильних прототипів і представлені їхні основні функції та поведінка.
Ми виготовили вручну три трикотажні вироби AMF, використовуючи техніку в’язання по качку (рис. 2A).Вибір матеріалів і детальні специфікації для AMF і прототипів можна знайти в розділі «Методи».Кожен AMF проходить звивистий шлях (також званий маршрутом), який утворює симетричну петлю.Петлі кожного ряду закріплюють петлями рядів над і під ними.Кільця однієї колони, перпендикулярної ходу, об'єднані в вал.Наш в’язаний прототип складається з трьох рядів по сім петель (або сім петель) у кожному ряду.Верхнє і нижнє кільця не закріплені, тому ми можемо прикріпити їх до відповідних металевих стрижнів.Трикотажні прототипи розпускалися легше, ніж звичайні трикотажні полотна, завдяки вищій жорсткості AMF порівняно зі звичайною пряжею.Тому петлі сусідніх рядів ми зв'язали тонкими еластичними шнурами.
Впроваджуються різні інтелектуальні текстильні прототипи з різними конфігураціями AMF.(A) В'язане простирадло з трьох AMF.(B) Двонаправлений тканий лист з двох AMF.(C) Однонаправлене ткане полотно, виготовлене з AMF і акрилової пряжі, може витримати навантаження 500 г, що в 192 рази перевищує його вагу (2,6 г).(D) Радіально розширювана структура з одним AMF і бавовняною пряжею як радіальне обмеження.Детальні характеристики можна знайти в розділі «Методи».
Хоча зигзагоподібні петлі трикотажу можуть розтягуватися в різних напрямках, наш прототип трикотажу розширюється переважно в напрямку петлі під тиском через обмеження в напрямку руху.Подовження кожного АМФ сприяє розширенню загальної площі трикотажного полотна.Залежно від конкретних вимог ми можемо контролювати три AMF незалежно від трьох різних джерел рідини (Малюнок 2A) або одночасно від одного джерела рідини через розподільник рідини 1 до 3.На рис.2А показаний приклад трикотажного прототипу, початкова площа якого збільшилася на 35% при застосуванні тиску до трьох АМП (1,2 МПа).Примітно, що AMF досягає високого подовження щонайменше 250% від початкової довжини49, тому трикотажні простирадла можуть розтягуватися навіть більше, ніж поточні версії.
Ми також створили листи двонаправленого переплетення, сформовані з двох AMF, використовуючи техніку полотняного переплетення (рис. 2B).Основа і уток AMF переплітаються під прямим кутом, утворюючи простий візерунок хрест-навхрест.Наш прототип переплетення було класифіковано як збалансоване полотняне переплетення, оскільки нитки основи та качка були виготовлені з одного розміру пряжі (докладніше див. у розділі «Методи»).На відміну від звичайних ниток, які можуть утворювати різкі складки, застосований AMF вимагає певного радіуса вигину при поверненні до іншої нитки візерунка плетіння.Тому ткані листи, виготовлені з AMP, мають нижчу щільність порівняно зі звичайним тканим текстилем.AMF типу S (зовнішній діаметр 1,49 мм) має мінімальний радіус вигину 1,5 мм.Наприклад, прототип плетіння, який ми представляємо в цій статті, має візерунок ниток 7×7, де кожне перетин стабілізовано вузлом тонкого еластичного шнура.Використовуючи таку ж техніку плетіння, можна отримати більше пасом.
Коли відповідний AMF отримує тиск рідини, тканий лист розширює свою площу в напрямку основи або качка.Тому ми контролювали розміри плетеного листа (довжину та ширину), незалежно змінюючи величину вхідного тиску, що прикладається до двох AMP.На рис.2B показує тканий прототип, який розширився до 44% своєї початкової площі під час застосування тиску до одного AMP (1,3 МПа).При одночасній дії тиску на два АМП площа збільшилася на 108%.
Ми також виготовили однонаправлене ткане полотно з одного AMF з основою та акриловими нитками як пітканням (рис. 2C).AMF розташовані в сім зигзагоподібних рядів, і нитки сплітають ці ряди AMF разом, утворюючи прямокутний аркуш тканини.Цей тканий прототип був щільнішим, ніж на рис. 2B, завдяки м’яким акриловим ниткам, які легко заповнювали весь аркуш.Оскільки ми використовуємо лише один AMF як основу, ткане полотно може розширюватися до основи лише під тиском.На малюнку 2C показаний приклад тканого прототипу, початкова площа якого збільшується на 65% зі збільшенням тиску (1,3 МПа).Крім того, цей плетений шматок (вагою 2,6 грама) може підняти вантаж вагою 500 грамів, що в 192 рази перевищує його масу.
Замість того, щоб розташувати AMF зигзагом, щоб створити прямокутний тканий лист, ми виготовили плоску спіральну форму AMF, яка потім була радіально обмежена бавовняною пряжею, щоб створити круглий тканий лист (рис. 2D).Висока жорсткість AMF обмежує заповнення центральної частини пластини.Однак ця підкладка може бути виготовлена з еластичної пряжі або еластичної тканини.Отримавши гідравлічний тиск, AMP перетворює своє поздовжнє подовження в радіальне розширення листа.Також варто відзначити, що зовнішній і внутрішній діаметри спіральної форми збільшені за рахунок радіального обмеження ниток.На малюнку 2D показано, що при прикладеному гідравлічному тиску 1 МПа форма круглого листа розширюється до 25% його початкової площі.
Ми представляємо тут другий підхід до створення розумного текстилю, коли ми приклеюємо AMF до плоского шматка тканини та змінюємо його з пасивної структури на активно керовану.Конструктивна схема згинального приводу наведена на рис.3A, де AMP складений посередині та приклеєний до смужки нерозтяжної тканини (бавовняної муслінової тканини) за допомогою двостороннього скотча як клею.Після запечатування верхня частина AMF може вільно висуватися, тоді як нижня частина обмежена стрічкою та тканиною, що змушує смужку згинатися до тканини.Ми можемо дезактивувати будь-яку частину приводу згину в будь-якому місці, просто наклеївши на неї смужку стрічки.Дезактивований сегмент не може рухатися і стає пасивним сегментом.
Тканини змінюються шляхом наклеювання AMF на традиційні тканини.(A) Концепція конструкції приводу для згинання, виготовленого шляхом приклеювання складеного AMF до нерозтяжної тканини.(B) Вигин прототипу актуатора.(C) Реконфігурація прямокутної тканини в активного чотириногого робота.Нееластична тканина: бавовняний трикотаж.Еластична тканина: поліестер.Детальні характеристики можна знайти в розділі «Методи».
Ми виготовили кілька прототипів приводів для згинання різної довжини та створили на них гідравлічний тиск, щоб створити згинальний рух (Малюнок 3B).Важливо, що AMF можна розкласти по прямій лінії або скласти, щоб утворити кілька ниток, а потім приклеїти до тканини, щоб створити привід для згинання з відповідною кількістю ниток.Ми також перетворили пасивний аркуш серветки в активну структуру тетрапод (рис. 3C), де ми використовували AMF для маршрутизації кордонів прямокутної нерозтяжної тканини (бавовняна муслінова тканина).AMP кріпиться до тканини шматочком двостороннього скотчу.Середина кожного краю заклеєна стрічкою, щоб стати пасивною, а чотири кути залишаються активними.Верхня кришка з еластичної тканини (поліестер) необов'язкова.Чотири кути тканини згинаються (схожі на ніжки) при натисканні.
Ми створили випробувальний стенд для кількісного вивчення властивостей розробленого розумного текстилю (див. розділ «Методи» та додатковий малюнок S1).Оскільки всі зразки були виготовлені з АМП, загальна тенденція експериментальних результатів (рис. 4) узгоджується з основними характеристиками АМП, а саме тиск на вході прямо пропорційний подовженню на виході та обернено пропорційний силі стиснення.Однак ці розумні тканини мають унікальні характеристики, які відображають їх конкретні конфігурації.
Має розумні конфігурації текстилю.(A, B) Криві гістерезису для тиску на вході та подовження та сили на виході для тканих листів.(C) Розширення площі тканого листа.(D,E) Зв’язок між вхідним тиском і вихідним подовженням і силою для трикотажу.(F) Розширення площі структур, що радіально розширюються.(G) Кути згинання трьох різних довжин згинальних приводів.
Кожен AMF тканого листа був підданий вхідному тиску 1 МПа для створення приблизно 30% подовження (рис. 4A).Ми вибрали цей поріг для всього експерименту з кількох причин: (1) щоб створити значне подовження (приблизно 30%), щоб підкреслити їхні криві гістерезису, (2) щоб запобігти змінам різних експериментів і багаторазових прототипів, що призведе до випадкового пошкодження або відмови..під високим тиском рідини.Добре видно мертву зону, а обплетення залишається нерухомим до досягнення тиску на вході 0,3 МПа.Графік гістерезису подовження тиску показує великий розрив між фазами накачування та вивільнення, що вказує на те, що відбувається значна втрата енергії, коли ткане полотно змінює свій рух від розширення до стиснення.(Рис. 4A).Після досягнення вхідного тиску 1 МПа ткане полотно могло б стиснути силу 5,6 Н (рис. 4B).Графік гістерезису тиск-сила також показує, що крива відновлення майже перекривається з кривою підвищення тиску.Розширення площі тканого листа залежало від величини тиску, прикладеного до кожного з двох AMF, як показано на тривимірному графіку поверхні (рис. 4C).Експерименти також показують, що ткане полотно може збільшити площу на 66%, якщо AMF основи та качка одночасно піддаються гідравлічному тиску 1 МПа.
Експериментальні результати для трикотажного полотна показують подібну картину до тканого полотна, включаючи широкий розрив гістерезису на діаграмі розтягнення-тиск і перекриття кривих тиску-сили.В’язане полотно показало подовження на 30%, після чого сила стиснення становила 9 Н при вхідному тиску 1 МПа (рис. 4D, E).
У випадку круглого тканого листа його початкова площа збільшилася на 25% порівняно з початковою площею після впливу тиску рідини 1 МПа (рис. 4F).Перед тим, як зразок починає розширюватися, існує велика мертва зона вхідного тиску до 0,7 МПа.Ця велика мертва зона була очікуваною, оскільки зразки були виготовлені з більших AMF, які вимагали вищого тиску для подолання початкового навантаження.На рис.4F також показує, що крива випуску майже збігається з кривою збільшення тиску, що вказує на невеликі втрати енергії при перемиканні руху диска.
Експериментальні результати для трьох приводів згинання (реконфігурація тканини) показують, що їхні криві гістерезису мають подібний малюнок (рис. 4G), де перед підйомом вони відчувають мертву зону тиску на вході до 0,2 МПа.Ми застосували однаковий об’єм рідини (0,035 мл) до трьох приводів для згинання (L20, L30 і L50 мм).Проте кожен привод відчував різні піки тиску та розвивав різні кути згинання.Приводи L20 і L30 мм відчували вхідний тиск 0,72 і 0,67 МПа, досягаючи кутів вигину 167° і 194° відповідно.Найдовший згинальний диск (довжина 50 мм) витримав тиск 0,61 МПа і досяг максимального кута згину 236°.Графіки гістерезису кута тиску також виявили відносно великі розриви між кривими тиску та випуску для всіх трьох приводів згинання.
Співвідношення між вхідним об’ємом і вихідними властивостями (подовження, сила, розширення площі, кут згину) для вищевказаних розумних текстильних конфігурацій можна знайти на додатковому малюнку S2.
Експериментальні результати в попередньому розділі чітко демонструють пропорційне співвідношення між прикладеним тиском на вході та подовженням на виході зразків AMF.Чим сильніше напружений AMB, тим більше подовження він розвиває і тим більше пружної енергії накопичує.Отже, тим більша стискаюча сила, яку він чинить.Результати також показали, що зразки досягали свого максимального зусилля стиснення, коли вхідний тиск було повністю знято.Метою цього розділу є встановлення прямого зв’язку між подовженням і максимальною силою усадки трикотажних і тканих листів за допомогою аналітичного моделювання та експериментальної перевірки.
Максимальна сила скорочення Fout (при вхідному тиску P = 0) одного AMF була наведена в посиланні 49 і знову введена таким чином:
Серед них α, E і A0 - коефіцієнт розтягування, модуль Юнга і площа поперечного перерізу силіконової трубки відповідно;k - коефіцієнт жорсткості спірального витка;x і li — зсув і початкова довжина.AMP відповідно.
правильне рівняння.(1) Візьмемо для прикладу трикотажні та ткані полотна (рис. 5A, B).Сили усадки трикотажного виробу Fkv і тканого виробу Fwh виражаються рівнянням (2) і (3) відповідно.
де mk – кількість петель, φp – кут нахилу петлі трикотажного полотна під час вприскування (рис. 5А), mh – кількість ниток, θhp – кут зачеплення трикотажу під час вдування (рис. 5Б), εкв εwh — трикотажний лист і деформація тканого листа, F0 — початковий натяг спіральної котушки.Детальний висновок рівняння.(2) і (3) можна знайти в супровідній інформації.
Створіть аналітичну модель для співвідношення подовження-сила.(A, B) Ілюстрації аналітичної моделі для трикотажних і тканих листів відповідно.(C, D) Порівняння аналітичних моделей і експериментальних даних для трикотажних і тканих листів.RMSE Середня квадратична помилка.
Щоб перевірити розроблену модель, ми провели експерименти щодо подовження, використовуючи в’язані візерунки на рис. 2A та плетені зразки на рис. 2B.Силу скорочення вимірювали з кроком 5% для кожного зафіксованого розширення від 0% до 50%.Середнє значення та стандартне відхилення п’яти випробувань представлені на малюнку 5C (в’язане) та на малюнку 5D (в’язане).Криві аналітичної моделі описуються рівняннями.Параметри (2) і (3) наведені в табл.1. Результати показують, що аналітична модель добре узгоджується з експериментальними даними в усьому діапазоні подовження із середньоквадратичною помилкою (RMSE) 0,34 Н для трикотажу, 0,21 Н для тканого AMF H (горизонтальний напрямок) і 0,17 Н для тканих AMF .V (вертикальний напрямок).
На додаток до основних рухів, пропонований розумний текстиль можна механічно запрограмувати для забезпечення складніших рухів, таких як S-подібний вигин, радіальне скорочення та 2D-3D деформація.Тут ми представляємо кілька методів програмування плоских розумних тканин у потрібні структури.
На додаток до розширення області в лінійному напрямку, односпрямовані ткані листи можуть бути механічно запрограмовані для створення мультимодального руху (рис. 6A).Розтягування плетеного полотна переналаштовуємо на згинальний рух, скріплюючи одну з його граней (верхню або нижню) швейною ниткою.Під тиском листи мають тенденцію згинатися до обмежувальної поверхні.На рис.6А показує два приклади тканих панелей, які стають S-подібними, коли одна половина затискається на верхній стороні, а інша половина затискається на нижній стороні.Крім того, ви можете створити круговий згинальний рух, де буде обмежено лише все обличчя.Односпрямований плетений лист можна також перетворити на компресійний рукав, з’єднавши його два кінці в трубчасту структуру (рис. 6B).Рукав одягається на вказівний палець, щоб забезпечити компресію, форму масажу для полегшення болю або покращення кровообігу.Його можна масштабувати відповідно до інших частин тіла, таких як руки, стегна та ноги.
Можливість плетіння простирадла в одному напрямку.(А) Створення деформівних структур за рахунок програмованості форми швейних ниток.(B) Рукав для стиснення пальців.(C) Інший варіант плетеного простирадла та його застосування як компресійного рукава для передпліччя.(D) Ще один прототип компресійного рукава, виготовленого з AMF типу M, акрилової пряжі та ремінців Velcro.Детальні характеристики можна знайти в розділі «Методи».
На малюнку 6C показано ще один приклад односпрямованого тканого полотна, виготовленого з однієї AMF і бавовняної пряжі.Лист може розширюватися на 45% за площею (при 1,2 МПа) або викликати круговий рух під тиском.Ми також включили лист для створення компресійного рукава для передпліччя, прикріпивши магнітні ремені до кінця аркуша.Інший прототип компресійного рукава для передпліччя показаний на рис. 6D, в якому односпрямовані плетені листи були виготовлені з типу M AMF (див. Методи) та акрилових ниток для створення сильніших сил стиснення.Ми оснастили кінці простирадла стрічками-липучками для легкого кріплення та для рук різного розміру.
Техніка обмеження, яка перетворює лінійне розтягування на згинальний рух, також застосовна до двонаправлених тканих листів.Ми переплітаємо бавовняні нитки з одного боку полотна основи та качка, щоб вони не розширювалися (рис. 7А).Таким чином, коли два AMF отримують гідравлічний тиск незалежно один від одного, лист зазнає двонаправленого згинального руху для формування довільної тривимірної структури.В іншому підході ми використовуємо нерозтяжні нитки для обмеження одного напрямку двонаправлених тканих листів (рис. 7B).Таким чином, лист може здійснювати незалежні рухи згинання і розтягування, коли відповідний AMF знаходиться під тиском.На рис.7B показує приклад, у якому двонаправлене плетене полотно управляється таким чином, щоб обертати дві третини людського пальця за допомогою згинання, а потім розширювати його довжину, щоб покрити решту за допомогою розтягування.Двосторонній рух простирадла може бути корисним для модного дизайну або розробки розумного одягу.
Двонаправлене ткане полотно, трикотажне полотно та радіально розширювані можливості дизайну.(A) Двонаправлені скріплені двонаправлені плетені панелі для створення двонаправленого вигину.(B) Однонаправлено обмежені двонаправлені плетені панелі створюють гнучкість і подовження.(C) Високоеластичний трикотажний лист, який може відповідати різній кривизні поверхні і навіть утворювати трубчасті структури.(D) обмеження центральної лінії структури, що радіально розширюється, утворюючи гіперболічну параболічну форму (картопляні чіпси).
Дві сусідні петлі верхнього і нижнього рядів в’язаної частини з’єднали швейною ниткою, щоб вона не розпускалася (рис. 7В).Таким чином, ткане полотно є повністю гнучким і добре адаптується до різних вигинів поверхні, таких як поверхня шкіри рук і рук людини.Також ми створили трубчасту конструкцію (рукав), з’єднавши кінці в’язаної частини в напрямку руху.Рукав добре обертається навколо вказівного пальця людини (рис. 7C).Звивистість тканої тканини забезпечує відмінну посадку та здатність до деформації, полегшуючи використання в одязі (рукавички, компресійні рукави), забезпечуючи комфорт (через посадку) та терапевтичний ефект (через стиснення).
Окрім двовимірного радіального розширення в кількох напрямках, круглі ткані листи також можна запрограмувати для формування тривимірних структур.Ми обмежили центральну лінію круглої коси акриловою пряжею, щоб порушити її рівномірне радіальне розширення.У результаті вихідна плоска форма круглого тканого листа була перетворена в гіперболічну параболічну форму (або картопляні чіпси) після тиску (рис. 7D).Ця здатність змінювати форму може бути реалізована як механізм підйому, оптична лінза, ноги мобільного робота або може бути корисною в дизайні одягу та біонічних роботах.
Ми розробили просту техніку створення згинальних приводів шляхом наклеювання AMF на смужку нерозтяжної тканини (рис. 3).Ми використовуємо цю концепцію для створення потоків із програмованою формою, де ми можемо стратегічно розподілити кілька активних і пасивних секцій в одному AMF для створення бажаних форм.Ми виготовили та запрограмували чотири активні нитки, які могли змінювати свою форму з прямої на буквену (UNSW) зі збільшенням тиску (додатковий рис. S4).Цей простий метод дозволяє деформувати AMF для перетворення 1D-ліній у 2D-форми і, можливо, навіть у 3D-структури.
У подібному підході ми використовували один AMF, щоб переконфігурувати шматок пасивної нормальної тканини в активний тетрапод (рис. 8A).Концепції маршрутизації та програмування подібні до тих, що показані на малюнку 3C.Проте замість прямокутних полотнів почали використовувати тканини з чотиристулковим малюнком (черепаха, бавовняний муслін).Тому ніжки довші і конструкцію можна підняти вище.Висота конструкції поступово збільшується під тиском, поки її ніжки не будуть перпендикулярні землі.Якщо тиск на вході продовжує зростати, ніжки будуть провисати всередину, знижуючи висоту конструкції.Чотириногі можуть виконувати пересування, якщо їхні ноги оснащені односпрямованими візерунками або використовують кілька AMF зі стратегіями маніпуляції рухами.М’які роботи-пересувачі потрібні для різноманітних завдань, у тому числі для порятунку від лісових пожеж, обвалених будівель або небезпечних середовищ, а також роботи для доставки медичних препаратів.
Тканина змінюється для створення структур, що змінюють форму.(A) Приклейте AMF до краю пасивного полотна тканини, перетворивши його на керовану чотириногу структуру.(BD) Два інших приклади реконфігурації тканин, перетворення пасивних метеликів і квітів на активних.Нерозтяжна тканина: однотонний бавовняний муслін.
Ми також користуємося перевагами простоти та універсальності цієї техніки реконфігурації тканини, вводячи дві додаткові біоінспіровані структури для зміни форми (рис. 8B-D).За допомогою AMF, що підлягає маршрутизації, ці структури, що деформуються, перетворюються з листів пасивної тканини на активні та керовані структури.Надихнувшись метеликом-монархом, ми створили структуру метелика-трансформера, використовуючи шматок тканини у формі метелика (бавовняний муслін) і довгий шматок AMF, закріплений під його крилами.Коли AMF знаходиться під тиском, крила складаються.Подібно до Метелика Монарха, ліве та праве крила робота-метелика махають однаково, оскільки ними керує AMF.Закрилки-метелики призначені лише для показу.Він не може літати, як Smart Bird (Festo Corp., США).Ми також зробили квітку з тканини (Малюнок 8D), що складається з двох шарів по п’ять пелюсток у кожному.Ми розмістили AMF під кожним шаром після зовнішнього краю пелюсток.Спочатку квіти повністю розпустилися, всі пелюстки повністю розкриті.Під тиском AMF викликає згинальний рух пелюсток, змушуючи їх закриватися.Два AMF незалежно контролюють рух двох шарів, а п’ять пелюсток одного шару згинаються одночасно.
Час публікації: 26 грудня 2022 р