Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Prikaže vrtiljak treh diapozitivov hkrati.Uporabite gumba Prejšnji in Naslednji, da se premikate po treh diapozitivih hkrati, ali pa uporabite gumbe drsnika na koncu, da se premikate skozi tri diapozitive hkrati.
Kombinacija tekstila in umetnih mišic za ustvarjanje pametnega tekstila pritegne veliko pozornosti tako znanstvenih kot industrijskih skupnosti.Pametni tekstil ponuja številne prednosti, vključno s prilagodljivim udobjem in visoko stopnjo skladnosti s predmeti, hkrati pa zagotavlja aktivno aktiviranje za želeno gibanje in moč.Ta članek predstavlja nov razred programabilnih pametnih tkanin, izdelanih z uporabo različnih metod tkanja, tkanja in lepljenja umetnih mišičnih vlaken, ki jih poganja tekočina.Razvit je bil matematični model za opis razmerja razteznih sil pletenih in tkanih tekstilnih listov, nato pa je bila njegova veljavnost testirana eksperimentalno.Nov »pametni« tekstil odlikuje visoka fleksibilnost, skladnost in mehansko programiranje, kar omogoča multimodalno gibanje in zmogljivosti deformacije za širši nabor aplikacij.Z eksperimentalnim preverjanjem so bili ustvarjeni različni pametni tekstilni prototipi, vključno z različnimi primeri spreminjanja oblike, kot so raztezek (do 65 %), širjenje površine (108 %), radialno širjenje (25 %) in upogibno gibanje.Raziskuje se tudi koncept rekonfiguracije pasivnih tradicionalnih tkiv v aktivne strukture za biomimetične strukture oblikovanja.Predlagani pametni tekstil naj bi olajšal razvoj pametnih nosljivih naprav, haptičnih sistemov, biomimetičnih mehkih robotov in nosljive elektronike.
Togi roboti so učinkoviti pri delu v strukturiranih okoljih, vendar imajo težave z neznanim kontekstom spreminjajočih se okolij, kar omejuje njihovo uporabo pri iskanju ali raziskovanju.Narava nas še naprej preseneča s številnimi domiselnimi strategijami za spopadanje z zunanjimi dejavniki in raznolikostjo.Na primer, vitice plezalk izvajajo multimodalna gibanja, kot so upogibanje in spirala, da raziskujejo neznano okolje in iščejo primerno oporo1.Venerina muholovka (Dionaea muscipula) ima na listih občutljive dlačice, ki se ob sprožitvi zaskočijo in ujamejo plen2.V zadnjih letih je postala zanimiva raziskovalna tema deformacija ali deformacija teles iz dvodimenzionalnih (2D) površin v tridimenzionalne (3D) oblike, ki posnemajo biološke strukture3,4.Te mehke robotske konfiguracije spreminjajo obliko, da se prilagajajo spreminjajočim se okoljem, omogočajo večmodalno gibanje in uporabljajo sile za opravljanje mehanskega dela.Njihov doseg se je razširil na široko paleto robotskih aplikacij, vključno z nastavljivimi5, rekonfigurabilnimi in samozložljivimi roboti6,7, biomedicinskimi napravami8, vozili9,10 in razširljivo elektroniko11.
Opravljenih je bilo veliko raziskav za razvoj programabilnih ravnih plošč, ki se ob aktiviranju spremenijo v kompleksne tridimenzionalne strukture3.Preprosta ideja za ustvarjanje deformabilnih struktur je kombiniranje plasti različnih materialov, ki se upogibajo in gubajo, ko so izpostavljeni dražljajem12,13.Janbaz idr.14 in Li et al.15 je implementiralo ta koncept za ustvarjanje toplotno občutljivih multimodalnih deformabilnih robotov.Strukture na osnovi origamija, ki vključujejo elemente, odzivne na dražljaje, so bile uporabljene za ustvarjanje kompleksnih tridimenzionalnih struktur16,17,18.Po navdihu morfogeneze bioloških struktur so Emmanuel et al.Oblikovno deformabilni elastomeri so ustvarjeni z organiziranjem zračnih kanalov znotraj gumijaste površine, ki se pod pritiskom spremenijo v kompleksne, poljubne tridimenzionalne oblike.
Integracija tekstilij ali tkanin v deformabilne mehke robote je še en nov konceptualni projekt, ki je vzbudil široko zanimanje.Tkanine so mehki in elastični materiali, izdelani iz preje s tehnikami tkanja, kot so pletenje, tkanje, pletenje ali vozlanje.Zaradi neverjetnih lastnosti tkanin, vključno s prožnostjo, prileganjem, elastičnostjo in zračnostjo, so zelo priljubljene v vsem, od oblačil do medicinske uporabe20.Obstajajo trije široki pristopi k vključevanju tekstila v robotiko21.Prvi pristop je uporaba tekstila kot pasivne podlage ali podlage za druge komponente.V tem primeru pasivni tekstil zagotavlja udobno prileganje uporabniku pri prenašanju togih komponent (motorji, senzorji, napajalnik).Večina mehkih nosljivih robotov ali mehkih eksoskeletov spada pod ta pristop.Na primer, mehki nosljivi eksoskeleti za pripomočke za hojo 22 in pripomočke za komolce 23, 24, 25, mehke nosljive rokavice 26 za pripomočke za roke in prste ter bionični mehki roboti 27.
Drugi pristop je uporaba tekstilij kot pasivnih in omejenih komponent mehkih robotskih naprav.Tekstilni aktuatorji spadajo v to kategorijo, kjer je tkanina običajno izdelana kot zunanji vsebnik, ki vsebuje notranjo cev ali komoro, ki tvori aktuator, ojačan z mehkimi vlakni.Ko so izpostavljeni zunanjemu pnevmatskemu ali hidravličnemu viru, se ti mehki aktuatorji spremenijo v obliki, vključno z raztezkom, upogibom ali zvijanjem, odvisno od njihove prvotne sestave in konfiguracije.Na primer, Talman et al.Uvedena so bila ortopedska oblačila za gležnje, sestavljena iz vrste žepov iz tkanine, ki olajšajo plantarno fleksijo in obnovijo hojo28.Tekstilne plasti z različno razteznostjo lahko kombiniramo, da ustvarimo anizotropno gibanje 29 .OmniSkins – mehke robotske kože, narejene iz različnih mehkih aktuatorjev in substratnih materialov, lahko pretvorijo pasivne predmete v večnamenske aktivne robote, ki lahko izvajajo večmodalna gibanja in deformacije za različne aplikacije.Zhu et al.so razvili tekočo tkivno mišično plast31, ki lahko povzroči raztezek, upogib in različna deformacijska gibanja.Buckner et al.Integrirajte funkcionalna vlakna v običajna tkiva, da ustvarite robotska tkiva z več funkcijami, kot so aktiviranje, zaznavanje in spremenljiva togost32.Druge metode v tej kategoriji lahko najdete v teh dokumentih 21, 33, 34, 35.
Nedavni pristop k izkoriščanju vrhunskih lastnosti tekstilij na področju mehke robotike je uporaba reaktivnih filamentov ali filamentov, ki se odzivajo na dražljaje, za ustvarjanje pametnih tekstilij z uporabo tradicionalnih proizvodnih metod tekstilij, kot so metode tkanja, pletenja in tkanja21,36,37.Reaktivna preja, odvisno od sestave materiala, povzroči spremembo oblike, ko je izpostavljena električnemu, termičnemu ali tlačnemu delovanju, kar povzroči deformacijo tkanine.Pri tem pristopu, kjer so tradicionalni tekstili integrirani v mehki robotski sistem, se preoblikovanje tekstila zgodi na notranji plasti (preji) in ne na zunanji plasti.Pametni tekstil kot tak ponuja odlično rokovanje v smislu multimodalnega gibanja, programabilne deformacije, raztegljivosti in zmožnosti prilagajanja togosti.Na primer, zlitine s spominom oblike (SMA) in polimere s spominom oblike (SMP) je mogoče vključiti v tkanine za dejavni nadzor njihove oblike s toplotno stimulacijo, kot je robljenje38, odstranjevanje gub36,39, taktilna in taktilna povratna informacija40,41 ter prilagodljiva nosljiva oblačila.naprave 42 .Vendar pa uporaba toplotne energije za ogrevanje in hlajenje povzroči počasen odziv ter težko hlajenje in nadzor.Nedavno so Hiramitsu et al.McKibbenove fine mišice43,44, pnevmatske umetne mišice, se uporabljajo kot osnovna preja za ustvarjanje različnih oblik aktivnih tekstilij s spreminjanjem strukture tkanja45.Čeprav ta pristop zagotavlja visoke sile, je zaradi narave mišice McKibben njena hitrost širjenja omejena (< 50 %) in majhne velikosti ni mogoče doseči (premer < 0,9 mm).Poleg tega je bilo težko oblikovati pametne tekstilne vzorce iz metod tkanja, ki zahtevajo ostre vogale.Da bi oblikovali širšo paleto pametnih tekstilij, Maziz et al.Elektroaktivni nosljivi tekstil je bil razvit s pletenjem in tkanjem elektroobčutljivih polimernih niti46.
V zadnjih letih se je pojavila nova vrsta termosenzibilne umetne mišice, izdelane iz močno zvitih, poceni polimernih vlaken47,48.Ta vlakna so komercialno dostopna in jih je enostavno vključiti v tkanje ali tkanje za izdelavo cenovno dostopnih pametnih oblačil.Kljub napredku imajo ti novi toplotno občutljivi tekstilni izdelki omejene odzivne čase zaradi potrebe po ogrevanju in hlajenju (npr. tekstili z nadzorovano temperaturo) ali težav pri izdelavi kompleksnih pletenih in tkanih vzorcev, ki jih je mogoče programirati za ustvarjanje želenih deformacij in premikov. .Primeri vključujejo radialno širitev, 2D v 3D transformacijo oblike ali dvosmerno širitev, ki jo ponujamo tukaj.
Za premagovanje zgoraj omenjenih težav ta članek predstavlja novo pametno tkanino, ki jo poganja tekočina, izdelano iz nedavno uvedenih mehkih umetnih mišičnih vlaken (AMF)49,50,51.AMF-ji so zelo prilagodljivi, razširljivi in jih je mogoče zmanjšati na premer 0,8 mm in velike dolžine (vsaj 5000 mm), ponujajo visoko razmerje stranic (dolžina na premer) kot tudi velik raztezek (vsaj 245 %), visoko energijo učinkovitost, manj kot 20Hz hiter odziv).Za ustvarjanje pametnega tekstila uporabljamo AMF kot aktivno prejo za oblikovanje 2D aktivnih mišičnih plasti s tehnikami pletenja in tkanja.Kvantitativno smo preučili hitrost širjenja in krčenje teh "pametnih" tkiv glede na količino tekočine in dovedeni tlak.Razviti so bili analitični modeli za določitev razmerja razteznih sil za pletene in tkane pločevine.Opisujemo tudi več tehnik mehanskega programiranja za pametne tekstilije za multimodalno gibanje, vključno z dvosmernim raztezanjem, upogibanjem, radialnim raztezanjem in možnostjo prehoda iz 2D v 3D.Da bi dokazali moč našega pristopa, bomo AMF integrirali tudi v komercialne tkanine ali tekstil, da bi spremenili njihovo konfiguracijo iz pasivnih v aktivne strukture, ki povzročajo različne deformacije.Ta koncept smo prikazali tudi na več eksperimentalnih preskusnih mizah, vključno s programirljivim upogibanjem niti za izdelavo želenih črk in bioloških struktur, ki spreminjajo obliko, v obliko predmetov, kot so metulji, štirinožne strukture in rože.
Tekstil je fleksibilna dvodimenzionalna struktura, oblikovana iz prepletenih enodimenzionalnih niti, kot so preja, niti in vlakna.Tekstil je ena najstarejših tehnologij človeštva in se zaradi udobja, prilagodljivosti, zračnosti, estetike in zaščite široko uporablja v vseh vidikih življenja.Pametne tkanine (znane tudi kot pametna oblačila ali robotske tkanine) se vse pogosteje uporabljajo v raziskavah zaradi njihovega velikega potenciala v robotskih aplikacijah20,52.Pametni tekstil obljublja, da bo izboljšal človeško izkušnjo interakcije z mehkimi predmeti, s čimer bo uvedel spremembo paradigme na področju, kjer je mogoče nadzorovati gibanje in sile tanke, prožne tkanine za opravljanje posebnih nalog.V tem prispevku raziskujemo dva pristopa k proizvodnji pametnih tekstilij, ki temeljita na našem nedavnem AMF49: (1) uporaba AMF kot aktivne preje za ustvarjanje pametnih tekstilij z uporabo tradicionalnih tehnologij izdelave tekstila;(2) vstavite AMF neposredno v tradicionalne tkanine, da spodbudite želeno gibanje in deformacijo.
AMF je sestavljen iz notranje silikonske cevi za dovajanje hidravlične energije in zunanje vijačne tuljave, ki omejuje njegovo radialno raztezanje.Tako se AMF podaljšajo vzdolžno, ko se izvaja pritisk, nato pa kažejo kontraktilne sile, da se vrnejo na prvotno dolžino, ko se pritisk sprosti.Imajo podobne lastnosti kot tradicionalna vlakna, vključno s prožnostjo, majhnim premerom in dolgo dolžino.Vendar pa je AMF bolj aktiven in nadzorovan v smislu gibanja in moči kot njegovi običajni primerki.Po navdihu nedavnega hitrega napredka na področju pametnega tekstila tukaj predstavljamo štiri glavne pristope k izdelavi pametnega tekstila z uporabo AMF na dolgo uveljavljeni tehnologiji izdelave tkanin (slika 1).
Prvi način je tkanje.Uporabljamo tehnologijo pletenja po votku za izdelavo reaktivne pletenine, ki se ob hidravličnem aktiviranju odvija v eno smer.Pletene rjuhe so zelo raztegljive in raztegljive, vendar se lažje razpletejo kot tkane rjuhe.Glede na način krmiljenja lahko AMF oblikuje posamezne vrste ali celotne izdelke.Za izdelavo AMF votlih struktur so poleg ravnih plošč primerne tudi cevaste pletilke.Drugi način je tkanje, kjer uporabimo dva AMF kot osnovo in votek, da oblikujemo pravokotno tkano ponjavo, ki se lahko neodvisno širi v dve smeri.Tkane rjuhe zagotavljajo večji nadzor (v obe smeri) kot pletene rjuhe.AMF smo stkali tudi iz tradicionalne preje in tako naredili enostavnejšo tkano ponjavo, ki jo je mogoče odvijati samo v eno smer.Tretja metoda - radialna ekspanzija - je različica tehnike tkanja, v kateri se AMP nahajajo ne v pravokotniku, ampak v spirali, niti pa zagotavljajo radialno omejitev.V tem primeru se pletenica radialno razširi pod vstopnim tlakom.Četrti pristop je lepljenje AMF na list pasivne tkanine, da se ustvari upogibno gibanje v želeni smeri.Pasivno prelomno ploščo smo preoblikovali v aktivno prelomno ploščo tako, da smo AMF pognali po njenem robu.Ta programabilna narava AMF odpira nešteto možnosti za mehke strukture, ki spreminjajo obliko po biološkem navdihu, kjer lahko pasivne predmete spremenimo v aktivne.Ta metoda je preprosta, enostavna in hitra, vendar lahko ogrozi dolgoživost prototipa.Bralec je napoten na druge pristope v literaturi, ki podrobno opisujejo prednosti in slabosti posamezne lastnosti tkiva 21,33,34,35.
Večina niti ali prej, ki se uporabljajo za izdelavo tradicionalnih tkanin, vsebujejo pasivne strukture.Pri tem delu uporabljamo naš predhodno razviti AMF, ki lahko doseže metrske dolžine in submilimetrske premere, za zamenjavo tradicionalnih pasivnih tekstilnih niti z AFM za ustvarjanje inteligentnih in aktivnih tkanin za širši nabor aplikacij.Naslednji razdelki opisujejo podrobne metode za izdelavo pametnih tekstilnih prototipov ter predstavljajo njihove glavne funkcije in obnašanje.
S tehniko pletenja po votku smo ročno izdelali tri AMF drese (slika 2A).Izbor materiala in podrobne specifikacije za AMF in prototipe lahko najdete v razdelku Metode.Vsak AMF sledi ovinkasti poti (imenovani tudi pot), ki tvori simetrično zanko.Zanke vsake vrstice so pritrjene z zankami vrstic nad in pod njimi.Obroči enega stebra, ki je pravokoten na tečaj, so združeni v gred.Naš pleteni prototip je sestavljen iz treh vrst s sedmimi šivi (ali sedmimi šivi) v vsaki vrsti.Zgornji in spodnji obroč nista fiksna, zato ju lahko pritrdimo na pripadajoči kovinski palici.Pleteni prototipi so se zaradi večje togosti AMF v primerjavi z običajno prejo lažje razpletali kot običajne pletene tkanine.Zato smo zanke sosednjih vrstic vezali s tankimi elastičnimi vrvicami.
Izvajajo se različni pametni tekstilni prototipi z različnimi konfiguracijami AMF.(A) Pletena rjuha iz treh AMF.(B) Dvosmerna tkana ponjava dveh AMF.(C) Enosmerna tkana ponjava iz AMF in akrilne preje lahko prenese obremenitev 500 g, kar je 192-kratnik njegove teže (2,6 g).(D) Radialno širijoča se struktura z enim AMF in bombažno prejo kot radialno omejitvijo.Podrobne specifikacije najdete v razdelku Metode.
Čeprav se cikcakaste zanke pletenine lahko raztezajo v različne smeri, se naš prototip pletenine zaradi omejitev v smeri gibanja pod pritiskom razširi predvsem v smeri zanke.Podaljšanje vsakega AMF prispeva k povečanju skupne površine pletene pločevine.Odvisno od posebnih zahtev lahko krmilimo tri AMF neodvisno iz treh različnih virov tekočine (slika 2A) ali hkrati iz enega vira tekočine preko razdelilnika tekočine 1 proti 3.Na sl.2A prikazuje primer pletenega prototipa, katerega začetna površina se je povečala za 35% med uporabo pritiska na tri AMP (1,2 MPa).Predvsem AMF dosega visok raztezek vsaj 250 % svoje prvotne dolžine49, tako da se lahko pletene rjuhe raztegnejo celo bolj kot trenutne različice.
Ustvarili smo tudi dvosmerne plošče, oblikovane iz dveh AMF s tehniko navadnega tkanja (slika 2B).AMF osnova in votek sta pravokotno prepletena in tvorita preprost križni vzorec.Naš prototip vezave je bil razvrščen kot uravnotežena platna vezava, ker sta bili preja osnove in votka narejeni iz iste velikosti preje (za podrobnosti glejte razdelek Metode).Za razliko od običajnih niti, ki lahko tvorijo ostre gube, uporabljeni AMF zahteva določen radij upogiba pri vračanju na drugo nit vzorca tkanja.Zato imajo tkane plošče iz AMP nižjo gostoto v primerjavi z običajnimi tkanimi tkaninami.AMF-tip S (zunanji premer 1,49 mm) ima najmanjši upogibni radij 1,5 mm.Na primer, prototip vezave, ki ga predstavljamo v tem članku, ima vzorec niti 7×7, kjer je vsako križišče stabilizirano z vozlom tanke elastične vrvice.Z isto tehniko tkanja lahko dobite več pramenov.
Ko ustrezni AMF prejme pritisk tekočine, tkana ponjava razširi svoje območje v smeri osnove ali votka.Zato smo nadzirali dimenzije pletene pločevine (dolžino in širino) z neodvisnim spreminjanjem količine vhodnega tlaka, uporabljenega za dva AMP.Na sl.2B prikazuje tkani prototip, ki se je razširil na 44 % svoje prvotne površine, medtem ko je pritiskal na en AMP (1,3 MPa).S hkratnim delovanjem pritiska na dve AMF se je površina povečala za 108 %.
Izdelali smo tudi enosmerno tkano ponjavo iz enega AMF z osnovo in akrilno prejo kot votkom (slika 2C).AMF so razporejeni v sedmih cikcakastih vrstah in niti te vrste AMF prepletajo skupaj, da tvorijo pravokotno plast blaga.Ta tkani prototip je bil gostejši kot na sliki 2B, zahvaljujoč mehkim akrilnim nitim, ki so z lahkoto zapolnile celoten list.Ker kot osnovo uporabljamo samo en AMF, se lahko tkana ponjava proti osnovi razteza samo pod pritiskom.Slika 2C prikazuje primer tkanega prototipa, katerega začetna površina se poveča za 65% z naraščajočim tlakom (1,3 MPa).Poleg tega lahko ta pleteni kos (tehta 2,6 grama) dvigne breme 500 gramov, kar je 192-kratnik njegove mase.
Namesto da bi AMF razporedili v cik-cak vzorec, da bi ustvarili pravokotno tkano ponjavo, smo izdelali ravno spiralno obliko AMF, ki smo jo nato radialno omejili z bombažno prejo, da smo ustvarili okroglo tkano ponjavo (slika 2D).Visoka togost AMF omejuje njegovo polnjenje zelo osrednjega dela plošče.Vendar pa je ta podloga lahko izdelana iz elastične preje ali elastičnih tkanin.Po prejemu hidravličnega tlaka AMP pretvori svoj vzdolžni raztezek v radialno raztezanje pločevine.Omeniti velja tudi, da sta tako zunanji kot notranji premer spiralne oblike povečana zaradi radialne omejitve filamentov.Slika 2D prikazuje, da se pri uporabljenem hidravličnem tlaku 1 MPa oblika okrogle plošče razširi na 25 % svoje prvotne površine.
Tukaj predstavljamo drugi pristop k izdelavi pametnega tekstila, kjer prilepimo AMF na raven kos blaga in ga preoblikujemo iz pasivne v aktivno nadzorovano strukturo.Diagram zasnove upogibnega pogona je prikazan na sl.3A, kjer je AMP prepognjen po sredini in prilepljen na trak neraztegljivega blaga (bombažno muslinsko blago) z dvostranskim lepilnim trakom.Ko je zapečaten, se lahko zgornji del AMF prosto razširi, medtem ko je spodnji del omejen s trakom in tkanino, zaradi česar se trak upogne proti tkanini.Katerikoli del upogibnega aktuatorja lahko deaktiviramo kjer koli tako, da nanj preprosto nalepimo trak.Deaktiviran segment se ne more premikati in postane pasiven segment.
Tkanine se rekonfigurirajo z lepljenjem AMF na tradicionalne tkanine.(A) Koncept zasnove za upogibni pogon, narejen z lepljenjem prepognjenega AMF na neraztegljivo tkanino.(B) Upogibanje prototipa aktuatorja.(C) Rekonfiguracija pravokotnega blaga v aktivnega štirinožnega robota.Neelastična tkanina: bombažni jersey.Raztegljiva tkanina: poliester.Podrobne specifikacije najdete v razdelku Metode.
Izdelali smo več prototipov upogibnih aktuatorjev različnih dolžin in jih pod pritiskom s hidravliko ustvarili upogibno gibanje (slika 3B).Pomembno je, da je AMF mogoče položiti v ravno linijo ali zložiti, da se oblikuje več niti, in nato prilepiti na blago, da se ustvari upogibni pogon z ustreznim številom niti.Pretvorili smo tudi pasivno tkanino v aktivno tetrapodno strukturo (slika 3C), kjer smo uporabili AMF za usmerjanje robov pravokotnega neraztegljivega tkiva (bombažna tkanina iz muslina).AMP je pritrjen na blago s kosom dvostranskega lepilnega traku.Sredina vsakega roba je prelepljena, da postane pasivna, medtem ko štirje vogali ostanejo aktivni.Zgornja prevleka iz raztegljive tkanine (poliester) ni obvezna.Štirje vogali blaga se ob pritisku upognejo (izgledajo kot noge).
Izdelali smo testno napravo za kvantitativno preučevanje lastnosti razvitih pametnih tekstilij (glejte razdelek Metode in dodatno sliko S1).Ker so bili vsi vzorci izdelani iz AMF, je splošni trend eksperimentalnih rezultatov (slika 4) skladen z glavnimi značilnostmi AMF, in sicer je vstopni tlak neposredno sorazmeren z izstopnim raztezkom in obratno sorazmeren s kompresijsko silo.Vendar imajo te pametne tkanine edinstvene lastnosti, ki odražajo njihove specifične konfiguracije.
Vsebuje pametne tekstilne konfiguracije.(A, B) Histerezne krivulje za vstopni tlak in izhodni raztezek ter silo za tkane plošče.(C) Razširitev površine tkane pločevine.(D,E) Razmerje med vhodnim tlakom in izhodnim raztezkom ter silo za pletenine.(F) Razširitev območja radialno razširjajočih se struktur.(G) Upogibni koti treh različnih dolžin upogibnih pogonov.
Vsak AMF tkanega lista je bil izpostavljen vhodnemu tlaku 1 MPa, da je nastal približno 30-odstotni raztezek (slika 4A).Ta prag za celoten poskus smo izbrali iz več razlogov: (1) da ustvarimo znaten raztezek (približno 30 %), da poudarimo njihove histerezne krivulje, (2) da preprečimo cikliranje iz različnih poskusov in prototipov za večkratno uporabo, kar povzroči nenamerno poškodbo ali okvaro..pod visokim pritiskom tekočine.Mrtva cona je jasno vidna, pletenica pa ostane nepremična, dokler vstopni tlak ne doseže 0,3 MPa.Diagram histereze raztezanja tlaka kaže veliko vrzel med fazama črpanja in sproščanja, kar kaže, da pride do znatne izgube energije, ko tkana ponjava spremeni svoje gibanje iz raztezanja v krčenje.(slika 4A).Ko je bil dosežen vhodni tlak 1 MPa, je lahko tkana plošča izvajala kontrakcijsko silo 5,6 N (slika 4B).Graf histereze tlak-sila tudi kaže, da se krivulja ponastavitve skoraj prekriva s krivuljo povečanja tlaka.Razširitev površine tkanega lista je bila odvisna od količine pritiska, uporabljenega za vsakega od obeh AMF, kot je prikazano na 3D grafu površine (slika 4C).Eksperimenti tudi kažejo, da lahko tkana ponjava povzroči 66-odstotno razširitev površine, ko sta AMF osnove in votka istočasno izpostavljena hidravličnemu tlaku 1 MPa.
Eksperimentalni rezultati za pleteno ponjavo kažejo podoben vzorec kot tkana ponjava, vključno s široko vrzeljo histereze v diagramu napetost-tlak in prekrivajočimi se krivuljami tlak-sila.Pletena ponjava je pokazala raztezek 30 %, po katerem je bila kompresijska sila 9 N pri vstopnem tlaku 1 MPa (slika 4D, E).
V primeru okrogle tkane pločevine se je njena začetna površina povečala za 25 % v primerjavi z začetno površino po izpostavitvi tlaku tekočine 1 MPa (slika 4F).Preden se vzorec začne širiti, obstaja veliko mrtvo območje vstopnega tlaka do 0,7 MPa.Ta velika mrtva cona je bila pričakovana, saj so bili vzorci narejeni iz večjih AMF, ki so zahtevale višje pritiske za premagovanje začetne obremenitve.Na sl.4F tudi kaže, da krivulja sproščanja skoraj sovpada s krivuljo povečanja tlaka, kar kaže na majhno izgubo energije, ko se preklopi gibanje diska.
Eksperimentalni rezultati za tri upogibne aktuatorje (rekonfiguracija tkiva) kažejo, da imajo njihove krivulje histereze podoben vzorec (slika 4G), pri čemer doživijo mrtvo območje vstopnega tlaka do 0,2 MPa pred dvigom.Enak volumen tekočine (0,035 ml) smo nanesli na tri upogibne pogone (L20, L30 in L50 mm).Vendar je vsak aktuator doživel različne konice tlaka in razvil različne upogibne kote.Aktuatorja L20 in L30 mm sta imela vhodni tlak 0,72 in 0,67 MPa, pri čemer sta dosegla upogibne kote 167° oziroma 194°.Najdaljši upogibni pogon (dolžina 50 mm) je zdržal tlak 0,61 MPa in dosegel največji upogibni kot 236°.Grafi histereze kota tlaka so razkrili tudi razmeroma velike vrzeli med krivuljami tlaka in sprostitve za vse tri pogone za upogibanje.
Razmerje med vhodno prostornino in izhodnimi lastnostmi (raztezek, sila, razširitev površine, upogibni kot) za zgornje pametne tekstilne konfiguracije je mogoče najti na dodatni sliki S2.
Eksperimentalni rezultati v prejšnjem razdelku jasno prikazujejo sorazmerno razmerje med uporabljenim vstopnim tlakom in izstopnim raztezkom vzorcev AMF.Močneje ko je AMB napet, večji raztezek razvije in več elastične energije akumulira.Zato je večja tlačna sila, ki jo izvaja.Rezultati so tudi pokazali, da so vzorci dosegli največjo tlačno silo, ko je bil vstopni tlak popolnoma odstranjen.Namen tega razdelka je vzpostaviti neposredno povezavo med raztezkom in največjo silo krčenja pletenih in tkanih listov z analitičnim modeliranjem in eksperimentalnim preverjanjem.
Največja kontraktilna sila Fout (pri vstopnem tlaku P = 0) posameznega AMF je bila podana v ref. 49 in ponovno uvedena, kot sledi:
Med njimi so α, E in A0 faktor raztezanja, Youngov modul in površina prečnega prereza silikonske cevi;k je koeficient togosti spiralne tuljave;x in li sta odmik in začetna dolžina.AMP oz.
prava enačba.(1) Za primer vzemite pletene in tkane rjuhe (sl. 5A, B).Sile krčenja pletenega izdelka Fkv in tkanega izdelka Fwh so izražene z enačbo (2) oziroma (3).
kjer je mk število zank, φp je kot zanke pletenine med brizganjem (slika 5A), mh je število niti, θhp je vprijemni kot pletenine med brizganjem (slika 5B), εkv εwh je pletenina in deformacija tkane pločevine, F0 je začetna napetost spiralne tuljave.Podrobna izpeljava enačbe.(2) in (3) najdete v podpornih informacijah.
Izdelajte analitični model za razmerje raztezek-sila.(A, B) Ilustracije analitičnega modela za pletene oziroma tkane rjuhe.(C,D) Primerjava analitičnih modelov in eksperimentalnih podatkov za pletene in tkane pločevine.RMSE Srednja kvadratna napaka.
Za testiranje razvitega modela smo izvedli poskuse raztezka z uporabo pletenih vzorcev na sliki 2A in pletenih vzorcev na sliki 2B.Sila kontrakcije je bila izmerjena v korakih po 5 % za vsako zaklenjeno razširitev od 0 % do 50 %.Povprečna vrednost in standardni odklon petih poskusov sta predstavljena na sliki 5C (pletenina) in sliki 5D (pletenina).Krivulje analitičnega modela so opisane z enačbami.Parametra (2) in (3) sta podana v tabeli.1. Rezultati kažejo, da se analitični model dobro ujema z eksperimentalnimi podatki v celotnem območju raztezka s korenom srednje kvadratne napake (RMSE) 0,34 N za pletenine, 0,21 N za tkano AMF H (vodoravna smer) in 0,17 N za tkane AMF .V (navpična smer).
Poleg osnovnih gibov je mogoče predlagane pametne tekstilije mehansko programirati za zagotavljanje kompleksnejših gibov, kot so S-upogib, radialna kontrakcija in 2D do 3D deformacija.Tukaj predstavljamo več metod za programiranje ravnih pametnih tekstilij v želene strukture.
Poleg razširitve domene v linearni smeri je mogoče enosmerne tkane plošče mehansko programirati za ustvarjanje multimodalnega gibanja (slika 6A).Podaljšanje pletenice preoblikujemo kot upogibno gibanje, pri čemer eno od njegovih ploskev (zgornjo ali spodnjo) omejimo s šivalnim sukancem.Listi se pod pritiskom upogibajo proti mejni površini.Na sl.6A prikazuje dva primera tkanih plošč, ki postanejo v obliki črke S, ko je ena polovica stisnjena na zgornji strani, druga polovica pa je stisnjena na spodnji strani.Druga možnost je, da ustvarite krožno upogibno gibanje, kjer je omejen samo celoten obraz.Enosmerno pleteno pločevino lahko izdelamo tudi v kompresijsko pušo tako, da njena dva konca povežemo v cevasto strukturo (slika 6B).Rokav se nosi čez kazalec, da se zagotovi kompresija, oblika masažne terapije za lajšanje bolečin ali izboljšanje cirkulacije.Lahko ga prilagodite drugim delom telesa, kot so roke, boki in noge.
Sposobnost tkanja listov v eno smer.(A) Ustvarjanje deformabilnih struktur zaradi programabilnosti oblike sukanca za šivanje.(B) Kompresijski tulec za prste.(C) Druga različica pletene rjuhe in njena izvedba kot kompresijski tulec za podlaket.(D) Še en prototip kompresijskega tulca, narejen iz AMF tipa M, akrilne preje in trakov Velcro.Podrobne specifikacije najdete v razdelku Metode.
Slika 6C prikazuje še en primer enosmerne tkane pločevine, izdelane iz enega AMF in bombažne preje.Plošča se lahko razširi za 45 % po površini (pri 1,2 MPa) ali povzroči krožno gibanje pod pritiskom.Vključili smo tudi rjuho za ustvarjanje kompresijskega tulca za podlaket s pritrditvijo magnetnih trakov na konec rjuhe.Drug prototip kompresijskega tulca za podlaket je prikazan na sliki 6D, v katerem so bile enosmerne pletene plošče izdelane iz tipa M AMF (glejte Metode) in akrilne preje za ustvarjanje močnejših kompresijskih sil.Konce rjuh smo opremili z ježki za enostavno pritrditev in za različne velikosti rok.
Tehnika zadrževanja, ki pretvori linearno raztezanje v upogibno gibanje, je uporabna tudi za dvosmerne tkane plošče.Bombažne niti vpletamo na eni strani listov osnove in votka, da se ne razširijo (slika 7A).Torej, ko dva AMF prejmeta hidravlični tlak neodvisno drug od drugega, je plošča podvržena dvosmernemu upogibnemu gibanju, da se oblikuje poljubna tridimenzionalna struktura.Pri drugem pristopu uporabljamo neraztegljivo prejo za omejitev ene smeri dvosmernih tkanih listov (slika 7B).Tako se lahko plošča neodvisno upogiba in razteza, ko je ustrezni AMF pod pritiskom.Na sl.7B prikazuje primer, v katerem je dvosmerna pletena ponjava nadzorovana tako, da ovije dve tretjini človeškega prsta z upogibnim gibom in nato podaljša njegovo dolžino, da pokrije preostanek z razteznim gibom.Dvosmerno premikanje rjuh je lahko koristno za modno oblikovanje ali razvoj pametnih oblačil.
Dvosmerna tkana ponjava, pletena ponjava in radialno razširljive možnosti oblikovanja.(A) Dvosmerno vezane dvosmerne pletene plošče za ustvarjanje dvosmernega ovinka.(B) Enosmerno omejene dvosmerne pletene plošče proizvajajo upogib in raztezek.(C) Visoko elastična pletenina, ki se lahko prilagaja različnim površinskim ukrivljenostim in celo oblikuje cevaste strukture.(D) razmejitev središčne črte radialno razširjajoče se strukture, ki tvori hiperbolično parabolično obliko (krompirjev čips).
Dve sosednji zanki zgornje in spodnje vrste pletenega dela smo povezali s sukancem za šivanje, da se le-ta ne razpleta (slika 7C).Tako je tkana ponjava popolnoma fleksibilna in se dobro prilagaja različnim površinskim krivuljam, kot je površina kože človeških dlani in rok.Ustvarili smo tudi cevasto strukturo (rokav) tako, da smo konce pletenega dela povezali v smeri vožnje.Rokav se dobro ovije okoli kazalca osebe (slika 7C).Valovitost tkanine zagotavlja odlično prileganje in deformabilnost, zaradi česar je enostavna za uporabo pri pametni nošnji (rokavice, kompresijski rokavi), zagotavlja udobje (zaradi prileganja) in terapevtski učinek (zaradi stiskanja).
Poleg 2D radialne ekspanzije v več smereh je mogoče krožne tkane plošče programirati tudi za oblikovanje 3D struktur.Središčno linijo okrogle pletenice smo omejili z akrilno prejo, da bi motili njeno enakomerno radialno širjenje.Posledično se je prvotna ravna oblika okrogle tkane pločevine po pritisku preoblikovala v hiperbolično parabolično obliko (ali krompirjev čips) (slika 7D).To sposobnost spreminjanja oblike bi lahko uporabili kot dvižni mehanizem, optično lečo, noge mobilnega robota ali pa bi jo lahko uporabili pri modnem oblikovanju in bioničnih robotih.
Razvili smo preprosto tehniko za ustvarjanje upogibnih pogonov z lepljenjem AMF na trak neraztegljive tkanine (slika 3).Ta koncept uporabljamo za ustvarjanje navojev, ki jih je mogoče programirati, kjer lahko strateško porazdelimo več aktivnih in pasivnih odsekov v enem AMF, da ustvarimo želene oblike.Izdelali in programirali smo štiri aktivne filamente, ki so lahko spremenili svojo obliko iz ravne v črko (UNSW), ko se je tlak povečal (dodatna slika S4).Ta preprosta metoda omogoča deformabilnost AMF, da spremeni 1D črte v 2D oblike in morda celo 3D strukture.
Pri podobnem pristopu smo uporabili en sam AMF za rekonfiguracijo kosa pasivnega normalnega tkiva v aktivnega tetrapoda (slika 8A).Koncepti usmerjanja in programiranja so podobni tistim, prikazanim na sliki 3C.Vendar pa so namesto pravokotnih listov začeli uporabljati tkanine s štirinožnim vzorcem (želva, bombažni muslin).Zato so noge daljše in konstrukcijo lahko dvignemo višje.Višina strukture postopoma narašča pod pritiskom, dokler njene noge niso pravokotne na tla.Če vstopni tlak še naprej narašča, se bodo noge povesile navznoter, kar bo znižalo višino konstrukcije.Tetrapodi lahko izvajajo gibanje, če so njihove noge opremljene z enosmernimi vzorci ali uporabljajo več AMF s strategijami manipulacije gibanja.Roboti za mehko premikanje so potrebni za različne naloge, vključno z reševanjem pred gozdnimi požari, podrtimi zgradbami ali nevarnimi okolji, in roboti za dostavo medicinskih zdravil.
Tkanina je preoblikovana za ustvarjanje struktur, ki spreminjajo obliko.(A) Prilepite AMF na obrobo pasivne tkanine in jo spremenite v vodljivo štirinožno strukturo.(BD) Dva druga primera rekonfiguracije tkiva, spreminjanje pasivnih metuljev in rož v aktivne.Neraztegljiva tkanina: navaden bombažni muslin.
Prav tako izkoristimo enostavnost in vsestranskost te tehnike rekonfiguracije tkiva z uvedbo dveh dodatnih bioinspiriranih struktur za preoblikovanje (sliki 8B-D).Z AMF, ki ga je mogoče usmerjati, se te oblikovno deformabilne strukture preoblikujejo iz listov pasivnega tkiva v aktivne in vodljive strukture.Po navdihu metulja monarha smo naredili preoblikovalno strukturo metulja z uporabo kosa blaga v obliki metulja (bombažnega muslina) in dolgega kosa AMF, zataknjenega pod njegovimi krili.Ko je AMF pod pritiskom, se krila zložijo.Tako kot pri metulju Monarch tudi levo in desno krilo robota Butterfly zamahujeta na enak način, ker ju nadzira AMF.Zavihki z metulji so samo za prikaz.Ne more leteti kot Smart Bird (Festo Corp., ZDA).Izdelali smo tudi rožo iz blaga (slika 8D), sestavljeno iz dveh plasti po pet cvetnih listov.AMF smo postavili pod vsako plast po zunanjem robu cvetnih listov.Na začetku so cvetovi v polnem razcvetu, vsi cvetni listi so popolnoma odprti.Pod pritiskom AMF povzroči upogibno gibanje cvetnih listov, zaradi česar se zaprejo.Dva AMF-ja neodvisno nadzorujeta gibanje obeh plasti, medtem ko se pet cvetnih listov ene plasti hkrati upogiba.
Čas objave: 26. december 2022