Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Ezenkívül a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Egyszerre három diából álló körhinta jeleníti meg.Az Előző és a Következő gombokkal egyszerre három dián lépkedhet, vagy a végén lévő csúszkagombokkal egyszerre három dián.
A textíliák és a mesterséges izmok kombinálása intelligens textíliák létrehozása érdekében nagy figyelmet kelt mind a tudományos, mind az ipari közösségek részéről.Az intelligens textíliák számos előnnyel rendelkeznek, beleértve az alkalmazkodó kényelmet és a tárgyakhoz való nagyfokú alkalmazkodást, miközben aktív működtetést biztosítanak a kívánt mozgáshoz és erőhöz.Ez a cikk a programozható intelligens szövetek új osztályát mutatja be, amelyek a folyadék által vezérelt mesterséges izomrostok szövésének, szövésének és ragasztásának különféle módszereivel készültek.A kötött és szövött textillapok nyúlási erejének arányának leírására matematikai modellt dolgoztunk ki, majd kísérletileg teszteltük annak érvényességét.Az új „intelligens” textil nagy rugalmasságot, konformitást és mechanikai programozást tesz lehetővé, lehetővé téve a multimodális mozgást és deformációt az alkalmazások szélesebb körében.Különféle intelligens textil prototípusokat hoztak létre kísérleti igazolással, beleértve a különféle alakváltozási eseteket, mint például a nyúlás (akár 65%), a terület kiterjesztése (108%), a radiális tágulás (25%) és a hajlító mozgás.A passzív hagyományos szövetek biomimetikus formáló struktúrák aktív struktúrákká történő átalakításának koncepcióját is vizsgálják.A javasolt intelligens textíliák várhatóan elősegítik az intelligens viselhető eszközök, a haptikus rendszerek, a biomimetikus lágy robotok és a viselhető elektronika fejlesztését.
A merev robotok hatékonyak, ha strukturált környezetben dolgoznak, de problémáik vannak a változó környezetek ismeretlen kontextusával, ami korlátozza használatukat a keresésben vagy a felfedezésben.A természet továbbra is sok ötletes stratégiával lep meg bennünket a külső tényezők és a sokféleség kezelésére.Például a kúszónövények indái multimodális mozgásokat hajtanak végre, például hajlítást és spirálozást, hogy egy ismeretlen környezetet fedezzenek fel megfelelő támaszt keresve1.A Vénusz légycsapda (Dionaea muscipula) levelein érzékeny szőrszálak találhatók, amelyek kioldásukkor a helyükre pattannak, hogy elkapják a zsákmányt2.Az utóbbi években érdekes kutatási témává vált a testek deformációja vagy deformációja kétdimenziós (2D) felületekről háromdimenziós (3D) alakzatokká, amelyek biológiai struktúrákat utánoznak3,4.Ezek a lágy robotkonfigurációk megváltoztatják alakjukat, hogy alkalmazkodjanak a változó környezethez, lehetővé tegyék a multimodális mozgást, és erőket fejtsenek ki a mechanikai munka elvégzéséhez.Elterjedtségük a robotikai alkalmazások széles körére terjedt ki, beleértve a telepíthető5, az újrakonfigurálható és összecsukható robotokat6,7, az orvosbiológiai eszközöket8, a járműveket9,10 és a bővíthető elektronikát11.
Sok kutatást végeztek programozható lapos lemezek kifejlesztésére, amelyek aktiválásukkor összetett háromdimenziós szerkezetekké alakulnak3.Egy egyszerű ötlet deformálható struktúrák létrehozására az, hogy különböző anyagokból álló rétegeket kombinálnak, amelyek meghajlanak és ráncosodnak, ha ingereknek vannak kitéve12,13.Janbaz et al.14 és Li et al.15 alkalmazta ezt a koncepciót hőérzékeny multimodális deformálható robotok létrehozására.Az ingerekre reagáló elemeket tartalmazó origami alapú struktúrákat összetett háromdimenziós struktúrák létrehozására használták16,17,18.A biológiai struktúrák morfogenezise által ihletett Emmanuel et al.Az alakformáló elasztomerek úgy jönnek létre, hogy a gumi felületen belül légcsatornákat szerveznek, amelyek nyomás hatására összetett, tetszőleges háromdimenziós formákká alakulnak.
A textíliák vagy szövetek deformálható puha robotokba való integrálása egy másik új koncepció, amely széles körű érdeklődést váltott ki.A textíliák puha és rugalmas anyagok, amelyek fonalból készülnek olyan szövési technikákkal, mint a kötés, a szövés, a fonás vagy a csomózás.A szövetek elképesztő tulajdonságai, beleértve a rugalmasságot, illeszkedést, rugalmasságot és légáteresztő képességet, nagyon népszerűvé teszik őket a ruházattól az orvosi alkalmazásokig20.Három átfogó megközelítés létezik a textíliák robotikába való beépítésére21.Az első megközelítés az, hogy a textíliát passzív hátlapként vagy alapként használják más alkatrészekhez.Ebben az esetben a passzív textíliák kényelmes illeszkedést biztosítanak a felhasználó számára merev alkatrészek (motorok, érzékelők, tápegység) szállítása során.A legtöbb puha hordható robot vagy puha exoskeleton ebbe a megközelítésbe tartozik.Például puha hordható exoskeletonok a járást segítő eszközökhöz 22 és könyöksegítőkhöz 23, 24, 25, puha viselhető kesztyűk 26 kéz- és ujjsegédekhez, valamint bionikus puha robotok 27.
A második megközelítés a textíliák használata puha roboteszközök passzív és korlátozott alkatrészeiként.A textil alapú működtetők ebbe a kategóriába tartoznak, ahol a szövet általában külső tartályként készül, amely tartalmazza a belső tömlőt vagy kamrát, puha szálerősítésű működtetőelemet képezve.Ha külső pneumatikus vagy hidraulikus forrásnak vannak kitéve, ezek a puha hajtóművek alakváltozáson mennek keresztül, beleértve a megnyúlást, hajlítást vagy csavarodást, eredeti összetételüktől és konfigurációjuktól függően.Például Talman et al.Egy sor szövetzsebből álló ortopéd bokaruházatot vezettek be, hogy megkönnyítsék a talpi hajlítást a járás helyreállítása érdekében28.Különböző nyújthatóságú textilrétegek kombinálásával anizotróp mozgás jön létre 29 .OmniSkins – a különféle puha működtetőkből és szubsztrátumanyagokból készült puha robotbőrök képesek a passzív tárgyakat többfunkciós aktív robotokká alakítani, amelyek különféle alkalmazásokhoz képesek multimodális mozgásokat és deformációkat végrehajtani.Zhu et al.kifejlesztettek egy folyékony szöveti izomlapot31, amely nyúlást, hajlítást és különféle deformációs mozgásokat képes generálni.Buckner et al.Integráljon funkcionális rostokat a hagyományos szövetekbe, hogy több funkcióval, például működtetéssel, érzékeléssel és változó merevséggel rendelkező robotszöveteket hozzon létre32.Az ebbe a kategóriába tartozó egyéb módszerek ezekben a 21., 33., 34., 35. cikkekben találhatók.
A textíliák kiváló tulajdonságainak hasznosítására a puha robotika területén a legújabb megközelítés az, hogy reaktív vagy ingerekre reagáló filamenteket használnak intelligens textíliák létrehozására hagyományos textilgyártási módszerekkel, például szövés, kötés és szövés módszerekkel21,36,37.Az anyag összetételétől függően a reaktív fonal alakváltozást okoz, ha elektromos, hő- vagy nyomáshatásnak van kitéve, ami a szövet deformálódásához vezet.Ebben a megközelítésben, ahol a hagyományos textíliákat egy puha robotrendszerbe integrálják, a textil átformálódása nem a külső rétegen, hanem a belső rétegen (fonalon) történik.Mint ilyenek, az intelligens textilek kiváló kezelhetőséget kínálnak a multimodális mozgás, a programozható deformáció, a nyújthatóság és a merevség beállítási képessége tekintetében.Például alakmemória ötvözetek (SMA-k) és alakmemóriás polimerek (SMP-k) beépíthetők a szövetekbe, hogy aktívan szabályozzák alakjukat termikus stimulációval, például szegéssel38, ránctalanítással36,39, tapintható és tapintható visszacsatolás40,41, valamint adaptív. hordható ruházat.eszközök 42 .A hőenergia fűtésre és hűtésre történő felhasználása azonban lassú reakciót és nehéz hűtést és szabályozást eredményez.Újabban Hiramitsu et al.McKibben finom izmait43,44, a pneumatikus mesterséges izmokat láncfonalként használják, hogy a szövés szerkezetének megváltoztatásával különféle aktív textíliákat hozzanak létre45.Bár ez a megközelítés nagy erőket biztosít, a McKibben izom természetéből adódóan tágulási sebessége korlátozott (< 50%), és kis mérete nem érhető el (átmérő < 0,9 mm).Emellett nehéz volt intelligens textilmintákat kialakítani az éles sarkokat igénylő szövési módszerekből.Az intelligens textilek szélesebb körének kialakítása érdekében Maziz et al.Az elektroaktív viselhető textíliákat elektroérzékeny polimer szálak kötésével és szövésével fejlesztették ki46.
Az elmúlt években egy új típusú hőérzékeny mesterséges izom jelent meg, amelyet erősen csavart, olcsó polimerszálakból készítettek47,48.Ezek a szálak a kereskedelemben kaphatók, és könnyen beépíthetők a szövésbe vagy szövésbe, hogy megfizethető okos ruhákat állítsanak elő.A fejlesztések ellenére ezeknek az új hőérzékeny textíliáknak korlátozott a reakcióideje a fűtési és hűtési igény miatt (pl. hőmérséklet-szabályozott textíliák), vagy a bonyolult kötött és szövött minták elkészítésének nehézsége miatt, amelyek programozhatók a kívánt deformációk és mozgások létrehozására. .Ilyen például a sugárirányú tágulás, a 2D-ből 3D-s alakátalakítás vagy a kétirányú bővítés, amelyeket itt kínálunk.
A fent említett problémák leküzdésére ez a cikk egy új, folyadékvezérelt intelligens textíliát mutat be, amely a közelmúltban bevezetett lágy mesterséges izomrostokból (AMF) készült49,50,51.Az AMF-ek rendkívül rugalmasak, méretezhetők, 0,8 mm-es átmérőre és nagy hosszúságra (legalább 5000 mm-re) csökkenthetők, magas képarányt (hossz-átmérő), valamint nagy nyúlást (legalább 245%) és nagy energiát kínálnak. hatékonyság, kevesebb, mint 20 Hz gyors válasz).Intelligens textíliák készítéséhez az AMF-et aktív fonalként használjuk, hogy 2D aktív izomrétegeket alakítsunk ki kötési és szövési technikákkal.Kvantitatívan tanulmányoztuk ezen „okos” szövetek tágulási sebességét és összehúzódási erejét a szállított folyadék térfogata és nyomása szempontjából.A kötött és szövött lapok nyúlási erőviszonyának megállapítására analitikai modelleket fejlesztettek ki.Számos mechanikus programozási technikát is ismertetünk az intelligens textíliák multimodális mozgatásához, beleértve a kétirányú kiterjesztést, hajlítást, sugárirányú kiterjesztést és a 2D-ről 3D-re való átmenet lehetőségét.Megközelítésünk erősségének demonstrálására az AMF-et a kereskedelmi szövetekbe vagy textíliákba is integráljuk, hogy passzívról aktív szerkezetre változtassuk a konfigurációt, amely különféle deformációkat okoz.Ezt a koncepciót számos kísérleti próbapadon is bemutattuk, beleértve a szálak programozható hajlítását a kívánt betűk előállítása érdekében, valamint az alakváltó biológiai struktúrákat tárgyak, például pillangók, négylábú szerkezetek és virágok alakjára.
A textíliák rugalmas, kétdimenziós szerkezetek, amelyeket egydimenziós szálakból, például fonalakból, szálakból és szálakból alakítanak ki.A textil az emberiség egyik legrégebbi technológiája, és az élet minden területén széles körben használják kényelmének, alkalmazkodóképességének, légáteresztő képességének, esztétikájának és védelmének köszönhetően.Az intelligens textíliákat (más néven intelligens ruhákat vagy robotszöveteket) egyre gyakrabban használják a kutatásban, mivel nagy potenciállal rendelkeznek a robotalkalmazásokban20,52.Az intelligens textíliák azt ígérik, hogy javítják a puha tárgyakkal való interakció emberi élményét, paradigmaváltást indítva el azon a területen, ahol a vékony, rugalmas szövet mozgása és erői szabályozhatók meghatározott feladatok elvégzése érdekében.Ebben a cikkben az intelligens textilek előállításának két megközelítését vizsgáljuk meg a legutóbbi AMF49-ünk alapján: (1) az AMF-et aktív fonalként használjuk intelligens textilek előállításához hagyományos textilgyártási technológiák segítségével;(2) helyezze be az AMF-et közvetlenül a hagyományos szövetekbe, hogy serkentse a kívánt mozgást és deformációt.
Az AMF egy belső szilikoncsőből áll a hidraulikus tápellátás biztosítására és egy külső spirális tekercsből, amely korlátozza a sugárirányú tágulást.Így az AMF-ek hosszirányban megnyúlnak, amikor nyomást fejtenek ki, és ezt követően összehúzó erőket mutatnak, hogy visszatérjenek eredeti hosszukba, amikor a nyomást felengedik.Tulajdonságaik hasonlóak a hagyományos szálakhoz, beleértve a rugalmasságot, a kis átmérőt és a hosszú hosszúságot.Azonban az AMF aktívabb és irányítottabb mozgás és erő tekintetében, mint hagyományos társai.Az intelligens textilek közelmúltbeli gyors fejlődése által ihletett négy fő megközelítést mutatunk be az intelligens textíliák előállítására az AMF-nek egy régóta bevált szövetgyártási technológiára történő alkalmazásával (1. ábra).
Az első módszer a szövés.Vetülékkötési technológiát alkalmazunk, hogy olyan reaktív kötött anyagot állítsunk elő, amely hidraulikus működtetésre egy irányba bontakozik ki.A kötött lapok nagyon rugalmasak és nyújthatóak, de könnyebben szétnyílnak, mint a szőtt lapok.A szabályozási módtól függően az AMF egyedi sorokat vagy komplett termékeket képezhet.A lapos lapok mellett AMF üreges szerkezetek gyártására is alkalmasak a csőszerű kötésminták.A második módszer a szövés, ahol két AMF-et használunk láncként és vetülékként, hogy téglalap alakú szövött lapot képezzünk, amely két irányban egymástól függetlenül tágulhat.A szőtt lapok nagyobb irányítást biztosítanak (mindkét irányban), mint a kötött lapok.A hagyományos fonalból AMF-et is szőttünk, hogy egyszerűbb szövésű lepedőt készítsünk, amely csak egy irányban tekerhető le.A harmadik módszer – radiális expanzió – a szövéstechnika egy olyan változata, amelyben az AMP-k nem téglalapban, hanem spirálban helyezkednek el, és a szálak sugárirányú kényszert biztosítanak.Ebben az esetben a fonat a bemeneti nyomás hatására sugárirányban kitágul.A negyedik megközelítés az, hogy az AMF-et egy passzív szövetlapra ragasztják, hogy a kívánt irányba hajlító mozgást hozzanak létre.Átkonfiguráltuk a passzív kitörési kártyát aktív kitörési kártyává úgy, hogy az AMF-et a széle körül futtattuk.Az AMF programozható jellege számtalan lehetőséget nyit meg a biológiai ihletésű alakformáló lágy struktúrák számára, ahol a passzív tárgyakat aktívvá alakíthatjuk.Ez a módszer egyszerű, könnyű és gyors, de veszélyeztetheti a prototípus élettartamát.Az olvasó a szakirodalom más megközelítéseire hivatkozik, amelyek részletezik az egyes szöveti tulajdonságok erősségeit és gyengeségeit21,33,34,35.
A legtöbb hagyományos szövet készítéséhez használt cérna vagy fonal passzív szerkezeteket tartalmaz.Ebben a munkában korábban kifejlesztett, méteres hosszúságot és szubmilliméteres átmérőt is elérő AMF-ünket használjuk, hogy a hagyományos passzív textilfonalakat AFM-re cseréljük, hogy intelligens és aktív szöveteket készítsünk szélesebb körű alkalmazásokhoz.A következő szakaszok részletesen ismertetik az intelligens textil prototípusok készítésének módszereit, és bemutatják fő funkcióikat és viselkedésüket.
Három AMF mezt kézzel készítettünk vetülékkötési technikával (2A. ábra).Az anyagválasztás és az AMF-ek és prototípusok részletes specifikációi a Módszerek részben találhatók.Mindegyik AMF egy kanyargós pályát (más néven útvonalat) követ, amely szimmetrikus hurkot képez.Az egyes sorok hurkait a felettük és alattuk lévő sorok hurkaival rögzítjük.Az egyik oszlop pályára merőleges gyűrűit tengelyvé egyesítik.Kötött prototípusunk három sorból áll, minden sorban hét öltéssel (vagy hét öltéssel).A felső és alsó gyűrűk nincsenek rögzítve, így a megfelelő fémrudakra tudjuk rögzíteni.A kötött prototípusok könnyebben szétszedhetők, mint a hagyományos kötött anyagok, mivel az AMF nagyobb merevsége van, mint a hagyományos fonalaknak.Ezért a szomszédos sorok hurkait vékony rugalmas zsinórokkal kötöttük össze.
Különféle intelligens textil prototípusokat valósítanak meg különböző AMF konfigurációkkal.(A) Három AMF-ből készült kötött lepedő.(B) Két AMF kétirányú szövött lapja.(C) Egy AMF-ből és akrilfonalból készült egyirányú szövött lap 500 g terhelést képes elviselni, ami súlyának 192-szerese (2,6 g).(D) Radiálisan táguló szerkezet egy AMF-fel és pamut fonallal, mint radiális kényszer.A részletes specifikációk a Módszerek részben találhatók.
Bár egy kötött cikk-cakk hurkok különböző irányokba nyúlhatnak, prototípus kötöttünk elsősorban a hurok irányába tágul nyomás alatt a menetirány korlátai miatt.Az egyes AMF-ek meghosszabbítása hozzájárul a kötött lap teljes területének bővítéséhez.Különleges követelményektől függően három AMF-et vezérelhetünk függetlenül három különböző folyadékforrásról (2A ábra), vagy egyidejűleg egy folyadékforrásról egy 1-3 folyadékelosztón keresztül.ábrán.A 2A. ábra egy kötött prototípus példáját mutatja, amelynek kezdeti területe 35%-kal nőtt, miközben nyomást gyakoroltak három AMP-re (1,2 MPa).Figyelemre méltó, hogy az AMF az eredeti hosszának legalább 250%-át éri el49, így a kötött lapok még jobban megnyúlhatnak, mint a jelenlegi változatok.
Két AMF-ből kialakított kétirányú szövésű lapokat is készítettünk sima szövés technikával (2B. ábra).Az AMF lánc és vetülék derékszögben fonódik össze, egyszerű keresztmetszetű mintát alkotva.Prototípus szövésünket a kiegyensúlyozott sima szövésbe soroltuk, mivel mind a lánc-, mind a vetülékfonal azonos méretű fonalból készült (a részletekért lásd a Módszerek című részt).A szokásos szálakkal ellentétben, amelyek éles redőket képezhetnek, az alkalmazott AMF-nek bizonyos hajlítási sugárra van szüksége, amikor visszatér a szövési minta másik szálához.Ezért az AMP-ből készült szőtt lapok sűrűsége kisebb, mint a hagyományos szőtt textíliáké.Az AMF S típusú (külső átmérő 1,49 mm) minimális hajlítási sugara 1,5 mm.Például az ebben a cikkben bemutatott szövés prototípusának 7 × 7-es szálmintája van, ahol minden metszéspontot egy vékony rugalmas zsinór csomóval stabilizálnak.Ugyanazzal a szövési technikával több szálat kaphat.
Amikor a megfelelő AMF folyadéknyomást kap, a szövött lap lánc- vagy vetülékirányban kiterjeszti a területét.Ezért a fonott lemez méreteit (hosszát és szélességét) úgy szabályoztuk, hogy egymástól függetlenül változtattuk a két AMP-re kifejtett bemeneti nyomás mértékét.ábrán.A 2B. ábra egy szövött prototípust mutat, amely eredeti területének 44%-ára bővült, miközben nyomást gyakorolt egy AMP-re (1,3 MPa).Két AMF-re gyakorolt egyidejű nyomás hatására a terület 108%-kal nőtt.
Készítettünk egy egyirányú szőtt lapot is egyetlen AMF-ből, vetülékként lánc- és akrilfonalakkal (2C. ábra).Az AMF-ek hét cikk-cakk sorban vannak elrendezve, és a szálak összefonják ezeket az AMF-sorokat, így téglalap alakú szövetlapot alkotnak.Ez a szövött prototípus sűrűbb volt, mint a 2B. ábrán, köszönhetően a puha akrilszálaknak, amelyek könnyen kitöltötték az egész lapot.Mivel láncként csak egy AMF-et használunk, a szövött lap nyomás alatt csak a láncvonal felé tud tágulni.A 2C. ábra egy szőtt prototípus példáját mutatja, amelynek kezdeti területe 65%-kal nő a nyomás növekedésével (1,3 MPa).Ráadásul ez a fonott darab (2,6 gramm súlyú) 500 grammos terhet képes felemelni, ami tömegének 192-szerese.
Ahelyett, hogy az AMF-et cikk-cakk mintázatban helyeztük el, hogy téglalap alakú szövött lapot hozzunk létre, lapos spirál alakú AMF-et készítettünk, amelyet azután pamutfonallal sugárirányban megkötöttünk, hogy kerek szövött lapot hozzunk létre (2D. ábra).Az AMF nagy merevsége korlátozza a lemez központi részének kitöltését.Ez a párnázás azonban készülhet rugalmas fonalból vagy rugalmas szövetből.Hidraulikus nyomás hatására az AMP a hosszirányú megnyúlását a lemez sugárirányú kitágulásává alakítja.Érdemes megjegyezni azt is, hogy a spirál alakjának mind a külső, mind a belső átmérője megnő a szálak sugárirányú korlátozása miatt.A 2D ábra azt mutatja, hogy 1 MPa alkalmazott hidraulikus nyomás mellett a kerek lap alakja az eredeti területének 25%-ára tágul.
Az intelligens textíliák készítésének egy második megközelítését mutatjuk be, amelyben egy AMF-et ragasztunk egy lapos szövetdarabra, és passzívból aktívan vezérelt szerkezetté alakítjuk át.A hajlító hajtás tervezési rajza az ábrán látható.A 3A. ábra, ahol az AMP-t középen lehajtják, és kétoldalas szalagot ragasztóként egy nyújthatatlan szövetcsíkra (pamut-muslinszövet) ragasztják.Lezárás után az AMF teteje szabadon kinyúlhat, míg az alját a szalag és a szövet korlátozza, így a szalag a szövet felé hajlik.A hajlító működtető bármely részét deaktiválhatjuk bárhol, egyszerűen ragasztunk rá egy szalagot.A deaktivált szegmens nem tud mozogni, és passzív szegmens lesz.
A szöveteket úgy alakítják át, hogy AMF-et ragasztanak a hagyományos szövetekre.(A) Tervezési koncepció hajlító hajtáshoz, amelyet hajtogatott AMF-nek egy nyújthatatlan szövetre ragasztanak.(B) A működtető prototípus hajlítása.(C) Négyszögletű ruha újrakonfigurálása aktív négylábú robottá.Rugalmatlan anyag: pamut jersey.Stretch anyag: poliészter.A részletes specifikációk a Módszerek részben találhatók.
Több, különböző hosszúságú hajlítómotor prototípust készítettünk, és hidraulikával nyomás alá helyeztük őket, hogy hajlító mozgást hozzunk létre (3B. ábra).Fontos, hogy az AMF egyenes vonalban elhelyezhető, vagy összehajtható több szál kialakításához, majd a szövetre ragasztva megfelelő számú menettel hajlító hajtást hozhat létre.A passzív szövetlapot aktív tetrapod szerkezetté alakítottuk (3C. ábra), ahol AMF-et használtunk egy téglalap alakú nyújthatatlan szövet (pamut muszlin szövet) határainak irányítására.Az AMP-t egy kétoldalas ragasztószalaggal rögzítik az anyaghoz.Mindegyik él közepe fel van ragasztva, hogy passzívvá váljon, míg a négy sarok aktív marad.A rugalmas szövet felső huzat (poliészter) opcionális.A szövet négy sarka meghajlik (lábaknak tűnik), amikor megnyomják.
A kifejlesztett intelligens textíliák tulajdonságainak kvantitatív vizsgálatára tesztpadot építettünk (lásd a Módszerek részt és az S1 kiegészítő ábrát).Mivel minden minta AMF-ből készült, a kísérleti eredmények általános trendje (4. ábra) összhangban van az AMF fő jellemzőivel, nevezetesen, hogy a bemeneti nyomás egyenesen arányos a kimeneti nyúlással és fordítottan arányos a nyomóerővel.Ezek az intelligens szövetek azonban egyedi jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek tükrözik sajátos konfigurációikat.
Intelligens textil konfigurációkat tartalmaz.(A, B) Hiszterézis görbéi a bemeneti nyomásra és a kimeneti nyúlásra, valamint az erőre szőtt lemezeknél.(C) A szövött lap területének bővítése.(D,E) A bemeneti nyomás és a kimeneti nyúlás, valamint az erő kapcsolata kötöttáru esetén.(F) Sugárirányban táguló szerkezetek területbővítése.(G) Három különböző hosszúságú hajlítóhajtás hajlítási szögei.
A szövött lap minden egyes AMF-jét 1 MPa bemeneti nyomásnak vetettük alá, hogy körülbelül 30%-os megnyúlást hozzunk létre (4A. ábra).Több okból is ezt a küszöböt választottuk a kísérlet egészére: (1) jelentős (kb. 30%-os) nyúlás létrehozása a hiszterézisgörbéik hangsúlyozása érdekében, (2) a különböző kísérletek és az újrafelhasználható prototípusok véletlen károsodását vagy meghibásodását eredményező kerékpározás megakadályozása..magas folyadéknyomás alatt.A holt zóna jól látható, és a fonat mozdulatlan marad, amíg a bemeneti nyomás el nem éri a 0,3 MPa-t.A nyomásnyúlás hiszterézis diagramja nagy rést mutat a szivattyúzási és elengedési fázis között, ami azt jelzi, hogy jelentős energiaveszteség lép fel, amikor a szövött lap mozgását tágulásról összehúzódásra változtatja.(4A. ábra).1 MPa bemeneti nyomás elérése után a szövött lap 5,6 N összehúzó erőt tudott kifejteni (4B. ábra).A nyomás-erő hiszterézis görbe azt is mutatja, hogy a visszaállítási görbe szinte átfedésben van a nyomásnövelési görbével.A szőtt lemez felületének tágulása a két AMF-re kifejtett nyomás mértékétől függött, amint azt a 3D felületi diagram mutatja (4C. ábra).Kísérletek azt is mutatják, hogy egy szövött lap 66%-os terület-tágulást képes elérni, ha a lánc- és vetülék AMF-eit egyidejűleg 1 MPa hidraulikus nyomásnak teszik ki.
A kötött lapra vonatkozó kísérleti eredmények a szőtt laphoz hasonló mintázatot mutatnak, beleértve a széles hiszterézis rést a feszültség-nyomás diagramban és az átfedő nyomás-erő görbéket.A kötött lap 30%-os megnyúlást mutatott, ami után a nyomóerő 9 N volt 1 MPa bemeneti nyomás mellett (4D, E ábra).
Egy kerek szőtt lap esetében a kezdeti területe 25%-kal nőtt a kezdeti területhez képest 1 MPa folyadéknyomás hatására (4F. ábra).Mielőtt a minta tágulni kezdene, van egy nagy bemeneti nyomási holtzóna 0,7 MPa-ig.Ez a nagy holt zóna várható volt, mivel a minták nagyobb AMF-ekből készültek, amelyek nagyobb nyomást igényeltek a kezdeti feszültség leküzdéséhez.ábrán.A 4F. ábra azt is mutatja, hogy a kioldási görbe majdnem egybeesik a nyomásnövekedési görbével, ami kis energiaveszteséget jelez a tárcsa mozgásának váltásakor.
A három hajlító aktuátor kísérleti eredményei (szövet-újrakonfigurálás) azt mutatják, hogy a hiszterézis görbéik hasonló mintázatot mutatnak (4G ábra), ahol emelés előtt akár 0,2 MPa bemeneti nyomású holtzónát tapasztalnak.Három hajlító hajtásra (L20, L30 és L50 mm) azonos térfogatú folyadékot (0,035 ml) vittünk fel.Azonban minden működtető más-más nyomáscsúcsot és különböző hajlítási szöget alakított ki.Az L20 és L30 mm-es hajtóművek 0,72 és 0,67 MPa bemeneti nyomást tapasztaltak, és 167°-os, illetve 194°-os hajlítási szöget értek el.A leghosszabb hajlító hajtás (hossza 50 mm) 0,61 MPa nyomást bírt, és elérte a 236°-os maximális hajlítási szöget.A nyomásszög hiszterézis görbéi viszonylag nagy hézagokat is feltártak mindhárom hajlítóhajtás túlnyomási és kioldási görbéje között.
A bemeneti térfogat és a kimeneti tulajdonságok (nyúlás, erő, terület-tágulás, hajlítási szög) közötti kapcsolat a fenti intelligens textil konfigurációk esetében az S2 kiegészítő ábrán található.
Az előző részben található kísérleti eredmények egyértelműen bemutatják az AMF minták alkalmazott bemeneti nyomása és kimeneti nyúlása közötti arányos kapcsolatot.Minél erősebben feszül az AMB, annál nagyobb nyúlást fejleszt ki, és annál rugalmasabb energiát halmoz fel.Ezért minél nagyobb nyomóerőt fejt ki.Az eredmények azt is mutatták, hogy a próbatestek akkor érték el maximális nyomóerejüket, amikor a bemeneti nyomást teljesen eltávolították.Ennek a szakasznak az a célja, hogy analitikus modellezéssel és kísérleti ellenőrzéssel közvetlen kapcsolatot létesítsen a kötött és szövött lapok nyúlása és maximális zsugorodási ereje között.
Egyetlen AMF Fout maximális összehúzó erejét (P = 0 bemeneti nyomáson) a 49. hivatkozásban adtuk meg, és a következőképpen vezettük be újra:
Közülük α, E és A0 a nyújtási tényező, a Young-modulus és a szilikoncső keresztmetszeti területe;k a spiráltekercs merevségi együtthatója;x és li az eltolás és a kezdeti hossz.AMP, ill.
a helyes egyenlet.(1) Vegyünk példaként a kötött és szövött lapokat (5A, B ábra).Az Fkv kötött termék és az Fwh szőtt termék zsugorító erejét a (2) és (3) egyenlet fejezi ki.
ahol mk a hurkok száma, φp a kötött anyag hurokszöge injektálás közben (5A. ábra), mh a szálak száma, θhp a kötött anyag befogási szöge injektálás közben (5B. ábra), εkv εwh a kötött lap és a szőtt lemez deformációja, F0 a spiráltekercs kezdeti feszültsége.Az egyenlet részletes levezetése.A (2) és (3) bekezdés a kiegészítő információk között található.
Készítsen analitikus modellt a nyúlás-erő összefüggésre.(A,B) Analitikai modellillusztrációk kötött és szövött lapokhoz, ill.(C,D) Analitikai modellek és kísérleti adatok összehasonlítása kötött és szövött lapokra.RMSE Gyök négyzetes hiba.
A kifejlesztett modell teszteléséhez nyúlási kísérleteket végeztünk a 2A. ábra kötött mintáival és a 2B. ábra fonott mintáival.Az összehúzó erőt 5%-os lépésekben mértük minden egyes reteszelt nyúlványnál 0%-tól 50%-ig.Az öt kísérlet átlagát és szórását az 5C. ábra (kötött) és az 5D. ábra (kötött) mutatja.Az analitikai modell görbéit egyenletek írják le.A (2) és (3) paramétereket a táblázat tartalmazza.1. Az eredmények azt mutatják, hogy az analitikai modell jó összhangban van a kísérleti adatokkal a teljes nyúlási tartományban, a négyzetes közép hiba (RMSE) 0,34 N kötöttáru, 0,21 N szövött AMF H (vízszintes irány) és 0,17 N szőtt AMF-hez.V (függőleges irány).
A javasolt intelligens textíliák az alapmozgások mellett mechanikusan is programozhatók olyan összetettebb mozgások elvégzésére, mint az S-hajlítás, a sugárirányú összehúzódás és a 2D-ről 3D-re történő deformáció.Számos módszert mutatunk be lapos intelligens textíliák kívánt szerkezetekbe programozására.
A tartomány lineáris irányú kiterjesztése mellett az egyirányú szövött lapok mechanikusan programozhatók multimodális mozgás létrehozására (6A. ábra).A fonott lap meghosszabbítását hajlítási mozdulatként alakítjuk át, az egyik oldalát (felül vagy alul) varrócérnával korlátozzuk.A lapok nyomás hatására hajlamosak a határoló felület felé hajolni.ábrán.A 6A. ábra két példát mutat olyan szövött panelekre, amelyek S alakúvá válnak, amikor az egyik fele a felső oldalon, a másik fele pedig az alsó oldalon szűk.Alternatív megoldásként létrehozhat egy körkörös hajlító mozgást, ahol csak a teljes arc van korlátozva.Egy egyirányú fonott lemezből is készíthető nyomóhüvely, ha két végét egy csőszerű szerkezetbe kötjük (6B. ábra).A hüvelyt a személy mutatóujjára kell viselni, hogy kompressziót biztosítson, ez a masszázsterápia egy formája a fájdalom enyhítésére vagy a keringés javítására.Méretezhető más testrészekhez, például karokhoz, csípőhöz és lábakhoz.
A lapok egyirányú szövése.(A) A varrócérnák alakjának programozhatósága miatt deformálható szerkezetek létrehozása.(B) Ujjszorító hüvely.(C) A fonott lap egy másik változata és megvalósítása alkar nyomóhüvelyként.(D) Egy másik kompressziós hüvely prototípus M típusú AMF-ből, akril fonalból és tépőzáras hevederekből.A részletes specifikációk a Módszerek részben találhatók.
A 6C. ábra egy másik példát mutat egyetlen AMF-ből és pamutfonalból készült egyirányú szövött lapra.A lemez felülete 45%-kal tágulhat (1,2 MPa-nál), vagy nyomás alatt körkörös mozgást okozhat.Beépítettünk egy lapot is az alkar nyomóhüvelyének létrehozásához, mágneses hevederek rögzítésével a lap végére.A 6D. ábrán egy másik alkar nyomóhüvely prototípusa látható, amelyben egyirányú fonott lapokat készítettek M típusú AMF-ből (lásd: Módszerek) és akrilfonalakból, hogy erősebb nyomóerőt hozzanak létre.A lapok végeit tépőzáras pántokkal láttuk el a könnyű rögzítés és a különböző kézméretek érdekében.
A visszatartó technika, amely a lineáris kiterjesztést hajlító mozgássá alakítja, kétirányú szőtt lemezeknél is alkalmazható.A pamutszálakat a lánc- és vetülékszövött lapok egyik oldalán szőjük, hogy ne táguljanak ki (7A. ábra).Így amikor két AMF egymástól függetlenül kap hidraulikus nyomást, a lemez kétirányú hajlító mozgáson megy keresztül, így tetszőleges háromdimenziós szerkezetet alkot.Egy másik megközelítésben nyújthatatlan fonalakat használunk a kétirányú szövött lapok egyik irányának korlátozására (7B. ábra).Így a lemez önálló hajlító és nyújtó mozgásokat végezhet, ha a megfelelő AMF nyomás alatt van.ábrán.A 7B. ábra egy példát mutat be, amelyben egy kétirányú fonott lap úgy van szabályozva, hogy hajlító mozdulattal körbetekerje az emberi ujj kétharmadát, majd nyújtó mozdulattal meghosszabbítsa a hosszát, hogy a többit lefedje.Az ágyneműk kétirányú mozgatása hasznos lehet divattervezésben vagy okos ruházati fejlesztésben.
Kétirányú szövött lap, kötött lap és sugárirányban bővíthető tervezési lehetőségek.(A) Kétirányú ragasztású, kétirányú fonott panelek kétirányú hajlítás létrehozásához.(B) Az egyirányú, kétirányú fonott panelek hajlítást és megnyúlást eredményeznek.(C) Rendkívül rugalmas kötött lap, amely képes alkalmazkodni a különböző felületi görbületekhez, és akár csőszerű szerkezeteket is alkothat.(D) sugárirányban táguló, hiperbolikus parabola alakot képező szerkezet (burgonya chips) középvonalának lehatárolása.
A kötött rész felső és alsó sorának két szomszédos hurkát összekötöttük varrócérnával, hogy ne bomlik ki (7C. ábra).Így a szövött lap teljesen rugalmas, és jól alkalmazkodik a különböző felületi ívekhez, például az emberi kéz és kar bőrfelületéhez.A kötött rész menetirány szerinti végeit összekötve csőszerű szerkezetet (hüvelyt) is kialakítottunk.A hüvely jól körbeveszi a személy mutatóujját (7C. ábra).A szövött szövet kanyargóssága kiváló illeszkedést és deformálhatóságot biztosít, így könnyen használható okos viseletben (kesztyűk, kompressziós ujjak), komfortot (az illeszkedés révén) és terápiás hatást (kompresszión keresztül) biztosít.
A többirányú 2D-s sugárirányú táguláson kívül a kör alakú szövött lapok is programozhatók 3D-s struktúrák kialakítására.A körfonat középvonalát akrilfonallal korlátoztuk, hogy megzavarjuk egyenletes sugárirányú tágulását.Ennek eredményeként a kerek szövött lap eredeti lapos formája a nyomás alá helyezés után hiperbolikus parabola alakzattá (vagy burgonyaszeletté) alakult (7D. ábra).Ez az alakváltó képesség megvalósítható emelőszerkezetként, optikai lencseként, mobil robotlábként, vagy hasznos lehet divattervezésben és bionikus robotokban.
Kidolgoztunk egy egyszerű technikát a hajlítóhajtások létrehozására úgy, hogy AMF-et ragasztunk egy nem nyúló szövetcsíkra (3. ábra).Ezt a koncepciót használjuk alakzat-programozható szálak létrehozására, ahol stratégiailag eloszthatunk több aktív és passzív szakaszt egy AMF-ben, hogy létrehozzuk a kívánt alakzatokat.Négy aktív filamentet készítettünk és programoztunk, amelyek a nyomás növekedésével egyenesről betűre változtathatják alakjukat (S4 kiegészítő ábra).Ez az egyszerű módszer lehetővé teszi az AMF deformálhatóságát, hogy 1D vonalakat 2D alakzatokká és esetleg 3D struktúrákká alakítson.
Hasonló megközelítésben egyetlen AMF-et használtunk a passzív normál szövet egy darabjának újrakonfigurálására aktív tetrapoddá (8A. ábra).Az útválasztási és programozási koncepciók hasonlóak a 3C. ábrán láthatókhoz.A téglalap alakú lapok helyett azonban négylábú mintázatú anyagokat kezdtek használni (teknős, pamut muszlin).Ezért a lábak hosszabbak és a szerkezet magasabbra emelhető.A szerkezet magassága nyomás hatására fokozatosan növekszik, amíg a lábai merőlegesek a talajra.Ha a bemeneti nyomás tovább növekszik, a lábak befelé ereszkednek, ami csökkenti a szerkezet magasságát.A tetrapodák képesek mozogni, ha a lábaik egyirányú mintázattal vannak felszerelve, vagy több AMF-et használnak mozgáskezelési stratégiákkal.Lágy mozgatórobotokra sokféle feladatra van szükség, beleértve az erdőtüzekből, összedőlt épületekből vagy veszélyes környezetekből való mentést, valamint az orvosi gyógyszerszállító robotokat.
A szövetet úgy alakították át, hogy alakváltó struktúrákat hozzanak létre.(A) Ragassza fel az AMF-et a passzív szövetlap szélére, és alakítsa irányítható négylábú szerkezetté.(BD) Két másik példa a szövetek újrakonfigurálására, a passzív pillangók és virágok aktívvá alakítására.Nem nyúló anyag: sima pamut muszlin.
Kihasználjuk ennek a szövet-újrakonfigurálási technikának az egyszerűségét és sokoldalúságát is azáltal, hogy két további bioinspirált szerkezetet vezetünk be az újraformázáshoz (8B-D. ábrák).Az irányítható AMF segítségével ezek az alakváltozásra hajlamos struktúrák passzív szövetlapokból aktív és irányítható szerkezetekké alakíthatók át.Az uralkodó pillangó ihlette átalakító pillangószerkezetet készítettünk egy darab pillangó alakú anyagból (pamut muszlin) és egy hosszú AMF darabból, amelyet a szárnyai alá ragasztottunk.Amikor az AMF nyomás alatt van, a szárnyak felhajlanak.A Monarch Butterfly-hez hasonlóan a Butterfly Robot bal és jobb szárnya is ugyanúgy csapódik, mert mindkettőt az AMF vezérli.A pillangószárnyak csak megjelenítési célokat szolgálnak.Nem tud úgy repülni, mint a Smart Bird (Festo Corp., USA).Készítettünk egy szövetvirágot is (8D ábra), amely két, egyenként öt sziromból álló rétegből állt.Az AMF-et minden réteg alá helyeztük a szirmok külső széle után.Kezdetben a virágok teljes virágzásban vannak, minden szirm teljesen kinyílik.Nyomás alatt az AMF hajlító mozgást okoz a szirmokban, aminek következtében azok bezáródnak.A két AMF egymástól függetlenül szabályozza a két réteg mozgását, míg az egyik réteg öt szirmja egyszerre hajlik.
Feladás időpontja: 2022. december 26