Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Turklāt, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Vienlaicīgi parāda trīs slaidu karuseli.Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus, vai izmantojiet slīdņa pogas, kas atrodas beigās, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus.
Tekstilizstrādājumu un mākslīgo muskuļu apvienošana, lai radītu viedus tekstilizstrādājumus, piesaista lielu uzmanību gan no zinātnes, gan rūpniecības aprindām.Viedie tekstilizstrādājumi piedāvā daudzas priekšrocības, tostarp adaptīvu komfortu un augstu atbilstības pakāpi objektiem, vienlaikus nodrošinot aktīvu iedarbināšanu vēlamajai kustībai un izturībai.Šajā rakstā ir parādīta jauna programmējamu viedo audumu klase, kas izgatavota, izmantojot dažādas ar šķidrumu darbinātu mākslīgo muskuļu šķiedru aušanas, aušanas un līmēšanas metodes.Tika izstrādāts matemātiskais modelis, lai aprakstītu trikotāžas un austas tekstila loksnes pagarinājuma spēka attiecību, un pēc tam eksperimentāli pārbaudīta tā pamatotība.Jaunajam "viedajam" tekstilizstrādājumam ir augsta elastība, atbilstība un mehāniskā programmēšana, kas nodrošina multimodālas kustības un deformācijas iespējas plašākam lietojumu klāstam.Veicot eksperimentālu verifikāciju, ir izveidoti dažādi viedie tekstilizstrādājumu prototipi, tostarp dažādi formas maiņas gadījumi, piemēram, pagarinājums (līdz 65%), laukuma paplašināšana (108%), radiālā izplešanās (25%) un lieces kustība.Tiek pētīta arī koncepcija par pasīvo tradicionālo audu pārkonfigurēšanu aktīvās struktūrās biomimētiskās veidošanas struktūrām.Paredzams, ka ierosinātie viedie tekstilizstrādājumi veicinās viedo valkājamo ierīču, haptisko sistēmu, biomimētisko mīksto robotu un valkājamas elektronikas izstrādi.
Stingri roboti ir efektīvi, strādājot strukturētā vidē, taču tiem ir problēmas ar nezināmo mainīgās vides kontekstu, kas ierobežo to izmantošanu meklēšanā vai izpētē.Daba turpina mūs pārsteigt ar daudzām izgudrojošām stratēģijām, kā tikt galā ar ārējiem faktoriem un daudzveidību.Piemēram, kāpjošo augu stīgas veic multimodālas kustības, piemēram, lieces un spirālveida kustības, lai izpētītu nezināmu vidi, meklējot piemērotu atbalstu1.Veneras mušu slazdam (Dionaea muscipula) uz lapām ir jutīgi matiņi, kas, iedarbinot, nofiksējas vietā, lai noķertu laupījumu2.Pēdējos gados par interesantu pētījumu tēmu ir kļuvusi ķermeņu deformācija vai deformācija no divdimensiju (2D) virsmām līdz trīsdimensiju (3D) formām, kas imitē bioloģiskās struktūras.Šīs mīkstās robotu konfigurācijas maina formu, lai pielāgotos mainīgajai videi, nodrošina multimodālu pārvietošanos un pieliek spēkus, lai veiktu mehānisku darbu.To sasniedzamība ir paplašināta līdz plašam robotikas lietojumprogrammu klāstam, tostarp izvietojamiem5, pārkonfigurējamiem un pašlokāmiem robotiem6,7, biomedicīnas ierīcēm8, transportlīdzekļiem9,10 un paplašināmai elektronikai11.
Ir veikts daudz pētījumu, lai izstrādātu programmējamas plakanas plāksnes, kuras, aktivizējot, pārvēršas sarežģītās trīsdimensiju struktūrās3.Vienkārša ideja, lai izveidotu deformējamas struktūras, ir apvienot dažādu materiālu slāņus, kas, pakļaujoties stimuliem, lokās un saburzās12,13.Janbaz et al.14 un Li et al.15 ir ieviesuši šo koncepciju, lai izveidotu termiski jutīgus multimodālus deformējamus robotus.Lai izveidotu sarežģītas trīsdimensiju struktūras, ir izmantotas uz origami balstītas struktūras, kurās ir iekļauti stimuli reaģējoši elementi16, 17, 18.Iedvesmojoties no bioloģisko struktūru morfoģenēzes, Emmanuel et al.Formu deformējami elastomēri tiek radīti, gumijas virsmā organizējot gaisa kanālus, kas zem spiediena pārvēršas sarežģītās, patvaļīgās trīsdimensiju formās.
Tekstilizstrādājumu vai audumu integrēšana deformējamos mīkstos robotos ir vēl viens jauns konceptuālais projekts, kas ir izraisījis plašu interesi.Tekstilizstrādājumi ir mīksti un elastīgi materiāli, kas izgatavoti no dzijas, izmantojot aušanas metodes, piemēram, adīšanu, aušanu, pinumu vai mezglu aušanu.Audumu apbrīnojamās īpašības, tostarp elastība, piemērotība, elastība un elpojamība, padara tos ļoti populārus visās jomās, sākot no apģērba līdz medicīniskiem nolūkiem20.Ir trīs plašas pieejas tekstilizstrādājumu iekļaušanai robotikā21.Pirmā pieeja ir izmantot tekstilmateriālu kā pasīvu pamatni citām sastāvdaļām.Šajā gadījumā pasīvie tekstilizstrādājumi nodrošina ērtu piegulšanu lietotājam, pārvadājot stingrus komponentus (motorus, sensorus, barošanas avotu).Šī pieeja attiecas uz lielāko daļu mīksto valkājamo robotu vai mīksto eksoskeletu.Piemēram, mīksti valkājami eksoskeleti staigāšanas palīgierīcēm 22 un elkoņu palīglīdzekļi 23, 24, 25, mīksti valkājami cimdi 26 roku un pirkstu palīgierīcēm un bioniskie mīkstie roboti 27.
Otrā pieeja ir izmantot tekstilizstrādājumus kā mīksto robotizēto ierīču pasīvās un ierobežotās sastāvdaļas.Šajā kategorijā ietilpst tekstilmateriālu bāzes izpildmehānismi, kur audums parasti ir konstruēts kā ārējais konteiners, kurā atrodas iekšējā šļūtene vai kamera, veidojot ar mīkstu šķiedru pastiprinātu izpildmehānismu.Ja šie mīkstie izpildmehānismi tiek pakļauti ārējam pneimatiskam vai hidrauliskam avotam, to forma mainās, tostarp pagarinās, liecas vai griežas atkarībā no to sākotnējā sastāva un konfigurācijas.Piemēram, Talmans et al.Ir ieviests ortopēdiskais potīšu apģērbs, kas sastāv no vairākām auduma kabatām, lai atvieglotu plantāra fleksiju, lai atjaunotu gaitu28.Tekstila slāņus ar dažādu stiepjamību var apvienot, lai radītu anizotropu kustību 29 .OmniSkins – mīkstas robotizētas ādas, kas izgatavotas no dažādiem mīkstiem izpildmehānismiem un substrāta materiāliem, var pārveidot pasīvos objektus daudzfunkcionālos aktīvos robotos, kas var veikt multimodālas kustības un deformācijas dažādiem lietojumiem.Zhu et al.ir izstrādājuši šķidru audu muskuļu loksni31, kas var radīt pagarinājumu, lieces un dažādas deformācijas kustības.Bakners u.c.Integrējiet funkcionālās šķiedras parastajos audos, lai izveidotu robotizētus audus ar vairākām funkcijām, piemēram, iedarbināšanu, sensoru un mainīgu stingrību32.Citas metodes šajā kategorijā ir atrodamas šajos dokumentos 21, 33, 34, 35.
Nesenā pieeja tekstilizstrādājumu izcilo īpašību izmantošanai mīkstās robotikas jomā ir izmantot reaktīvus vai uz stimuliem reaģējošus pavedienus, lai izveidotu viedus tekstilizstrādājumus, izmantojot tradicionālās tekstilizstrādājumu ražošanas metodes, piemēram, aušanas, adīšanas un aušanas metodes21, 36, 37.Atkarībā no materiāla sastāva reaktīvā dzija, pakļaujot to elektriskai, termiskai vai spiediena iedarbībai, izraisa formas izmaiņas, kas noved pie auduma deformācijas.Šajā pieejā, kad tradicionālie tekstilizstrādājumi ir integrēti mīkstā robotizētā sistēmā, tekstilizstrādājumu pārveidošana notiek uz iekšējā slāņa (dzijas), nevis uz ārējo slāni.Kā tādi viedie tekstilizstrādājumi piedāvā izcilu vadāmību multimodālās kustības, programmējamas deformācijas, stiepjamības un stingrības regulēšanas ziņā.Piemēram, formas atmiņas sakausējumus (SMA) un formas atmiņas polimērus (SMP) var iekļaut audumos, lai aktīvi kontrolētu to formu, izmantojot termisko stimulāciju, piemēram, apmales38, grumbu noņemšanu36,39, taustes un taustes atgriezenisko saiti40,41, kā arī adaptīvo. valkājams apģērbs.ierīces 42 .Tomēr siltumenerģijas izmantošana apkurei un dzesēšanai izraisa lēnu reakciju un sarežģītu dzesēšanu un kontroli.Pavisam nesen Hiramitsu et al.Makkibena smalkie muskuļi43,44, pneimatiskie mākslīgie muskuļi, tiek izmantoti kā velku pavedieni, lai, mainot aušanas struktūru, radītu dažādas aktīvās tekstilizstrādājumu formas45.Lai gan šī pieeja nodrošina lielus spēkus, McKibben muskuļa rakstura dēļ tā izplešanās ātrums ir ierobežots (< 50%) un nav iespējams sasniegt mazu izmēru (diametrs < 0,9 mm).Turklāt no aušanas metodēm, kas prasa asus stūrus, bijis grūti veidot viedus tekstila rakstus.Lai veidotu plašāku viedo tekstilizstrādājumu klāstu, Maziz et al.Elektroaktīvie valkājamie tekstilizstrādājumi ir izstrādāti, adot un aužot elektrojutīgus polimēru pavedienus46.
Pēdējos gados ir parādījušies jauna veida termojutīgi mākslīgie muskuļi, kas izgatavoti no ļoti savītām, lētām polimēru šķiedrām47,48.Šīs šķiedras ir komerciāli pieejamas, un tās ir viegli iekļaut aušanā vai aušanā, lai ražotu viedus apģērbus par pieņemamu cenu.Neskatoties uz sasniegumiem, šiem jaunajiem siltumjutīgajiem tekstilizstrādājumiem ir ierobežots reakcijas laiks, jo ir nepieciešama sildīšana un dzesēšana (piemēram, tekstilizstrādājumi ar kontrolētu temperatūru) vai grūtības izveidot sarežģītus trikotāžas un austus modeļus, kurus var ieprogrammēt, lai radītu vēlamās deformācijas un kustības. .Piemēri ietver radiālo izplešanos, 2D uz 3D formas pārveidošanu vai divvirzienu paplašināšanu, ko mēs piedāvājam šeit.
Lai pārvarētu šīs iepriekšminētās problēmas, šajā rakstā ir parādīts jauns, ar šķidrumu darbināms vieds tekstilmateriāls, kas izgatavots no mūsu nesen ieviestajām mīkstajām mākslīgajām muskuļu šķiedrām (AMF)49,50,51.AMF ir ļoti elastīgi, mērogojami un tos var samazināt līdz 0,8 mm diametram un lieliem garumiem (vismaz 5000 mm), piedāvājot augstu malu attiecību (garums pret diametru), kā arī augstu pagarinājumu (vismaz 245%), augstu enerģiju. efektivitāte, mazāk nekā 20 Hz ātra reakcija).Lai izveidotu viedos tekstilizstrādājumus, mēs izmantojam AMF kā aktīvo dziju, lai veidotu 2D aktīvos muskuļu slāņus, izmantojot adīšanas un aušanas metodes.Mēs esam kvantitatīvi izpētījuši šo “viedo” audu izplešanās ātrumu un kontrakcijas spēku šķidruma tilpuma un piegādātā spiediena izteiksmē.Ir izstrādāti analītiskie modeļi, lai noteiktu pagarinājuma spēka attiecību trikotāžas un austas loksnes.Mēs arī aprakstām vairākas mehāniskās programmēšanas metodes viedajiem tekstilizstrādājumiem multimodālai kustībai, tostarp divvirzienu pagarināšana, locīšana, radiālā izplešanās un iespēja pāriet no 2D uz 3D.Lai demonstrētu mūsu pieejas spēku, mēs arī integrēsim AMF komerciālos audumos vai tekstilizstrādājumos, lai mainītu to konfigurāciju no pasīvām uz aktīvām struktūrām, kas izraisa dažādas deformācijas.Mēs esam arī demonstrējuši šo koncepciju vairākos eksperimentālos testu stendos, tostarp programmējamu diegu locīšanu, lai iegūtu vēlamos burtus un formu mainošas bioloģiskās struktūras objektu formā, piemēram, tauriņu, četrkāju konstrukciju un ziedu formā.
Tekstilizstrādājumi ir elastīgas divdimensiju struktūras, kas veidotas no savstarpēji ieaustiem viendimensijas pavedieniem, piemēram, dzijas, diegiem un šķiedrām.Tekstils ir viena no cilvēces vecākajām tehnoloģijām, un to plaši izmanto visos dzīves aspektos, pateicoties tā komfortam, pielāgošanās spējai, elpojamībai, estētikai un aizsardzībai.Viedie tekstilizstrādājumi (pazīstami arī kā viedie apģērbi vai robotu audumi) arvien vairāk tiek izmantoti pētniecībā, jo tiem ir liels potenciāls robotu lietojumos20,52.Viedie tekstilizstrādājumi sola uzlabot cilvēka pieredzi mijiedarbībā ar mīkstiem priekšmetiem, ieviešot paradigmas maiņu jomā, kurā var kontrolēt plāna, elastīga auduma kustību un spēkus, lai veiktu konkrētus uzdevumus.Šajā rakstā mēs pētām divas pieejas viedo tekstilizstrādājumu ražošanai, pamatojoties uz mūsu neseno AMF49: (1) izmantojiet AMF kā aktīvo dziju, lai izveidotu viedos tekstilizstrādājumus, izmantojot tradicionālās tekstilizstrādājumu ražošanas tehnoloģijas;(2) Ievietojiet AMF tieši tradicionālajos audumos, lai stimulētu vēlamo kustību un deformāciju.
AMF sastāv no iekšējās silikona caurules, kas nodrošina hidraulisko jaudu, un ārējās spirālveida spoles, lai ierobežotu tās radiālo izplešanos.Tādējādi AMF pagarinās gareniski, kad tiek pielietots spiediens, un pēc tam uzrāda kontrakcijas spēkus, lai atgrieztos sākotnējā garumā, kad spiediens tiek atbrīvots.Tām ir īpašības, kas līdzīgas tradicionālajām šķiedrām, tostarp elastība, mazs diametrs un garš garums.Tomēr AMF ir aktīvāks un kontrolētāks kustības un spēka ziņā nekā tā parastie kolēģi.Iedvesmojoties no nesenajiem straujajiem viedo tekstilizstrādājumu sasniegumiem, šeit mēs piedāvājam četras galvenās pieejas viedo tekstilizstrādājumu ražošanai, izmantojot AMF sen izveidotai audumu ražošanas tehnoloģijai (1. attēls).
Pirmais veids ir aušana.Mēs izmantojam audu adīšanas tehnoloģiju, lai ražotu reaktīvu trikotāžas audumu, kas, hidrauliski iedarbinot, izvēršas vienā virzienā.Trikotāžas palagi ir ļoti elastīgi un elastīgi, taču mēdz vieglāk atšķetināt nekā austas palagi.Atkarībā no kontroles metodes AMF var veidot atsevišķas rindas vai nokomplektētus izstrādājumus.Papildus plakanām loksnēm AMF dobu konstrukciju ražošanai ir piemēroti arī cauruļveida adīšanas modeļi.Otrā metode ir aušana, kur mēs izmantojam divus AMF kā šķērus un audus, lai izveidotu taisnstūrveida austu loksni, kas var neatkarīgi izplesties divos virzienos.Austas loksnes nodrošina lielāku kontroli (abos virzienos) nekā trikotāžas palagi.Mēs arī audām AMF no tradicionālās dzijas, lai izveidotu vienkāršāku austu loksni, ko var attīt tikai vienā virzienā.Trešā metode – radiālā izplešanās – ir aušanas tehnikas variants, kurā AMP atrodas nevis taisnstūrī, bet gan spirālē, un diegi nodrošina radiālu ierobežojumu.Šajā gadījumā bize izplešas radiāli zem ieplūdes spiediena.Ceturtā pieeja ir pielīmēt AMF uz pasīvā auduma loksnes, lai radītu lieces kustību vajadzīgajā virzienā.Mēs esam pārkonfigurējuši pasīvo izdalīšanas paneli par aktīvu izdalīšanas paneli, palaižot AMF ap tā malu.Šis AMF programmējamais raksturs paver neskaitāmas iespējas bioloģiski iedvesmotām formu pārveidojošām mīkstajām struktūrām, kurās mēs varam pārvērst pasīvos objektus aktīvos.Šī metode ir vienkārša, vienkārša un ātra, taču tā var apdraudēt prototipa ilgmūžību.Literatūrā lasītājam ir norādītas citas pieejas, kurās sīki aprakstītas katra audu īpašību stiprās un vājās puses21, 33, 34, 35.
Lielākā daļa diegu vai dziju, ko izmanto tradicionālo audumu izgatavošanai, satur pasīvas struktūras.Šajā darbā mēs izmantojam mūsu iepriekš izstrādāto AMF, kas var sasniegt metru garumu un submilimetru diametru, lai aizstātu tradicionālos pasīvos tekstila pavedienus ar AFM, lai izveidotu inteliģentus un aktīvus audumus plašākam lietojumu klāstam.Nākamajās sadaļās ir aprakstītas detalizētas metodes viedo tekstilizstrādājumu prototipu izgatavošanai un parādītas to galvenās funkcijas un darbības.
Mēs ar rokām darinājām trīs AMF trikotāžas, izmantojot audu adīšanas tehniku (2.A att.).Materiālu atlasi un detalizētas specifikācijas AMF un prototipiem var atrast sadaļā Metodes.Katrs AMF iet pa līkuma ceļu (sauktu arī par maršrutu), kas veido simetrisku cilpu.Katras rindas cilpas ir fiksētas ar rindu cilpām virs un zem tām.Vienas kolonnas gredzeni perpendikulāri kursam ir apvienoti vārpstā.Mūsu trikotāžas prototips sastāv no trim rindām ar septiņiem valdziņiem (vai septiņiem valdziņiem) katrā rindā.Augšējie un apakšējie gredzeni nav fiksēti, tāpēc varam tos piestiprināt pie atbilstošajiem metāla stieņiem.Trikotāžas prototipi atšķetināti vieglāk nekā parastie trikotāžas audumi, jo AMF ir stingrāki salīdzinājumā ar parastajiem pavedieniem.Tāpēc blakus esošo rindu cilpas sasējām ar plānām elastīgām auklām.
Tiek realizēti dažādi viedo tekstila prototipi ar dažādām AMF konfigurācijām.(A) Trikotāžas palags, kas izgatavots no trim AMF.(B) Divvirzienu auduma loksne no diviem AMF.(C) Vienvirziena austa loksne, kas izgatavota no AMF un akrila dzijas, var izturēt 500 g slodzi, kas ir 192 reizes lielāka par tās svaru (2,6 g).(D) Radiāli izplešas struktūra ar vienu AMF un kokvilnas dziju kā radiālu ierobežojumu.Detalizētas specifikācijas var atrast sadaļā Metodes.
Lai gan adījuma zigzaga cilpas var izstiepties dažādos virzienos, mūsu adījuma prototips izplešas galvenokārt cilpas virzienā zem spiediena, jo kustības virziens ir ierobežots.Katra AMF pagarināšana veicina trikotāžas loksnes kopējās platības paplašināšanos.Atkarībā no īpašām prasībām mēs varam kontrolēt trīs AMF neatkarīgi no trim dažādiem šķidruma avotiem (2.A attēls) vai vienlaikus no viena šķidruma avota, izmantojot 1-3 šķidruma sadalītāju.Uz att.2A parādīts trikotāžas prototipa piemērs, kura sākotnējais laukums palielinājās par 35%, pieliekot spiedienu uz trim AMP (1,2 MPa).Jo īpaši AMF sasniedz augstu pagarinājumu vismaz 250% apmērā no tā sākotnējā garuma49, tāpēc trikotāžas palagi var izstiepties pat vairāk nekā pašreizējās versijas.
Mēs arī izveidojām divvirzienu pinuma loksnes, kas veidotas no diviem AMF, izmantojot vienkāršās aušanas tehniku (2.B attēls).AMF velki un audi ir savīti taisnā leņķī, veidojot vienkāršu krustenisku rakstu.Mūsu aušanas prototips tika klasificēts kā līdzsvarots vienkāršs pinums, jo gan šķēru, gan audu pavedieni tika izgatavoti no viena izmēra dzijas (sīkāku informāciju skatiet sadaļā Metodes).Atšķirībā no parastajiem pavedieniem, kas var veidot asas krokas, pielietotajam AMF ir nepieciešams noteikts lieces rādiuss, atgriežoties pie cita aušanas modeļa pavediena.Tāpēc austām loksnēm, kas izgatavotas no AMP, ir mazāks blīvums, salīdzinot ar parastajiem audumiem.AMF tipa S (ārējais diametrs 1,49 mm) minimālais lieces rādiuss ir 1,5 mm.Piemēram, aušanas prototipam, ko mēs piedāvājam šajā rakstā, ir 7 × 7 vītnes raksts, kur katrs krustojums ir stabilizēts ar plānas elastīgas auklas mezglu.Izmantojot to pašu aušanas tehniku, jūs varat iegūt vairāk pavedienu.
Kad atbilstošā AMF saņem šķidruma spiedienu, austa loksne paplašina savu laukumu šķēru vai audu virzienā.Tāpēc mēs kontrolējām pītās loksnes izmērus (garumu un platumu), neatkarīgi mainot ieplūdes spiediena daudzumu, kas tiek piemērots diviem AMP.Uz att.2B parāda austu prototipu, kas paplašinājās līdz 44% no sākotnējā laukuma, vienlaikus radot spiedienu uz vienu AMP (1,3 MPa).Vienlaicīgi iedarbojoties uz diviem AMF, platība palielinājās par 108%.
Mēs arī izgatavojām vienvirziena austu loksni no viena AMF, izmantojot šķēru un akrila pavedienus kā audus (2. C attēls).AMF ir izvietoti septiņās zigzaga rindās, un diegi šīs AMF rindas savijas kopā, veidojot taisnstūrveida auduma loksni.Šis austais prototips bija blīvāks nekā 2.B attēlā, pateicoties mīkstiem akrila pavedieniem, kas viegli aizpildīja visu loksni.Tā kā mēs izmantojam tikai vienu AMF kā velku, austa loksne var izplesties tikai deformācijas virzienā zem spiediena.2C attēlā ir parādīts austa prototipa piemērs, kura sākotnējais laukums palielinās par 65%, palielinoties spiedienam (1,3 MPa).Turklāt šis pītais gabals (sver 2,6 gramus) spēj pacelt 500 gramu smagumu, kas ir 192 reizes lielāks par tā masu.
Tā vietā, lai AMF sakārtotu zigzaga veidā, lai izveidotu taisnstūrveida austu loksni, mēs izgatavojām AMF plakanu spirālveida formu, kas pēc tam tika radiāli ierobežota ar kokvilnas dziju, lai izveidotu apaļu austu loksni (2. D attēls).AMF augstā stingrība ierobežo tā pildījumu pašā plāksnes centrā.Tomēr šo polsterējumu var izgatavot no elastīgiem pavedieniem vai elastīgiem audumiem.Saņemot hidraulisko spiedienu, AMP pārvērš savu garenisko pagarinājumu loksnes radiālā izplešanās virzienā.Ir arī vērts atzīmēt, ka gan spirāles formas ārējais, gan iekšējais diametrs ir palielināts pavedienu radiālā ierobežojuma dēļ.Attēlā 2D parādīts, ka ar pielikto hidraulisko spiedienu 1 MPa apaļas loksnes forma izplešas līdz 25% no sākotnējā laukuma.
Šeit mēs piedāvājam otru pieeju viedo tekstilizstrādājumu izgatavošanai, kur mēs pielīmējam AMF plakanam auduma gabalam un pārkonfigurējam to no pasīvas uz aktīvi kontrolētu struktūru.Liekšanas piedziņas konstrukcijas shēma ir parādīta att.3A, kur AMP ir nolocīts pa vidu un pielīmēts uz nepaplašināma auduma sloksnes (kokvilnas muslīna audums), izmantojot abpusēju līmlenti.Pēc aizzīmogošanas AMF augšdaļa var brīvi izstiepties, savukārt apakšējo daļu ierobežo lente un audums, izraisot sloksnes saliekšanos pret audumu.Mēs varam deaktivizēt jebkuru izliekuma izpildmehānisma daļu jebkurā vietā, vienkārši uzlīmējot uz tās lentes sloksni.Deaktivizēts segments nevar pārvietoties un kļūst par pasīvu segmentu.
Audumi tiek pārveidoti, uzlīmējot AMF uz tradicionālajiem audumiem.(A) Dizaina koncepcija lieces piedziņai, kas izgatavota, pielīmējot salocītu AMF uz nepaplašināma auduma.(B) Izpildmehānisma prototipa saliekšana.(C) Taisnstūra auduma pārkonfigurēšana par aktīvu četrkājainu robotu.Neelastīgs audums: kokvilnas džersija.Stretch audums: poliesters.Detalizētas specifikācijas var atrast sadaļā Metodes.
Mēs izgatavojām vairākus dažāda garuma lieces izpildmehānismu prototipus un piespiedām tos ar hidrauliku, lai izveidotu lieces kustību (3.B attēls).Svarīgi ir tas, ka AMF var novietot taisnā līnijā vai salocīt, veidojot vairākus pavedienus, un pēc tam pielīmēt pie auduma, lai izveidotu lieces piedziņu ar atbilstošu diegu skaitu.Mēs arī pārveidojām pasīvo audu loksni par aktīvo tetrapodu struktūru (3.C attēls), kur izmantojām AMF, lai novirzītu taisnstūrveida nepaplašināmā auduma (kokvilnas muslīna auduma) robežas.AMP tiek piestiprināts pie auduma ar abpusējas lentes gabalu.Katras malas vidusdaļa ir pielīmēta, lai kļūtu pasīva, bet četri stūri paliek aktīvi.Elastīga auduma augšējais vāks (poliesters) nav obligāts.Nospiežot, auduma četri stūri izliecas (izskatās kā kājas).
Mēs izveidojām testa stendu, lai kvantitatīvi izpētītu izstrādāto viedo tekstilizstrādājumu īpašības (skatiet sadaļu Metodes un papildu attēlu S1).Tā kā visi paraugi tika izgatavoti no AMF, eksperimentālo rezultātu vispārējā tendence (4. att.) atbilst AMF galvenajām īpašībām, proti, ieplūdes spiediens ir tieši proporcionāls izejas pagarinājumam un apgriezti proporcionāls saspiešanas spēkam.Tomēr šiem viedajiem audumiem ir unikālas īpašības, kas atspoguļo to īpašās konfigurācijas.
Ir gudras tekstila konfigurācijas.(A, B) Histerēzes līknes ieplūdes spiedienam un izplūdes pagarinājumam un spēkam austām loksnēm.(C) Austas loksnes laukuma paplašināšana.(D,E) Saikne starp ieejas spiedienu un izejas pagarinājumu un spēku trikotāžas izstrādājumiem.(F) Radiāli izplešanās konstrukciju laukuma paplašināšanās.(G) Trīs dažāda garuma lieces piedziņas lieces leņķi.
Katrs austas loksnes AMF tika pakļauts 1 MPa ieplūdes spiedienam, lai radītu aptuveni 30% pagarinājumu (4.A att.).Mēs izvēlējāmies šo slieksni visam eksperimentam vairāku iemeslu dēļ: (1) lai izveidotu ievērojamu pagarinājumu (aptuveni 30%), lai uzsvērtu to histerēzes līknes, (2) lai novērstu riteņbraukšanu no dažādiem eksperimentiem un atkārtoti lietojamiem prototipiem, kas izraisa nejaušus bojājumus vai kļūmes..zem augsta šķidruma spiediena.Mirušā zona ir skaidri redzama, un pinums paliek nekustīgs, līdz ieplūdes spiediens sasniedz 0,3 MPa.Spiediena pagarinājuma histerēzes diagramma parāda lielu atstarpi starp sūknēšanas un atbrīvošanas fāzēm, kas norāda, ka, austajai loksnei mainot kustību no izplešanās uz saraušanos, ir ievērojams enerģijas zudums.(4.A att.).Pēc 1 MPa ieplūdes spiediena iegūšanas austa loksne varētu iedarboties uz 5,6 N lielu kontrakcijas spēku (4.B att.).Spiediena-spēka histerēzes diagramma arī parāda, ka atiestatīšanas līkne gandrīz pārklājas ar spiediena palielināšanās līkni.Austas loksnes laukuma paplašināšanās bija atkarīga no spiediena lieluma, kas tika piemērots katram no diviem AMF, kā parādīts 3D virsmas diagrammā (4.C attēls).Eksperimenti arī liecina, ka austa loksne var palielināt laukumu par 66%, ja tās šķēru un audu AMF vienlaikus tiek pakļauti 1 MPa hidrauliskajam spiedienam.
Trikotāžas loksnes eksperimentālie rezultāti parāda līdzīgu rakstu kā austajai loksnei, tostarp plašu histerēzes atstarpi spriedzes-spiediena diagrammā un pārklājošas spiediena-spēka līknes.Trikotāžas loksne uzrādīja 30% pagarinājumu, pēc kura saspiešanas spēks bija 9 N pie ieplūdes spiediena 1 MPa (4.D, E att.).
Apaļas austas loksnes gadījumā tās sākotnējais laukums palielinājās par 25%, salīdzinot ar sākotnējo laukumu pēc 1 MPa šķidruma spiediena iedarbības (4. att. F).Pirms paraugs sāk paplašināties, ir liela ieplūdes spiediena mirušā zona līdz 0,7 MPa.Šī lielā mirušā zona bija paredzama, jo paraugi tika izgatavoti no lielākiem AMF, kuriem bija nepieciešams lielāks spiediens, lai pārvarētu sākotnējo stresu.Uz att.4F arī parāda, ka atbrīvošanas līkne gandrīz sakrīt ar spiediena pieauguma līkni, kas norāda uz nelielu enerģijas zudumu, kad diska kustība tiek pārslēgta.
Eksperimentālie rezultāti trim lieces izpildmehānismiem (audu pārkonfigurācija) liecina, ka to histerēzes līknēm ir līdzīgs modelis (4.G attēls), kur pirms pacelšanas ieplūdes spiediena mirušā zona ir līdz 0,2 MPa.Mēs uzklājām tādu pašu šķidruma daudzumu (0,035 ml) trim liekšanas piedziņām (L20, L30 un L50 mm).Tomēr katrs izpildmehānisms piedzīvoja dažādus spiediena maksimumus un attīstīja dažādus lieces leņķus.L20 un L30 mm izpildmehānismi piedzīvoja ieplūdes spiedienu 0,72 un 0,67 MPa, sasniedzot attiecīgi 167° un 194° lieces leņķus.Garākā lieces piedziņa (garums 50 mm) izturēja 0,61 MPa spiedienu un sasniedza maksimālo lieces leņķi 236°.Spiediena leņķa histerēzes diagrammas atklāja arī salīdzinoši lielas atstarpes starp spiediena un atbrīvošanas līknēm visiem trim lieces piedziņām.
Sakarība starp ievades tilpumu un izvades īpašībām (pagarinājums, spēks, laukuma izplešanās, lieces leņķis) iepriekšminētajām viedajām tekstilizstrādājumu konfigurācijām ir atrodamas S2 papildu attēlā.
Eksperimentālie rezultāti iepriekšējā sadaļā skaidri parāda proporcionālo attiecību starp pielietoto ieplūdes spiedienu un AMF paraugu izplūdes pagarinājumu.Jo spēcīgāks AMB ir nospriegots, jo lielāks tā izstiepums un uzkrājas elastīgāka enerģija.Tādējādi, jo lielāks ir saspiešanas spēks.Rezultāti arī parādīja, ka paraugi sasniedza maksimālo saspiešanas spēku, kad ieplūdes spiediens tika pilnībā noņemts.Šīs sadaļas mērķis ir noteikt tiešu saikni starp adīto un austo lokšņu pagarinājumu un maksimālo saraušanās spēku, izmantojot analītisko modelēšanu un eksperimentālo verifikāciju.
Viena AMF maksimālais kontrakcijas spēks Fout (pie ieplūdes spiediena P = 0) tika norādīts atsaucē 49 un tika atkārtoti ieviests šādi:
Starp tiem α, E un A0 ir attiecīgi stiepes koeficients, Janga modulis un silikona caurules šķērsgriezuma laukums;k ir spirālveida spoles stinguma koeficients;x un li ir nobīde un sākotnējais garums.AMP, attiecīgi.
pareizais vienādojums.(1) Kā piemēru ņemiet adītas un austas loksnes (5.A, B att.).Trikotāžas izstrādājuma Fkv un austa izstrādājuma Fwh saraušanās spēkus izsaka attiecīgi ar (2) un (3) vienādojumu.
kur mk ir cilpu skaits, φp ir trikotāžas cilpas leņķis injekcijas laikā (5.A att.), mh ir diegu skaits, θhp ir trikotāžas saķeres leņķis injekcijas laikā (5.B att.), εkv εwh ir trikotāžas loksne un austas loksnes deformācija, F0 ir spirālveida spoles sākotnējais spriegums.Detalizēta vienādojuma atvasināšana.(2) un (3) ir atrodami papildu informācijā.
Izveidojiet pagarinājuma un spēka attiecības analītisko modeli.(A, B) Analītiskā modeļa ilustrācijas attiecīgi adītām un austām loksnēm.(C,D) Trikotāžas un austas loksnes analītisko modeļu un eksperimentālo datu salīdzinājums.RMSE saknes vidējā kvadrātiskā kļūda.
Lai pārbaudītu izstrādāto modeli, mēs veicām pagarinājuma eksperimentus, izmantojot trikotāžas rakstus 2.A attēlā un pītos paraugus 2.B attēlā.Kontrakcijas spēks tika mērīts ar 5% soli katram bloķētam pagarinājumam no 0% līdz 50%.Piecu izmēģinājumu vidējā un standarta novirze ir parādīta 5.C attēlā (adījums) un 5.D attēlā (adījums).Analītiskā modeļa līknes apraksta ar vienādojumiem.Parametri (2) un (3) ir norādīti tabulā.1. Rezultāti liecina, ka analītiskais modelis labi saskan ar eksperimentālajiem datiem visā pagarinājuma diapazonā ar vidējo kvadrātisko kļūdu (RMSE) 0,34 N trikotāžai, 0,21 N austam AMF H (horizontālais virziens) un 0,17 N austam AMF.V (vertikālais virziens).
Papildus pamata kustībām piedāvātos viedos tekstilizstrādājumus var mehāniski ieprogrammēt, lai nodrošinātu sarežģītākas kustības, piemēram, S-liecību, radiālo kontrakciju un 2D uz 3D deformāciju.Šeit mēs piedāvājam vairākas metodes plakano viedo tekstilizstrādājumu programmēšanai vēlamajās struktūrās.
Papildus domēna paplašināšanai lineārā virzienā, vienvirziena austas loksnes var mehāniski ieprogrammēt, lai radītu multimodālu kustību (6.A att.).Mēs pārkonfigurējam pītās loksnes pagarinājumu kā locīšanas kustību, ierobežojot vienu no tās virsmām (augšējo vai apakšējo) ar šujamo diegu.Spiediena ietekmē loksnēm ir tendence saliekties pret norobežojošo virsmu.Uz att.6A ir parādīti divi austo paneļu piemēri, kas kļūst S formas, kad viena puse ir saspiesta augšējā pusē, bet otra puse ir saspiesta apakšējā pusē.Varat arī izveidot apļveida lieces kustību, kurā tiek ierobežota tikai visa seja.No vienvirziena pītas loksnes var izveidot arī kompresijas uzmavu, savienojot tās divus galus cauruļveida konstrukcijā (6.B att.).Uzmava tiek nēsāta virs cilvēka rādītājpirksta, lai nodrošinātu kompresiju, masāžas terapijas veidu, lai mazinātu sāpes vai uzlabotu asinsriti.To var mērogot, lai tas atbilstu citām ķermeņa daļām, piemēram, rokām, gurniem un kājām.
Spēja aust palagus vienā virzienā.(A) Deformējamu konstrukciju izveidošana šujamo diegu formas programmējamības dēļ.(B) Pirkstu saspiešanas uzmava.(C) Vēl viena pītās loksnes versija un tās īstenošana kā apakšdelma kompresijas uzmava.(D) Vēl viens kompresijas uzmavas prototips, kas izgatavots no M tipa AMF, akrila dzijas un Velcro siksnām.Detalizētas specifikācijas var atrast sadaļā Metodes.
6.C attēlā parādīts cits piemērs vienvirziena austai loksnei, kas izgatavota no viena AMF un kokvilnas dzijas.Loksne var paplašināties par 45% (pie 1,2 MPa) vai izraisīt apļveida kustību zem spiediena.Mēs esam arī iekļāvuši loksni, lai izveidotu apakšdelma kompresijas uzmavu, pievienojot magnētiskās siksnas lapas galā.Cits apakšdelma saspiešanas uzmavas prototips ir parādīts 6.D attēlā, kurā tika izgatavotas vienvirziena pītas loksnes no M tipa AMF (skatīt metodes) un akrila pavedieniem, lai radītu spēcīgākus saspiešanas spēkus.Palagu galus esam aprīkojuši ar Velcro siksnām ērtai piestiprināšanai un dažādiem roku izmēriem.
Ierobežošanas tehnika, kas pārvērš lineāro pagarinājumu lieces kustībā, ir piemērojama arī divvirzienu austām loksnēm.Kokvilnas pavedienus aužam vienā velku un audu austo lokšņu pusē, lai tie neizplestos (7.A zīm.).Tādējādi, kad divi AMF saņem hidraulisko spiedienu neatkarīgi viens no otra, loksnei tiek veikta divvirzienu lieces kustība, veidojot patvaļīgu trīsdimensiju struktūru.Citā pieejā mēs izmantojam nepaplašināmas dzijas, lai ierobežotu divvirzienu austo lokšņu vienu virzienu (7.B attēls).Tādējādi loksne var veikt neatkarīgas lieces un stiepšanas kustības, kad attiecīgais AMF ir zem spiediena.Uz att.7B ir parādīts piemērs, kurā divvirzienu pīta loksne tiek kontrolēta, lai aptītu divas trešdaļas cilvēka pirksta ar locīšanas kustību un pēc tam pagarinātu tā garumu, lai pārklātu pārējo ar stiepšanas kustību.Palagu divvirzienu kustība var būt noderīga modes dizainā vai gudrā apģērba izstrādē.
Divvirzienu austa loksne, trikotāžas loksne un radiāli paplašināmas dizaina iespējas.(A) Divvirzienu savienoti divvirzienu pīti paneļi, lai izveidotu divvirzienu līkumu.(B) Vienvirziena ierobežoti divvirzienu pīti paneļi rada elastību un pagarinājumu.(C) Ļoti elastīga trikotāžas loksne, kas var atbilst dažādiem virsmas izliekumiem un pat veidot cauruļveida struktūras.(D) radiāli izplešas struktūras centra līnijas norobežošana, kas veido hiperbolisku parabolisku formu (kartupeļu čipsi).
Divas blakus esošās adītās daļas augšējās un apakšējās rindas cilpas savienojām ar šujamo diegu, lai tā neatšķetinātos (7.C att.).Tādējādi austa loksne ir pilnībā elastīga un labi pielāgojas dažādiem virsmas izliekumiem, piemēram, cilvēka roku un roku ādas virsmai.Tāpat izveidojām cauruļveida konstrukciju (piedurkni), savienojot adītās daļas galus braukšanas virzienā.Piedurkne labi aptinās ap cilvēka rādītājpirkstu (7.C att.).Austa auduma līkumainība nodrošina lielisku piegulšanu un deformējamību, padarot to viegli lietojamu gudrā apģērbā (cimdi, kompresijas piedurknes), nodrošinot komfortu (caur piegulšanu) un terapeitisko efektu (izmantojot kompresiju).
Papildus 2D radiālajai izplešanās vairākos virzienos, apļveida austas loksnes var arī ieprogrammēt, lai veidotu 3D struktūras.Apaļās pinuma centra līniju ierobežojām ar akrila dziju, lai izjauktu tās vienmērīgo radiālo izplešanos.Rezultātā apaļās austās loksnes sākotnējā plakanā forma pēc spiediena palielināšanas tika pārveidota par hiperbolisku parabolisku formu (vai kartupeļu čipsiem) (7. D attēls).Šo formas maiņas spēju varētu īstenot kā pacelšanas mehānismu, optisko lēcu, mobilās robotu kājas vai arī izmantot modes dizainā un bioniskajos robotos.
Mēs esam izstrādājuši vienkāršu paņēmienu lieces piedziņu izveidei, uzlīmējot AMF uz nestaipīga auduma sloksnes (3. attēls).Mēs izmantojam šo koncepciju, lai izveidotu formas programmējamus pavedienus, kuros varam stratēģiski sadalīt vairākas aktīvās un pasīvās sadaļas vienā AMF, lai izveidotu vēlamās formas.Mēs izgatavojām un ieprogrammējām četrus aktīvos pavedienus, kas varēja mainīt savu formu no taisnas uz burtu (UNSW), palielinoties spiedienam (papildu attēls S4).Šī vienkāršā metode ļauj AMF deformējamību pārvērst 1D līnijas 2D formās un, iespējams, pat 3D struktūrās.
Līdzīgā pieejā mēs izmantojām vienu AMF, lai pārkonfigurētu pasīvo normālu audu gabalu par aktīvo tetrapodu (8.A att.).Maršrutēšanas un programmēšanas koncepcijas ir līdzīgas tām, kas parādītas 3.C attēlā.Taču taisnstūrveida palagu vietā sāka izmantot audumus ar četrkājainu rakstu (bruņurupucis, kokvilnas muslīns).Tāpēc kājas ir garākas un konstrukciju var pacelt augstāk.Spiediena ietekmē konstrukcijas augstums pakāpeniski palielinās, līdz tās kājas ir perpendikulāras zemei.Ja ieplūdes spiediens turpina pieaugt, kājas nolaidīsies uz iekšu, samazinot konstrukcijas augstumu.Tetrapodi var veikt kustību, ja to kājas ir aprīkotas ar vienvirziena modeļiem vai izmanto vairākus AMF ar kustību manipulācijas stratēģijām.Mīkstie pārvietošanās roboti ir nepieciešami dažādu uzdevumu veikšanai, tostarp glābšanai no savvaļas ugunsgrēkiem, sagruvušām ēkām vai bīstamām vidēm, kā arī medicīnas medikamentu piegādes robotiem.
Audums ir pārkonfigurēts, lai izveidotu formu mainošas struktūras.(A) Līmējiet AMF pie pasīvā auduma loksnes malas, pārvēršot to par vadāmu četrkājainu struktūru.(BD) Divi citi audu pārkonfigurācijas piemēri, pārvēršot pasīvos tauriņus un ziedus aktīvos.Nestaipīgs audums: vienkāršs kokvilnas muslīns.
Mēs arī izmantojam šīs audu pārkonfigurācijas tehnikas vienkāršību un daudzpusību, ieviešot divas papildu bioloģiski iedvesmotas struktūras pārveidošanai (8.B-D attēls).Izmantojot maršrutējamu AMF, šīs formas deformējamās struktūras tiek pārkonfigurētas no pasīvo audu loksnēm uz aktīvām un vadāmām struktūrām.Iedvesmojoties no monarhtauriņa, mēs izveidojām pārveidojošu tauriņa struktūru, izmantojot tauriņa formas auduma gabalu (kokvilnas muslīns) un garu AMF gabalu, kas iestrēdzis zem tā spārniem.Kad AMF ir zem spiediena, spārni salocās uz augšu.Tāpat kā Monarch Butterfly, arī Butterfly Robot kreisais un labais spārns plīvo vienādi, jo tos abus kontrolē AMF.Tauriņu atloki ir paredzēti tikai demonstrēšanas nolūkiem.Tas nevar lidot kā Smart Bird (Festo Corp., ASV).Izgatavojām arī auduma ziedu (8.D attēls), kas sastāv no diviem slāņiem pa piecām ziedlapiņām katrā.Mēs novietojām AMF zem katra slāņa aiz ziedlapu ārējās malas.Sākotnēji ziedi ir pilnā plaukumā, un visas ziedlapiņas ir pilnībā atvērtas.Zem spiediena AMF izraisa ziedlapu lieces kustību, liekot tām aizvērties.Divi AMF neatkarīgi kontrolē abu slāņu kustību, savukārt viena slāņa piecas ziedlapiņas vienlaikus saliecas.
Publicēšanas laiks: 26. decembris 2022