Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Zobrazuje karusel troch snímok naraz.Pomocou tlačidiel Predchádzajúci a Ďalší sa môžete pohybovať po troch snímkach naraz alebo pomocou posúvacích tlačidiel na konci môžete prechádzať tromi snímkami naraz.
Kombinácia textílií a umelých svalov na vytvorenie inteligentných textílií priťahuje veľkú pozornosť vedeckej aj priemyselnej komunity.Inteligentné textílie ponúkajú mnoho výhod, vrátane prispôsobivého pohodlia a vysokého stupňa prispôsobenia sa objektom a zároveň poskytujú aktívne ovládanie pre požadovaný pohyb a silu.Tento článok predstavuje novú triedu programovateľných inteligentných tkanín vyrobených pomocou rôznych metód tkania, tkania a lepenia umelých svalových vlákien poháňaných tekutinou.Bol vyvinutý matematický model na opis pomeru predlžovacej sily pletených a tkaných textilných plátov a potom bola experimentálne testovaná jeho platnosť.Nová „inteligentná“ textília sa vyznačuje vysokou flexibilitou, konformitou a mechanickým programovaním, čo umožňuje multimodálny pohyb a deformačné schopnosti pre širšiu škálu aplikácií.Experimentálnym overovaním boli vytvorené rôzne inteligentné textilné prototypy vrátane rôznych prípadov zmeny tvaru, ako je predĺženie (až 65 %), rozšírenie plochy (108 %), radiálne rozšírenie (25 %) a ohybový pohyb.Skúma sa aj koncept rekonfigurácie pasívnych tradičných tkanív na aktívne štruktúry pre biomimetické tvarovanie štruktúr.Očakáva sa, že navrhované inteligentné textílie uľahčia vývoj inteligentných nositeľných zariadení, haptických systémov, biomimetických mäkkých robotov a nositeľnej elektroniky.
Pevné roboty sú efektívne pri práci v štruktúrovaných prostrediach, ale majú problémy s neznámym kontextom meniaceho sa prostredia, čo obmedzuje ich použitie pri hľadaní alebo prieskume.Príroda nás stále prekvapuje mnohými vynaliezavými stratégiami, ako sa vysporiadať s vonkajšími faktormi a rozmanitosťou.Napríklad úponky popínavých rastlín vykonávajú multimodálne pohyby, ako je ohýbanie a špirála, aby preskúmali neznáme prostredie pri hľadaní vhodnej opory1.Mucholapka Venušina (Dionaea muscipula) má na listoch citlivé chĺpky, ktoré sa po spustení zacvaknú na miesto a chytia korisť2.Zaujímavou témou výskumu sa v posledných rokoch stala deformácia alebo deformácia telies z dvojrozmerných (2D) povrchov na trojrozmerné (3D) tvary, ktoré napodobňujú biologické štruktúry3,4.Tieto mäkké robotické konfigurácie menia tvar, aby sa prispôsobili meniacemu sa prostrediu, umožňujú multimodálnu lokomóciu a aplikujú sily na vykonávanie mechanickej práce.Ich dosah sa rozšíril na širokú škálu robotických aplikácií vrátane nasaditeľných5, rekonfigurovateľných a samoskladacích robotov6,7, biomedicínskych zariadení8, vozidiel9,10 a rozšíriteľnej elektroniky11.
Uskutočnilo sa veľa výskumov na vývoj programovateľných plochých dosiek, ktoré sa po aktivácii transformujú na zložité trojrozmerné štruktúry3.Jednoduchým nápadom na vytvorenie deformovateľných štruktúr je skombinovať vrstvy rôznych materiálov, ktoré sa pri vystavení podnetom ohýbajú a zvrásňujú12,13.Janbaz a kol.14 a Li a kol.15 implementovali tento koncept na vytvorenie tepelne citlivých multimodálnych deformovateľných robotov.Štruktúry založené na origami zahŕňajúce prvky reagujúce na stimuly sa použili na vytvorenie zložitých trojrozmerných štruktúr16, 17, 18.Emmanuel a kol., inšpirovaní morfogenézou biologických štruktúr.Tvarovo deformovateľné elastoméry sa vytvárajú usporiadaním vzduchových kanálov v gumovom povrchu, ktoré sa pod tlakom premenia na zložité, ľubovoľné trojrozmerné tvary.
Integrácia textílií alebo látok do deformovateľných mäkkých robotov je ďalším novým koncepčným projektom, ktorý vyvolal široký záujem.Textílie sú mäkké a elastické materiály vyrobené z priadze technikami tkania, ako je pletenie, tkanie, opletanie alebo tkanie uzlov.Vďaka úžasným vlastnostiam tkanín, vrátane pružnosti, prispôsobenia, pružnosti a priedušnosti, sú veľmi obľúbené vo všetkom, od odevov až po lekárske aplikácie20.Existujú tri široké prístupy k začleneniu textílií do robotiky21.Prvým prístupom je použiť textíliu ako pasívnu podložku alebo základ pre iné komponenty.V tomto prípade pasívne textílie poskytujú užívateľovi pohodlné nosenie pri prenášaní pevných komponentov (motory, snímače, napájanie).Väčšina mäkkých nositeľných robotov alebo mäkkých exoskeletov spadá pod tento prístup.Napríklad mäkké nositeľné exoskelety pre pomôcky na chôdzu 22 a pomôcky na lakte 23, 24, 25, mäkké nositeľné rukavice 26 pre pomôcky na ruky a prsty a bionické mäkké roboty 27.
Druhým prístupom je použitie textílií ako pasívnych a obmedzených komponentov mäkkých robotických zariadení.Do tejto kategórie patria ovládače na báze textilu, kde je tkanina zvyčajne konštruovaná ako vonkajšia nádoba, ktorá obsahuje vnútornú hadicu alebo komoru a tvorí ovládač vystužený mäkkými vláknami.Keď sú tieto mäkké ovládače vystavené externému pneumatickému alebo hydraulickému zdroju, menia svoj tvar, vrátane predĺženia, ohýbania alebo krútenia, v závislosti od ich pôvodného zloženia a konfigurácie.Napríklad Talman a kol.Ortopedické členkové oblečenie, pozostávajúce zo série látkových vreciek, bolo zavedené na uľahčenie plantárnej flexie na obnovenie chôdze28.Textilné vrstvy s rôznou rozťažnosťou je možné kombinovať na vytvorenie anizotropného pohybu 29 .OmniSkins – mäkké robotické skiny vyrobené z rôznych mäkkých akčných členov a substrátových materiálov dokážu premeniť pasívne objekty na multifunkčné aktívne roboty, ktoré dokážu vykonávať multimodálne pohyby a deformácie pre rôzne aplikácie.Zhu a kol.vyvinuli svalovú vrstvu tekutého tkaniva31, ktorá môže vytvárať predlžovacie, ohýbacie a rôzne deformačné pohyby.Buckner a kol.Integrujte funkčné vlákna do konvenčných tkanív a vytvorte robotické tkanivá s viacerými funkciami, ako je ovládanie, snímanie a premenlivá tuhosť32.Ďalšie metódy v tejto kategórii nájdete v týchto článkoch 21, 33, 34, 35.
Najnovším prístupom k využívaniu vynikajúcich vlastností textílií v oblasti mäkkej robotiky je použitie reaktívnych vlákien alebo vlákien reagujúcich na stimuly na vytváranie inteligentných textílií pomocou tradičných metód výroby textilu, ako sú metódy tkania, pletenia a tkania21,36,37.V závislosti od zloženia materiálu reaktívna priadza pri pôsobení elektrického, tepelného alebo tlakového pôsobenia spôsobuje zmenu tvaru, čo vedie k deformácii tkaniny.Pri tomto prístupe, kde sú tradičné textílie integrované do mäkkého robotického systému, dochádza k pretvarovaniu textílie skôr na vnútornej vrstve (priadzi) než na vonkajšej vrstve.Inteligentné textílie ako také ponúkajú vynikajúcu ovládateľnosť, pokiaľ ide o multimodálny pohyb, programovateľnú deformáciu, rozťažnosť a možnosť nastavenia tuhosti.Napríklad zliatiny s tvarovou pamäťou (SMA) a polyméry s tvarovou pamäťou (SMP) môžu byť začlenené do tkanín, aby aktívne kontrolovali ich tvar pomocou tepelnej stimulácie, ako je lemovanie38, odstraňovanie vrások36,39, hmatová a hmatová spätná väzba40,41, ako aj adaptívna nositeľné oblečenie.zariadenia 42 .Využitie tepelnej energie na vykurovanie a chladenie má však za následok pomalú odozvu a zložité chladenie a ovládanie.Nedávno Hiramitsu a kol.McKibbenove jemné svaly43,44, pneumatické umelé svaly, sa používajú ako osnovné priadze na vytváranie rôznych foriem aktívnych textílií zmenou štruktúry väzby45.Hoci tento prístup poskytuje vysoké sily, vzhľadom na povahu McKibbenovho svalu je jeho rýchlosť expanzie obmedzená (< 50 %) a nie je možné dosiahnuť malú veľkosť (priemer < 0,9 mm).Okrem toho bolo ťažké vytvoriť inteligentné textilné vzory z metód tkania, ktoré si vyžadujú ostré rohy.Na vytvorenie širšieho sortimentu inteligentných textílií Maziz a spol.Elektroaktívne nositeľné textílie boli vyvinuté pletením a tkaním elektrocitlivých polymérových nití46.
V posledných rokoch sa objavil nový typ termosenzitívneho umelého svalu, skonštruovaného z vysoko skrútených, lacných polymérových vlákien47,48.Tieto vlákna sú komerčne dostupné a ľahko sa začlenia do tkania alebo tkania na výrobu cenovo dostupných inteligentných odevov.Napriek pokrokom majú tieto nové textílie citlivé na teplo obmedzené časy odozvy v dôsledku potreby zahrievania a chladenia (napr. textílie s regulovanou teplotou) alebo obtiažnosti vytvárania zložitých pletených a tkaných vzorov, ktoré možno naprogramovať tak, aby generovali požadované deformácie a pohyby. .Príklady zahŕňajú radiálne rozšírenie, transformáciu tvaru z 2D na 3D alebo obojsmerné rozšírenie, ktoré tu ponúkame.
Na prekonanie týchto vyššie uvedených problémov tento článok predstavuje novú inteligentnú textíliu poháňanú tekutinou vyrobenú z našich nedávno predstavených mäkkých umelých svalových vlákien (AMF)49,50,51.AMF sú vysoko flexibilné, škálovateľné a dajú sa zmenšiť na priemer 0,8 mm a veľké dĺžky (najmenej 5000 mm), ponúkajú vysoký pomer strán (dĺžka k priemeru), ako aj vysoké predĺženie (najmenej 245 %), vysokú energiu účinnosť, rýchla odozva menej ako 20 Hz).Na vytváranie inteligentných textílií používame AMF ako aktívnu priadzu na vytváranie 2D aktívnych svalových vrstiev prostredníctvom techník pletenia a tkania.Kvantitatívne sme študovali rýchlosť expanzie a kontrakčnú silu týchto „inteligentných“ tkanív z hľadiska objemu tekutiny a dodávaného tlaku.Analytické modely boli vyvinuté na stanovenie pomeru sily predĺženia pre pletené a tkané listy.Opisujeme tiež niekoľko techník mechanického programovania pre inteligentné textílie pre multimodálny pohyb, vrátane obojsmerného predlžovania, ohýbania, radiálneho rozširovania a schopnosti prechodu z 2D do 3D.Aby sme demonštrovali silu nášho prístupu, začleníme AMF aj do komerčných tkanín alebo textílií, aby sme zmenili ich konfiguráciu z pasívnych na aktívne štruktúry, ktoré spôsobujú rôzne deformácie.Tento koncept sme demonštrovali aj na niekoľkých experimentálnych testovacích laviciach, vrátane programovateľného ohýbania nití na výrobu požadovaných písmen a biologických štruktúr, ktoré menia tvar do tvaru predmetov, ako sú motýle, štvornohé štruktúry a kvety.
Textílie sú flexibilné dvojrozmerné štruktúry vytvorené z prepletených jednorozmerných nití, ako sú priadze, nite a vlákna.Textil je jednou z najstarších technológií ľudstva a je široko používaný vo všetkých aspektoch života vďaka svojmu pohodliu, prispôsobivosti, priedušnosti, estetike a ochrane.Inteligentné textílie (známe aj ako inteligentné odevy alebo robotické tkaniny) sa čoraz častejšie využívajú vo výskume kvôli ich veľkému potenciálu v robotických aplikáciách20,52.Inteligentné textílie sľubujú zlepšenie ľudského zážitku z interakcie s mäkkými predmetmi, čo predstavuje zmenu paradigmy v oblasti, kde je možné ovládať pohyb a sily tenkej, pružnej látky na vykonávanie špecifických úloh.V tomto článku skúmame dva prístupy k výrobe inteligentných textílií založených na našom nedávnom AMF49: (1) použite AMF ako aktívnu priadzu na vytváranie inteligentných textílií pomocou tradičných technológií výroby textílií;(2) vložte AMF priamo do tradičných tkanín, aby ste stimulovali požadovaný pohyb a deformáciu.
AMF pozostáva z vnútornej silikónovej trubice na dodávanie hydraulickej energie a vonkajšej špirálovej cievky na obmedzenie jej radiálnej expanzie.AMF sa teda pozdĺžne predlžujú, keď sa aplikuje tlak, a následne vykazujú kontrakčné sily, aby sa vrátili na svoju pôvodnú dĺžku, keď sa tlak uvoľní.Majú vlastnosti podobné tradičným vláknam, vrátane pružnosti, malého priemeru a dlhej dĺžky.Avšak AMF je aktívnejší a ovládanejší z hľadiska pohybu a sily ako jeho konvenčné náprotivky.Inšpirovaní nedávnym rýchlym pokrokom v oblasti inteligentných textílií, tu uvádzame štyri hlavné prístupy k výrobe inteligentných textílií aplikáciou AMF na dlhodobo zavedenú technológiu výroby textílií (obrázok 1).
Prvým spôsobom je tkanie.Pomocou technológie útkového pletenia vyrábame reaktívnu pleteninu, ktorá sa pri hydraulickom ovládaní rozvinie v jednom smere.Pletené plachty sú veľmi pružné a rozťažné, ale majú tendenciu sa ľahšie rozmotávať ako tkané plachty.V závislosti od spôsobu ovládania môže AMF vytvárať jednotlivé rady alebo kompletné produkty.Okrem plochých listov sú na výrobu dutých štruktúr AMF vhodné aj hadicové pletacie vzory.Druhým spôsobom je tkanie, kde používame dva AMF ako osnovu a útok na vytvorenie obdĺžnikového tkaného plátu, ktorý sa môže nezávisle rozťahovať v dvoch smeroch.Tkané plachty poskytujú väčšiu kontrolu (v oboch smeroch) ako pletené plachty.AMF sme tiež tkali z tradičnej priadze, aby sme vyrobili jednoduchší tkaný plát, ktorý sa dá odvíjať len jedným smerom.Tretia metóda – radiálna expanzia – je variantom techniky tkania, v ktorej sú AMP umiestnené nie v obdĺžniku, ale v špirále a vlákna poskytujú radiálne obmedzenie.V tomto prípade sa opletenie radiálne roztiahne pod vstupným tlakom.Štvrtým prístupom je nalepenie AMF na list pasívnej tkaniny, aby sa vytvoril ohybový pohyb v požadovanom smere.Prekonfigurovali sme pasívnu breakout dosku na aktívnu breakout dosku spustením AMF okolo jej okraja.Táto programovateľná povaha AMF otvára nespočetné možnosti pre bio-inšpirované tvarovo transformujúce mäkké štruktúry, kde môžeme premeniť pasívne objekty na aktívne.Táto metóda je jednoduchá, ľahká a rýchla, ale môže ohroziť životnosť prototypu.Čitateľ sa odvoláva na iné prístupy v literatúre, ktoré podrobne uvádzajú silné a slabé stránky každej tkanivovej vlastnosti21,33,34,35.
Väčšina nití alebo priadzí používaných na výrobu tradičných tkanín obsahuje pasívne štruktúry.V tejto práci používame náš predtým vyvinutý AMF, ktorý môže dosiahnuť metrové dĺžky a submilimetrové priemery, aby sme nahradili tradičné pasívne textilné priadze AFM, aby sme vytvorili inteligentné a aktívne tkaniny pre širší rozsah aplikácií.Nasledujúce časti popisujú podrobné metódy výroby inteligentných textilných prototypov a predstavujú ich hlavné funkcie a správanie.
Technikou útkového pletenia sme ručne vyrobili tri dresy AMF (obr. 2A).Výber materiálu a podrobné špecifikácie pre AMF a prototypy nájdete v časti Metódy.Každý AMF sleduje dráhu vinutia (nazývanú aj trasa), ktorá tvorí symetrickú slučku.Slučky každého radu sú upevnené slučkami riadkov nad a pod nimi.Prstence jedného stĺpa kolmého na priebeh sú spojené do hriadeľa.Náš pletený prototyp pozostáva z troch radov po siedmich očkách (alebo siedmich očkách) v každom rade.Horné a spodné krúžky nie sú pevné, takže ich môžeme pripevniť na príslušné kovové tyče.Pletené prototypy sa ľahšie rozpletali ako bežné pleteniny vďaka vyššej tuhosti AMF v porovnaní s bežnými priadzami.Preto sme slučky susedných radov viazali tenkými elastickými šnúrami.
Implementujú sa rôzne prototypy inteligentných textílií s rôznymi konfiguráciami AMF.(A) Pletená plachta vyrobená z troch AMF.(B) Obojsmerne tkaný list dvoch AMF.(C) Jednosmerne tkaný plát vyrobený z AMF a akrylovej priadze unesie zaťaženie 500 g, čo je 192-násobok jeho hmotnosti (2,6 g).(D) Radiálne sa rozširujúca štruktúra s jednou AMF a bavlnenou priadzou ako radiálnym obmedzením.Podrobné špecifikácie nájdete v časti Metódy.
Aj keď sa cik-cak slučky úpletu môžu rozťahovať rôznymi smermi, náš prototyp úpletu sa pod tlakom rozťahuje predovšetkým v smere slučky kvôli obmedzeniam v smere jazdy.Predĺženie každého AMF prispieva k rozšíreniu celkovej plochy pleteného listu.V závislosti od špecifických požiadaviek môžeme ovládať tri AMF nezávisle z troch rôznych zdrojov tekutín (obrázok 2A) alebo súčasne z jedného zdroja tekutiny cez rozdeľovač tekutín 1-to-3.Na obr.2A ukazuje príklad pleteného prototypu, ktorého počiatočná plocha sa zväčšila o 35 % pri použití tlaku na tri AMP (1,2 MPa).Je pozoruhodné, že AMF dosahuje vysoké predĺženie najmenej 250 % svojej pôvodnej dĺžky49, takže pletené plachty sa môžu natiahnuť ešte viac ako súčasné verzie.
Vytvorili sme tiež obojsmerné pláty väzby vytvorené z dvoch AMF pomocou techniky plátnovej väzby (obrázok 2B).Osnova a útok AMF sú prepletené v pravom uhle a tvoria jednoduchý krížový vzor.Naša prototypová väzba bola klasifikovaná ako vyvážená plátnová väzba, pretože priadza osnovy aj útku bola vyrobená z rovnakej veľkosti priadze (podrobnosti nájdete v časti Metódy).Na rozdiel od bežných nití, ktoré môžu vytvárať ostré záhyby, aplikovaný AMF vyžaduje určitý polomer ohybu pri návrate k inej nite tkacieho vzoru.Preto majú tkané pláty vyrobené z AMP nižšiu hustotu v porovnaní s konvenčnými tkanými textíliami.AMF-typ S (vonkajší priemer 1,49 mm) má minimálny polomer ohybu 1,5 mm.Napríklad prototypová väzba, ktorú uvádzame v tomto článku, má vzor nití 7×7, kde je každý priesečník stabilizovaný uzlom tenkej elastickej šnúry.Použitím rovnakej techniky tkania môžete získať viac prameňov.
Keď zodpovedajúci AMF dostane tlak tekutiny, tkaná doska zväčší svoju plochu v smere osnovy alebo útku.Preto sme riadili rozmery pletenej dosky (dĺžka a šírka) nezávislou zmenou množstva vstupného tlaku aplikovaného na dva AMP.Na obr.2B ukazuje tkaný prototyp, ktorý sa roztiahol na 44 % svojej pôvodnej plochy pri vyvíjaní tlaku na jeden AMP (1,3 MPa).Pri súčasnom pôsobení tlaku na dva AMF sa plocha zväčšila o 108 %.
Vyrobili sme tiež jednosmerne tkaný plát z jedného AMF s osnovnými a akrylovými priadzami ako útkom (obrázok 2C).AMF sú usporiadané v siedmich cik-cak radoch a vlákna tieto rady tkajú dohromady, aby vytvorili obdĺžnikový plát látky.Tento tkaný prototyp bol hustejší ako na obr. 2B, vďaka mäkkým akrylovým vláknam, ktoré ľahko vyplnili celý list.Pretože ako osnovu používame iba jeden AMF, môže sa tkaná plachta roztiahnuť smerom k osnove iba pod tlakom.Obrázok 2C ukazuje príklad tkaného prototypu, ktorého počiatočná plocha sa zväčšuje o 65 % so zvyšujúcim sa tlakom (1,3 MPa).Navyše tento pletený kúsok (s hmotnosťou 2,6 gramu) dokáže zdvihnúť záťaž 500 gramov, čo je 192-násobok jeho hmotnosti.
Namiesto usporiadania AMF do cikcakového vzoru na vytvorenie obdĺžnikovej tkanej plachty sme vyrobili plochý špirálový tvar AMF, ktorý bol potom radiálne obmedzený bavlnenou priadzou, aby sa vytvorila okrúhla tkaná plachta (obrázok 2D).Vysoká tuhosť AMF obmedzuje jeho vyplnenie v samotnej centrálnej oblasti dosky.Táto výplň však môže byť vyrobená z elastických priadzí alebo elastických látok.Po prijatí hydraulického tlaku premení AMP svoje pozdĺžne predĺženie na radiálne rozšírenie listu.Za zmienku tiež stojí, že vonkajší aj vnútorný priemer špirálovitého tvaru sa zväčší v dôsledku radiálneho obmedzenia vlákien.Obrázok 2D ukazuje, že pri aplikovanom hydraulickom tlaku 1 MPa sa tvar okrúhleho plechu roztiahne na 25 % svojej pôvodnej plochy.
Predstavujeme tu druhý prístup k výrobe inteligentných textílií, kde prilepíme AMF na plochý kus látky a prekonfigurujeme ho z pasívnej na aktívne riadenú štruktúru.Konštrukčná schéma pohonu ohýbania je znázornená na obr.3A, kde je AMP v strede prehnutý a prilepený na pás neroztiahnuteľnej látky (bavlnená mušelínová tkanina) pomocou obojstrannej pásky ako lepidla.Po utesnení môže horná časť AMF voľne presahovať, zatiaľ čo spodná časť je obmedzená páskou a tkaninou, čo spôsobuje, že pásik sa ohýba smerom k tkanine.Ľubovoľnú časť aktuátora ohybu môžeme kdekoľvek deaktivovať jednoduchým nalepením prúžku pásky.Deaktivovaný segment sa nemôže pohybovať a stáva sa pasívnym segmentom.
Látky sa rekonfigurujú nalepením AMF na tradičné látky.(A) Koncepcia dizajnu pre ohýbací pohon vyrobený nalepením skladaného AMF na neroztiahnuteľnú tkaninu.(B) Ohnutie prototypu ovládača.(C) Rekonfigurácia obdĺžnikového plátna na aktívneho štvornohého robota.Neelastická látka: bavlnený džersej.Strečová tkanina: polyester.Podrobné špecifikácie nájdete v časti Metódy.
Vyrobili sme niekoľko prototypov ohýbacích ovládačov rôznych dĺžok a natlakovali sme ich hydraulikou, aby sa vytvoril ohýbací pohyb (obrázok 3B).Dôležité je, že AMF je možné rozložiť v priamej línii alebo zložiť do viacerých nití a potom prilepiť na látku, aby sa vytvoril ohýbací pohon s príslušným počtom nití.Tiež sme premenili pasívny tkanivový list na aktívnu štruktúru tetrapodu (obrázok 3C), kde sme použili AMF na smerovanie hraníc obdĺžnikového neroztiahnuteľného tkaniva (bavlnená mušelínová tkanina).AMP je pripevnený k látke kúskom obojstrannej pásky.Stred každej hrany je prelepený páskou, aby sa stal pasívnym, zatiaľ čo štyri rohy zostávajú aktívne.Vrchný poťah zo strečovej tkaniny (polyester) je voliteľný.Štyri rohy látky sa pri stlačení ohýbajú (vyzerajú ako nohy).
Postavili sme testovaciu lavicu na kvantitatívne štúdium vlastností vyvinutých inteligentných textílií (pozri časť Metódy a doplnkový obrázok S1).Pretože všetky vzorky boli vyrobené z AMF, všeobecný trend experimentálnych výsledkov (obr. 4) je v súlade s hlavnými charakteristikami AMF, konkrétne, vstupný tlak je priamo úmerný predĺženiu na výstupe a nepriamo úmerný kompresnej sile.Tieto inteligentné tkaniny však majú jedinečné vlastnosti, ktoré odrážajú ich špecifické konfigurácie.
Obsahuje inteligentné textilné konfigurácie.(A, B) Hysterézne krivky pre vstupný tlak a výstupné predĺženie a silu pre tkané pláty.(C) Rozšírenie plochy tkanej plachty.(D,E) Vzťah medzi vstupným tlakom a výstupným predĺžením a silou pre pleteniny.(F) Plošné rozšírenie radiálne sa rozširujúcich štruktúr.(G) Uhly ohybu troch rôznych dĺžok ohýbacích pohonov.
Každý AMF tkaného plátu bol vystavený vstupnému tlaku 1 MPa, aby sa vytvorilo približne 30 % predĺženie (obr. 4A).Túto hranicu sme zvolili pre celý experiment z niekoľkých dôvodov: (1) aby sme vytvorili výrazné predĺženie (približne 30 %), aby sme zdôraznili ich hysterézne krivky, (2) aby sme zabránili cyklovaniu z rôznych experimentov a opakovane použiteľných prototypov, ktoré by viedli k náhodnému poškodeniu alebo zlyhaniu..pod vysokým tlakom kvapaliny.Mŕtva zóna je jasne viditeľná a opletenie zostáva nehybné, kým vstupný tlak nedosiahne 0,3 MPa.Graf hysterézy tlakového predĺženia ukazuje veľkú medzeru medzi fázami čerpania a uvoľňovania, čo naznačuje, že dochádza k významnej strate energie, keď tkaná vrstva mení svoj pohyb z expanzie na kontrakciu.(obr. 4A).Po dosiahnutí vstupného tlaku 1 MPa mohol tkaný plát vyvinúť kontrakčnú silu 5,6 N (obr. 4B).Graf hysterézie tlak-sila tiež ukazuje, že krivka resetovania sa takmer prekrýva s krivkou nárastu tlaku.Plošná expanzia tkaného plátu závisela od množstva tlaku aplikovaného na každý z dvoch AMF, ako je znázornené na 3D grafe povrchu (obrázok 4C).Experimenty tiež ukazujú, že tkaná doska môže produkovať plošné rozšírenie o 66 %, keď sú jej osnovné a útkové AMF súčasne vystavené hydraulickému tlaku 1 MPa.
Experimentálne výsledky pre pletenú dosku ukazujú podobný vzor ako tkaná plachta, vrátane širokej hysteréznej medzery v diagrame ťah-tlak a prekrývajúcich sa kriviek tlak-sila.Pletená plachta vykazovala predĺženie o 30 %, po čom bola sila stlačenia 9 N pri vstupnom tlaku 1 MPa (obr. 4D, E).
V prípade okrúhleho tkaného plátu sa jeho počiatočná plocha zväčšila o 25 % v porovnaní s počiatočnou plochou po vystavení tlaku kvapaliny 1 MPa (obr. 4F).Predtým, než sa vzorka začne rozpínať, je tu veľká mŕtva zóna vstupného tlaku až do 0,7 MPa.Táto veľká mŕtva zóna sa očakávala, pretože vzorky boli vyrobené z väčších AMF, ktoré si vyžadovali vyššie tlaky na prekonanie ich počiatočného napätia.Na obr.4F tiež ukazuje, že krivka uvoľňovania sa takmer zhoduje s krivkou nárastu tlaku, čo naznačuje malú stratu energie pri prepínaní pohybu disku.
Experimentálne výsledky pre tri ohýbacie aktuátory (rekonfigurácia tkaniva) ukazujú, že ich hysterézne krivky majú podobný vzor (obrázok 4G), kde pred zdvihnutím zažívajú mŕtvu zónu vstupného tlaku až 0,2 MPa.Rovnaký objem kvapaliny (0,035 ml) sme naniesli na tri ohýbacie pohony (L20, L30 a L50 mm).Každý ovládač však zaznamenal rôzne tlakové špičky a vyvinul rôzne uhly ohybu.Pohony L20 a L30 mm zaznamenali vstupný tlak 0,72 a 0,67 MPa, pričom dosiahli uhly ohybu 167° a 194°.Najdlhší ohýbací pohon (dĺžka 50 mm) odolal tlaku 0,61 MPa a dosiahol maximálny uhol ohybu 236°.Grafy hysterézie tlakového uhla tiež odhalili relatívne veľké medzery medzi krivkami tlakovania a uvoľňovania pre všetky tri ohýbacie pohony.
Vzťah medzi vstupným objemom a výstupnými vlastnosťami (predĺženie, sila, plošná expanzia, uhol ohybu) pre vyššie uvedené inteligentné textilné konfigurácie možno nájsť na doplnkovom obrázku S2.
Experimentálne výsledky v predchádzajúcej časti jasne demonštrujú proporcionálny vzťah medzi aplikovaným vstupným tlakom a výstupným predĺžením vzoriek AMF.Čím silnejšie je AMB namáhaný, tým väčšie predĺženie sa vyvíja a tým pružnejšiu energiu akumuluje.Čím väčšia je teda tlaková sila, ktorú vyvíja.Výsledky tiež ukázali, že vzorky dosiahli svoju maximálnu kompresnú silu, keď bol vstupný tlak úplne odstránený.Cieľom tejto časti je stanoviť priamy vzťah medzi predĺžením a maximálnou silou zmrštenia pletených a tkaných hárkov prostredníctvom analytického modelovania a experimentálneho overovania.
Maximálna kontrakčná sila Fout (pri vstupnom tlaku P = 0) jedného AMF bola uvedená v odkaze 49 a znovu zavedená takto:
Medzi nimi sú α, E a A0 faktor rozťahovania, Youngov modul a plocha prierezu silikónovej trubice;k je koeficient tuhosti špirálovej cievky;x a li sú posunutie a počiatočná dĺžka.AMP, resp.
správna rovnica.(1) Ako príklad si vezmite pletené a tkané plachty (obr. 5A, B).Zmršťovacie sily pleteného výrobku Fkv a tkaného výrobku Fwh sú vyjadrené rovnicou (2), resp. (3).
kde mk je počet slučiek, φp je uhol slučky pleteniny počas vstrekovania (obr. 5A), mh je počet nití, θhp je uhol záberu pleteniny počas vstrekovania (obr. 5B), εkv εwh je pletená plachta a deformácia tkanej plachty, F0 je počiatočné napätie špirálového zvitku.Podrobné odvodenie rovnice.(2) a (3) možno nájsť v podporných informáciách.
Vytvorte analytický model pre vzťah predĺženia a sily.(A,B) Analytické modelové ilustrácie pre pletené a tkané plachty.(C,D) Porovnanie analytických modelov a experimentálnych údajov pre pletené a tkané listy.Chyba RMSE odmocnina.
Na testovanie vyvinutého modelu sme vykonali predlžovacie experimenty s použitím pletených vzorov na obr. 2A a spletených vzoriek na obr. 2B.Sila kontrakcie bola meraná v 5 % prírastkoch pre každé uzamknuté predĺženie od 0 % do 50 %.Priemer a štandardná odchýlka piatich pokusov sú uvedené na obrázku 5C (úplet) a obrázku 5D (úplet).Krivky analytického modelu sú opísané rovnicami.Parametre (2) a (3) sú uvedené v tabuľke.1. Výsledky ukazujú, že analytický model je v dobrej zhode s experimentálnymi údajmi v celom rozsahu predĺženia so strednou kvadratickou chybou (RMSE) 0,34 N pre pletené výrobky, 0,21 N pre tkané AMF H (horizontálny smer) a 0,17 N pre tkané AMF .V (vertikálny smer).
Okrem základných pohybov môžu byť navrhované inteligentné textílie mechanicky naprogramované tak, aby poskytovali zložitejšie pohyby, ako je S-ohyb, radiálna kontrakcia a 2D až 3D deformácia.Predstavujeme tu niekoľko metód na programovanie plochých inteligentných textílií do požadovaných štruktúr.
Okrem rozšírenia domény v lineárnom smere možno jednosmerne tkané pláty mechanicky naprogramovať na vytvorenie multimodálneho pohybu (obr. 6A).Predĺženie pletenej plachty prekonfigurujeme ako ohybový pohyb, pričom jednu z jej plôch (hornú alebo spodnú) obmedzíme šijacou niťou.Listy majú tendenciu ohýbať sa smerom k ohraničujúcej ploche pod tlakom.Na obr.6A ukazuje dva príklady tkaných panelov, ktoré nadobúdajú tvar S, keď je jedna polovica stlačená na hornej strane a druhá polovica je stlačená na spodnej strane.Prípadne môžete vytvoriť kruhový ohýbací pohyb, kde je obmedzená iba celá plocha.Jednosmerne spletený plát môže byť tiež vyrobený do kompresného rukáva spojením jeho dvoch koncov do rúrkovej štruktúry (obr. 6B).Rukáv sa nosí na ukazováku osoby, aby poskytoval kompresiu, čo je forma masážnej terapie na zmiernenie bolesti alebo zlepšenie krvného obehu.Dá sa prispôsobiť iným častiam tela, ako sú ruky, boky a nohy.
Schopnosť tkať listy v jednom smere.(A) Vytváranie deformovateľných štruktúr vďaka programovateľnosti tvaru šijacích nití.(B) Objímka na stláčanie prstov.(C) Iná verzia pletenej plachty a jej implementácia ako kompresný návlek na predlaktie.(D) Ďalší prototyp kompresného návleku vyrobený z AMF typu M, akrylovej priadze a pásikov na suchý zips.Podrobné špecifikácie nájdete v časti Metódy.
Obrázok 6C znázorňuje ďalší príklad jednosmerne tkaného plátna vyrobeného z jedinej AMF a bavlnenej priadze.Doska sa môže plošne roztiahnuť o 45 % (pri 1,2 MPa) alebo spôsobiť kruhový pohyb pod tlakom.Začlenili sme aj plachtu na vytvorenie kompresného návleku na predlaktie pripevnením magnetických popruhov na koniec plachty.Ďalší prototyp kompresného návleku na predlaktie je znázornený na obr. 6D, v ktorom boli jednosmerne pletené pláty vyrobené z AMF typu M (pozri Metódy) a akrylových priadzí na generovanie silnejších kompresných síl.Konce obliečok sme vybavili páskami na suchý zips pre jednoduché pripevnenie a pre rôzne veľkosti rúk.
Zadržiavacia technika, ktorá premieňa lineárne predĺženie na ohybový pohyb, je tiež použiteľná pre obojsmerne tkané pláty.Bavlnené nite prepletáme na jednej strane osnovných a útkových tkaných plátov, aby sa nerozťahovali (obr. 7A).Keď teda dva AMF prijímajú hydraulický tlak nezávisle od seba, list prechádza obojsmerným ohybovým pohybom, aby vytvoril ľubovoľnú trojrozmernú štruktúru.V inom prístupe používame neroztiahnuteľné priadze na obmedzenie jedného smeru obojsmerne tkaných plátov (obrázok 7B).List teda môže vykonávať nezávislé ohýbacie a naťahovacie pohyby, keď je príslušný AMF pod tlakom.Na obr.7B znázorňuje príklad, v ktorom je obojsmerná pletená plachta ovládaná tak, aby sa ohýbala okolo dvoch tretín ľudského prsta a potom predĺžila svoju dĺžku, aby pokryla zvyšok naťahovacím pohybom.Obojsmerný pohyb obliečok môže byť užitočný pri módnom dizajne alebo pri vývoji inteligentného oblečenia.
Obojsmerne tkaná plachta, pletená plachta a radiálne rozšíriteľné možnosti dizajnu.(A) Obojsmerne viazané obojsmerné prútené panely na vytvorenie obojsmerného ohybu.(B) Jednosmerne obmedzené obojsmerné prútené panely vytvárajú ohyb a predĺženie.(C) Vysoko elastická pletená plachta, ktorá sa môže prispôsobiť rôznemu zakriveniu povrchu a dokonca vytvárať rúrkové štruktúry.(D) vymedzenie stredovej čiary radiálne sa rozširujúcej štruktúry tvoriacej hyperbolický parabolický tvar (zemiakové lupienky).
Dve susediace očká horného a spodného radu pleteného dielu sme spojili šijacou niťou, aby sa nerozmotávala (obr. 7C).Tkaná plachta je teda plne flexibilná a dobre sa prispôsobuje rôznym povrchovým krivkám, ako je povrch pokožky ľudských rúk a paží.Rúrkovú štruktúru (rukáv) sme vytvorili aj spojením koncov pleteného dielu v smere jazdy.Rukáv dobre obopína ukazovák osoby (obr. 7C).Kľukatá tkaná látka zaisťuje vynikajúcu priľnavosť a deformovateľnosť, vďaka čomu sa ľahko používa pri inteligentnom nosení (rukavice, kompresné návleky), poskytuje pohodlie (priliehavý tvar) a terapeutický účinok (prostredníctvom kompresie).
Okrem 2D radiálnej expanzie vo viacerých smeroch môžu byť kruhové tkané pláty tiež naprogramované na vytváranie 3D štruktúr.Stredovú líniu okrúhleho opletu sme obmedzili akrylovou priadzou, aby sme narušili jeho rovnomernú radiálnu expanziu.V dôsledku toho sa pôvodný plochý tvar okrúhleho tkaného plátu po natlakovaní zmenil na hyperbolický parabolický tvar (alebo zemiakové lupienky) (obr. 7D).Táto schopnosť meniť tvar by mohla byť implementovaná ako zdvíhací mechanizmus, optická šošovka, mobilné nohy robota alebo by mohla byť užitočná v módnom dizajne a bionických robotoch.
Vyvinuli sme jednoduchú techniku na vytváranie ohybových pohonov nalepením AMF na pás nepružnej látky (obrázok 3).Tento koncept používame na vytváranie tvarovo programovateľných vlákien, kde môžeme strategicky distribuovať viacero aktívnych a pasívnych sekcií v jednom AMF, aby sme vytvorili požadované tvary.Vyrobili sme a naprogramovali štyri aktívne vlákna, ktoré mohli zmeniť svoj tvar z priameho na písmeno (UNSW), keď sa tlak zvýšil (doplnkový obrázok S4).Táto jednoduchá metóda umožňuje deformovateľnosť AMF premeniť 1D čiary na 2D tvary a možno aj 3D štruktúry.
V podobnom prístupe sme použili jeden AMF na rekonfiguráciu časti pasívneho normálneho tkaniva na aktívny tetrapod (obr. 8A).Koncepty smerovania a programovania sú podobné tým, ktoré sú znázornené na obrázku 3C.Namiesto obdĺžnikových obliečok sa však začali používať látky so štvornohým vzorom (korytnačka, bavlnený mušelín).Preto sú nohy dlhšie a konštrukcia môže byť zdvihnutá vyššie.Výška konštrukcie sa pod tlakom postupne zväčšuje, až kým jej nohy nebudú kolmo k zemi.Ak sa vstupný tlak naďalej zvyšuje, nohy sa prepadnú dovnútra, čím sa zníži výška konštrukcie.Tetrapody môžu vykonávať lokomóciu, ak sú ich nohy vybavené jednosmernými vzormi alebo používajú viacero AMF so stratégiami manipulácie s pohybom.Mäkké lokomočné roboty sú potrebné na rôzne úlohy vrátane záchrany pred požiarmi, zrútenými budovami alebo nebezpečným prostredím a roboty na dodávanie liekov.
Tkanina je prekonfigurovaná tak, aby vytvárala štruktúry meniace tvar.(A) Prilepte AMF k okraju pasívnej tkaniny a premeňte ju na ovládateľnú štruktúru so štyrmi nohami.(BD) Dva ďalšie príklady rekonfigurácie tkaniva, premena pasívnych motýľov a kvetov na aktívne.Nepružná látka: obyčajný bavlnený mušelín.
Využívame tiež jednoduchosť a všestrannosť tejto techniky rekonfigurácie tkaniva zavedením dvoch ďalších bioinšpirovaných štruktúr na pretvarovanie (obrázky 8B-D).Pomocou smerovateľného AMF sú tieto tvarovo deformovateľné štruktúry prekonfigurované z listov pasívneho tkaniva na aktívne a ovládateľné štruktúry.Inšpirovaní motýľom monarchom sme vyrobili transformujúcu sa štruktúru motýľa pomocou kusu látky v tvare motýľa (bavlneného mušelínu) a dlhého kusu AMF prilepeného pod jeho krídla.Keď je AMF pod tlakom, krídla sa sklopia.Rovnako ako Monarch Butterfly, aj Butterfly Robot máva ľavé a pravé krídlo rovnakým spôsobom, pretože obe sú ovládané AMF.Motýlie klapky slúžia len na predvádzacie účely.Nemôže lietať ako Smart Bird (Festo Corp., USA).Vyrobili sme tiež látkový kvet (obrázok 8D) pozostávajúci z dvoch vrstiev po piatich okvetných lístkoch.AMF sme umiestnili pod každú vrstvu po vonkajšom okraji okvetných lístkov.Spočiatku sú kvety v plnom kvete, pričom všetky okvetné lístky sú úplne otvorené.Pod tlakom AMF spôsobí ohybový pohyb okvetných lístkov, čo spôsobí ich uzavretie.Dva AMF nezávisle riadia pohyb dvoch vrstiev, pričom päť okvetných lístkov jednej vrstvy sa súčasne ohýba.
Čas odoslania: 26. decembra 2022