Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Kombinace textilií a umělých svalů k vytvoření chytrých textilií přitahuje velkou pozornost jak ze strany vědecké, tak průmyslové komunity.Inteligentní textilie nabízí mnoho výhod, včetně adaptivního pohodlí a vysokého stupně přizpůsobivosti předmětům a zároveň poskytuje aktivní ovládání pro požadovaný pohyb a sílu.Tento článek představuje novou třídu programovatelných chytrých tkanin vyrobených pomocí různých metod tkaní, tkaní a lepení umělých svalových vláken poháněných tekutinou.Byl vyvinut matematický model pro popis poměru tažné síly pletených a tkaných textilních plátů a poté byla experimentálně testována jeho platnost.Nová „chytrá“ textilie se vyznačuje vysokou flexibilitou, konformitou a mechanickým programováním, což umožňuje multimodální pohyb a deformační schopnosti pro širší škálu aplikací.Experimentálním ověřením byly vytvořeny různé prototypy inteligentních textilií, včetně různých případů změny tvaru, jako je prodloužení (až 65 %), rozšíření plochy (108 %), radiální rozšíření (25 %) a ohybový pohyb.Zkoumá se také koncept rekonfigurace pasivních tradičních tkání na aktivní struktury pro biomimetické tvarování struktur.Očekává se, že navrhované chytré textilie usnadní vývoj chytrých nositelných zařízení, haptických systémů, biomimetických měkkých robotů a nositelné elektroniky.
Rigidní roboti jsou efektivní při práci ve strukturovaných prostředích, ale mají problémy s neznámým kontextem měnícího se prostředí, což omezuje jejich použití při hledání nebo průzkumu.Příroda nás nepřestává překvapovat mnoha vynalézavými strategiemi, jak se vypořádat s vnějšími faktory a rozmanitostí.Například úponky popínavých rostlin provádějí multimodální pohyby, jako je ohýbání a spirálování, aby prozkoumávaly neznámé prostředí při hledání vhodné podpory1.Mucholapka Venušina (Dionaea muscipula) má na listech citlivé chloupky, které po spuštění zapadnou na místo a chytí kořist2.Zajímavým tématem výzkumu se v posledních letech stala deformace či deformace těles z dvourozměrných (2D) povrchů na trojrozměrné (3D) tvary napodobující biologické struktury3,4.Tyto měkké robotické konfigurace mění tvar, aby se přizpůsobily měnícímu se prostředí, umožňují multimodální lokomoci a aplikují síly k provádění mechanické práce.Jejich dosah se rozšířil na širokou škálu robotických aplikací, včetně nasaditelných5, rekonfigurovatelných a samoskládacích robotů6,7, biomedicínských zařízení8, vozidel9,10 a rozšiřitelné elektroniky11.
Bylo provedeno mnoho výzkumů pro vývoj programovatelných plochých desek, které se po aktivaci přemění na složité trojrozměrné struktury3.Jednoduchý nápad na vytvoření deformovatelných struktur je kombinovat vrstvy různých materiálů, které se při vystavení podnětům ohýbají a zvrásňují12,13.Janbaz a kol.14 a Li a kol.15 implementovali tento koncept k vytvoření tepelně citlivých multimodálních deformovatelných robotů.K vytvoření složitých trojrozměrných struktur byly použity struktury založené na origami obsahující prvky reagující na podněty16,17,18.Emmanuel et al., inspirováni morfogenezí biologických struktur.Tvarově deformovatelné elastomery se vytvářejí uspořádáním vzduchových kanálků v pryžovém povrchu, které se pod tlakem přeměňují na složité, libovolné trojrozměrné tvary.
Integrace textilií nebo tkanin do deformovatelných měkkých robotů je dalším novým koncepčním projektem, který vyvolal široký zájem.Textilie jsou měkké a elastické materiály vyrobené z příze technikami tkaní, jako je pletení, tkaní, splétání nebo tkaní uzlů.Díky úžasným vlastnostem látek, včetně pružnosti, střihu, pružnosti a prodyšnosti, jsou velmi oblíbené ve všem, od oblečení až po lékařské aplikace20.Existují tři široké přístupy k začlenění textilií do robotiky21.Prvním přístupem je použití textilie jako pasivního podkladu nebo základny pro další komponenty.Pasivní textilie v tomto případě poskytují uživateli pohodlné nošení při přenášení pevných komponentů (motory, senzory, napájecí zdroj).Většina měkkých nositelných robotů nebo měkkých exoskeletonů spadá pod tento přístup.Například měkké nositelné exoskelety pro pomůcky pro chůzi 22 a pomůcky pro lokty 23, 24, 25, měkké nositelné rukavice 26 pro pomůcky na ruce a prsty a bionické měkké roboty 27.
Druhým přístupem je použití textilií jako pasivních a omezených součástí měkkých robotických zařízení.Do této kategorie spadají aktuátory na bázi textilu, kde je tkanina obvykle konstruována jako vnější nádoba, která obsahuje vnitřní hadici nebo komoru, tvořící aktuátor vyztužený měkkými vlákny.Při vystavení externímu pneumatickému nebo hydraulickému zdroji podléhají tyto měkké pohony změnám tvaru, včetně prodloužení, ohýbání nebo kroucení, v závislosti na jejich původním složení a konfiguraci.Například Talman a kol.Ortopedické kotníkové oblečení sestávající z řady látkových kapes bylo zavedeno pro usnadnění plantární flexe pro obnovení chůze28.Textilní vrstvy s různou roztažností lze kombinovat pro vytvoření anizotropního pohybu 29 .OmniSkins – měkké robotické skiny vyrobené z různých měkkých aktuátorů a materiálů substrátu mohou přeměnit pasivní objekty na multifunkční aktivní roboty, které mohou provádět multimodální pohyby a deformace pro různé aplikace.Zhu a kol.vyvinuli svalovou vrstvu tekuté tkáně31, která může generovat prodlužování, ohýbání a různé deformační pohyby.Buckner a kol.Integrujte funkční vlákna do konvenčních tkání a vytvořte robotické tkáně s mnoha funkcemi, jako je ovládání, snímání a proměnná tuhost32.Další metody v této kategorii naleznete v těchto článcích 21, 33, 34, 35.
Nedávným přístupem k využití vynikajících vlastností textilií v oblasti měkké robotiky je použití reaktivních vláken nebo vláken reagujících na podněty k vytvoření inteligentních textilií pomocí tradičních metod textilní výroby, jako je tkaní, pletení a tkaní21,36,37.V závislosti na složení materiálu způsobuje reaktivní příze při působení elektrického, tepelného nebo tlakového působení změnu tvaru, což vede k deformaci tkaniny.Při tomto přístupu, kdy jsou tradiční textilie integrovány do měkkého robotického systému, dochází k přetváření textilie spíše na vnitřní vrstvě (přízi) než na vnější vrstvě.Inteligentní textilie jako takové nabízejí vynikající ovladatelnost, pokud jde o multimodální pohyb, programovatelnou deformaci, roztažnost a možnost nastavení tuhosti.Například slitiny s tvarovou pamětí (SMA) a polymery s tvarovou pamětí (SMP) lze začlenit do tkanin, aby se aktivně řídil jejich tvar pomocí tepelné stimulace, jako je lemování38, odstraňování vrásek36,39, hmatová a hmatová zpětná vazba40,41 a také adaptivní nositelné oblečení.zařízení 42 .Využití tepelné energie pro vytápění a chlazení má však za následek pomalou odezvu a obtížné chlazení a ovládání.Nedávno Hiramitsu a kol.McKibbenovy jemné svaly43,44, pneumatické umělé svaly, se používají jako osnovní příze k vytvoření různých forem aktivních textilií změnou struktury vazby45.Přestože tento přístup poskytuje vysoké síly, vzhledem k povaze McKibbenova svalu je rychlost jeho expanze omezená (< 50 %) a nelze dosáhnout malé velikosti (průměr < 0,9 mm).Kromě toho bylo obtížné vytvořit chytré textilní vzory z metod tkaní, které vyžadují ostré rohy.Pro vytvoření širšího sortimentu chytrých textilií Maziz et al.Elektroaktivní nositelné textilie byly vyvinuty pletením a tkaním elektrocitlivých polymerových nití46.
V posledních letech se objevil nový typ termosenzitivního umělého svalu, konstruovaný z vysoce zkroucených, levných polymerních vláken47,48.Tato vlákna jsou komerčně dostupná a lze je snadno začlenit do tkaní nebo tkaní, aby se vyrobilo cenově dostupné chytré oblečení.Navzdory pokroku mají tyto nové textilie citlivé na teplo omezenou dobu odezvy kvůli potřebě zahřívání a chlazení (např. textilie s řízenou teplotou) nebo obtížnosti vytváření složitých pletených a tkaných vzorů, které lze naprogramovat tak, aby generovaly požadované deformace a pohyby. .Mezi příklady patří radiální rozšíření, transformace tvaru z 2D na 3D nebo obousměrné rozšíření, které zde nabízíme.
K překonání těchto výše uvedených problémů tento článek představuje novou inteligentní textilii poháněnou tekutinou vyrobenou z našich nedávno představených měkkých umělých svalových vláken (AMF)49,50,51.AMF jsou vysoce flexibilní, škálovatelné a lze je zmenšit na průměr 0,8 mm a velké délky (alespoň 5000 mm), nabízejí vysoký poměr stran (délka k průměru) a také vysoké prodloužení (alespoň 245 %), vysokou energii účinnost, rychlá odezva méně než 20 Hz).K vytvoření chytrých textilií používáme AMF jako aktivní přízi k vytvoření 2D aktivních svalových vrstev pomocí technik pletení a tkaní.Kvantitativně jsme studovali rychlost expanze a kontrakční sílu těchto „inteligentních“ tkání z hlediska objemu tekutiny a dodávaného tlaku.Analytické modely byly vyvinuty pro stanovení vztahu síly protažení pro pletené a tkané listy.Také popisujeme několik technik mechanického programování pro chytré textilie pro multimodální pohyb, včetně obousměrného prodlužování, ohýbání, radiálního roztahování a schopnosti přechodu z 2D do 3D.Abychom demonstrovali sílu našeho přístupu, budeme také integrovat AMF do komerčních tkanin nebo textilií, abychom změnili jejich konfiguraci z pasivních na aktivní struktury, které způsobují různé deformace.Tento koncept jsme také demonstrovali na několika experimentálních zkušebních stolicích, včetně programovatelného ohýbání nití pro vytvoření požadovaných písmen a tvarově měnících biologických struktur do tvaru objektů, jako jsou motýli, čtyřnohé struktury a květiny.
Textilie jsou flexibilní dvourozměrné struktury vytvořené z propletených jednorozměrných nití, jako jsou příze, nitě a vlákna.Textil je jednou z nejstarších technologií lidstva a je široce používán ve všech aspektech života díky svému pohodlí, přizpůsobivosti, prodyšnosti, estetice a ochraně.Inteligentní textilie (také známé jako chytré oděvy nebo robotické tkaniny) se stále častěji používají ve výzkumu kvůli jejich velkému potenciálu v robotických aplikacích20,52.Inteligentní textilie slibují zlepšení lidského zážitku z interakce s měkkými předměty a zahajují změnu paradigmatu v oblasti, kde lze ovládat pohyb a síly tenké, pružné látky pro provádění specifických úkolů.V tomto článku zkoumáme dva přístupy k výrobě inteligentních textilií založených na našem nedávném AMF49: (1) použití AMF jako aktivní příze k vytvoření inteligentních textilií pomocí tradičních textilních výrobních technologií;(2) vložte AMF přímo do tradičních tkanin, abyste stimulovali požadovaný pohyb a deformaci.
AMF se skládá z vnitřní silikonové trubice pro dodávku hydraulické energie a vnější spirálové cívky pro omezení její radiální expanze.AMF se tedy podélně prodlužují, když je aplikován tlak, a následně vykazují kontrakční síly, aby se vrátily na svou původní délku, když je tlak uvolněn.Mají vlastnosti podobné tradičním vláknům, včetně pružnosti, malého průměru a dlouhé délky.Nicméně, AMF je aktivnější a kontrolovanější z hlediska pohybu a síly než jeho konvenční protějšky.Inspirováni nedávným rychlým pokrokem v oblasti inteligentních textilií zde představujeme čtyři hlavní přístupy k výrobě inteligentních textilií aplikací AMF na dlouhodobě zavedenou technologii výroby látek (obrázek 1).
První způsob je tkaní.Pomocí technologie útkového pletení vyrábíme reaktivní pleteninu, která se při hydraulickém ovládání rozvine jedním směrem.Pletená prostěradla jsou velmi pružná a roztažitelná, ale mají tendenci se snadněji rozmotávat než tkaná prostěradla.V závislosti na způsobu ovládání může AMF tvořit jednotlivé řady nebo kompletní produkty.Kromě plochých plátů jsou pro výrobu dutých struktur AMF vhodné také hadicové pletací vzory.Druhou metodou je tkaní, kdy používáme dva AMF jako osnovu a útek k vytvoření obdélníkového tkaného plátu, který se může nezávisle roztahovat ve dvou směrech.Tkaná prostěradla poskytují větší kontrolu (v obou směrech) než pletená prostěradla.AMF jsme také tkali z tradiční příze, abychom vyrobili jednodušší tkaný list, který lze odvíjet pouze jedním směrem.Třetí metoda – radiální expanze – je variantou techniky tkaní, ve které nejsou AMP umístěny v obdélníku, ale ve spirále a nitě poskytují radiální omezení.V tomto případě se oplet radiálně roztahuje pod vstupním tlakem.Čtvrtým přístupem je přilepit AMF na list pasivní tkaniny, aby se vytvořil ohybový pohyb v požadovaném směru.Překonfigurovali jsme pasivní breakout board na aktivní breakout board tím, že jsme AMF prošli kolem jeho okraje.Tato programovatelná povaha AMF otevírá nespočet možností pro bio-inspirované tvarově transformující měkké struktury, kde můžeme přeměnit pasivní objekty na aktivní.Tato metoda je jednoduchá, snadná a rychlá, ale může ohrozit životnost prototypu.Čtenář je odkázán na další přístupy v literatuře, které podrobně popisují silné a slabé stránky každé vlastnosti tkáně21,33,34,35.
Většina nití nebo přízí používaných k výrobě tradičních tkanin obsahuje pasivní struktury.V této práci používáme naše dříve vyvinuté AMF, které mohou dosahovat metrových délek a submilimetrových průměrů, abychom nahradili tradiční pasivní textilní příze AFM, abychom vytvořili inteligentní a aktivní tkaniny pro širší škálu aplikací.Následující části popisují podrobné metody výroby inteligentních textilních prototypů a představují jejich hlavní funkce a chování.
Technikou útkového pletení jsme ručně vyrobili tři dresy AMF (obr. 2A).Výběr materiálu a podrobné specifikace pro AMF a prototypy lze nalézt v sekci Metody.Každý AMF sleduje cestu vinutí (nazývanou také trasa), která tvoří symetrickou smyčku.Smyčky každé řady jsou upevněny smyčkami řad nad a pod nimi.Prstence jednoho sloupu kolmého na průběh jsou spojeny do šachty.Náš pletený prototyp se skládá ze tří řad po sedmi okách (nebo sedmi očkách) v každé řadě.Horní a spodní kroužky nejsou pevné, takže je můžeme připevnit na odpovídající kovové tyče.Pletené prototypy se rozplétají snadněji než běžné pleteniny díky vyšší tuhosti AMF ve srovnání s konvenčními přízí.Proto jsme smyčky sousedních řad svázali tenkými elastickými šňůrami.
Různé inteligentní textilní prototypy jsou implementovány s různými konfiguracemi AMF.(A) Pletené prostěradlo vyrobené ze tří AMF.(B) Obousměrně tkaný list dvou AMF.(C) Jednosměrně tkaný list vyrobený z AMF a akrylové příze unese zatížení 500 g, což je 192násobek jeho hmotnosti (2,6 g).(D) Radiálně se rozšiřující struktura s jedním AMF a bavlněnou přízí jako radiálním omezením.Podrobné specifikace naleznete v sekci Metody.
Přestože se klikaté smyčky úpletu mohou natahovat různými směry, náš prototyp pleteniny se pod tlakem roztahuje především ve směru smyčky kvůli omezení ve směru jízdy.Prodloužení každého AMF přispívá k rozšíření celkové plochy pleteného listu.V závislosti na konkrétních požadavcích můžeme ovládat tři AMF nezávisle ze tří různých zdrojů tekutiny (obrázek 2A) nebo současně z jednoho zdroje tekutiny prostřednictvím rozdělovače tekutiny 1-to-3.Na Obr.2A ukazuje příklad pleteného prototypu, jehož počáteční plocha se zvětšila o 35 % při působení tlaku na tři AMP (1,2 MPa).Je pozoruhodné, že AMF dosahuje vysokého prodloužení nejméně o 250 % své původní délky49, takže se pletené prostěradla mohou natáhnout ještě více než současné verze.
Vytvořili jsme také dvousměrné pláty vazby vytvořené ze dvou AMF pomocí techniky plátnové vazby (obrázek 2B).Osnova a útek AMF jsou propleteny v pravém úhlu a tvoří jednoduchý křížový vzor.Náš prototyp vazby byl klasifikován jako vyvážená plátnová vazba, protože jak osnovní, tak útkové příze byly vyrobeny ze stejné velikosti příze (podrobnosti viz část Metody).Na rozdíl od běžných nití, které mohou tvořit ostré záhyby, vyžaduje aplikovaná AMF určitý poloměr ohybu při návratu k jiné niti vzoru tkaní.Proto tkané listy vyrobené z AMP mají nižší hustotu ve srovnání s konvenčními tkanými textiliemi.AMF-typ S (vnější průměr 1,49 mm) má minimální poloměr ohybu 1,5 mm.Například prototypová vazba, kterou představujeme v tomto článku, má vzor nití 7×7, kde je každý průsečík stabilizován uzlem tenkého elastického kordu.Pomocí stejné techniky tkaní můžete získat více pramenů.
Když odpovídající AMF přijme tlak tekutiny, tkaný arch rozšíří svou plochu ve směru osnovy nebo útku.Proto jsme řídili rozměry pletené vrstvy (délku a šířku) nezávislou změnou velikosti vstupního tlaku aplikovaného na dva AMP.Na Obr.2B ukazuje tkaný prototyp, který expandoval na 44 % své původní plochy při působení tlaku na jeden AMP (1,3 MPa).Při současném působení tlaku na dva AMF se plocha zvětšila o 108 %.
Také jsme vyrobili jednosměrně tkaný list z jednoho AMF s osnovními a akrylovými nitěmi jako útkem (obrázek 2C).AMF jsou uspořádány v sedmi klikatých řadách a nitě tyto řady AMF tkají dohromady, aby vytvořily obdélníkový list látky.Tento tkaný prototyp byl hustší než na obr. 2B, a to díky měkkým akrylovým nitím, které snadno vyplnily celý list.Protože jako osnovu používáme pouze jeden AMF, může se tkaný plát roztahovat směrem k osnově pouze pod tlakem.Obrázek 2C ukazuje příklad tkaného prototypu, jehož počáteční plocha se zvětšuje o 65 % se zvyšujícím se tlakem (1,3 MPa).Navíc tento pletený kousek (vážící 2,6 gramu) unese zátěž 500 gramů, což je 192násobek jeho hmotnosti.
Namísto uspořádání AMF do klikatého vzoru pro vytvoření pravoúhlého tkaného listu jsme vyrobili plochý spirálový tvar AMF, který byl poté radiálně omezen bavlněnou přízí, aby se vytvořil kruhový tkaný list (obrázek 2D).Vysoká tuhost AMF omezuje jeho vyplnění samotné centrální oblasti desky.Tato výplň však může být vyrobena z elastických přízí nebo elastických tkanin.Po přijetí hydraulického tlaku přemění AMP své podélné prodloužení na radiální expanzi listu.Rovněž stojí za zmínku, že jak vnější, tak vnitřní průměr spirálovitého tvaru jsou zvětšeny v důsledku radiálního omezení vláken.Obrázek 2D ukazuje, že při aplikovaném hydraulickém tlaku 1 MPa se tvar kulatého plechu roztáhne na 25 % své původní plochy.
Představujeme zde druhý přístup k výrobě chytrých textilií, kdy nalepíme AMF na plochý kus látky a překonfigurujeme jej z pasivní na aktivně řízenou strukturu.Konstrukční schéma pohonu ohýbání je na obr.3A, kde je AMP uprostřed přehnutý a přilepený k pruhu neroztažitelné látky (bavlněná mušelínová látka) pomocí oboustranné pásky jako lepidla.Po utěsnění může horní část AMF volně vyčnívat, zatímco spodní část je omezena páskou a tkaninou, což způsobuje, že se pás ohýbá směrem k tkanině.Libovolnou část aktuátoru ohybu můžeme kdekoli deaktivovat pouhým nalepením proužku pásky.Deaktivovaný segment se nemůže pohybovat a stává se pasivním segmentem.
Tkaniny se rekonfigurují nalepením AMF na tradiční látky.(A) Koncepce designu ohýbacího pohonu vyrobeného nalepením složeného AMF na neroztažnou tkaninu.(B) Ohnutí prototypu pohonu.(C) Rekonfigurace obdélníkového plátna na aktivního čtyřnohého robota.Neelastická látka: bavlněný žerzej.Strečová tkanina: polyester.Podrobné specifikace naleznete v sekci Metody.
Vyrobili jsme několik prototypů ohýbacích aktuátorů různých délek a natlakovali je hydraulikou pro vytvoření ohybového pohybu (obrázek 3B).Důležité je, že AMF lze rozložit v přímce nebo složit tak, aby vytvořilo více nití, a poté je přilepit na látku, aby se vytvořil ohýbací pohon s příslušným počtem nití.Také jsme převedli pasivní tkáňový list na aktivní tetrapodovou strukturu (obrázek 3C), kde jsme použili AMF ke směrování okrajů obdélníkové neroztažitelné tkáně (bavlněná mušelínová tkanina).AMP je k látce připevněn kouskem oboustranné pásky.Střed každé hrany je přelepen páskou, aby se stal pasivním, zatímco čtyři rohy zůstávají aktivní.Vrchní potah ze strečové tkaniny (polyester) je volitelný.Čtyři rohy látky se při stlačení ohýbají (vypadají jako nohy).
Postavili jsme zkušební stolici pro kvantitativní studium vlastností vyvinutých chytrých textilií (viz část Metody a doplňkový obrázek S1).Protože všechny vzorky byly vyrobeny z AMF, obecný trend experimentálních výsledků (obr. 4) je v souladu s hlavními charakteristikami AMF, jmenovitě vstupní tlak je přímo úměrný výstupnímu prodloužení a nepřímo úměrný kompresní síle.Tyto chytré tkaniny však mají jedinečné vlastnosti, které odrážejí jejich specifické konfigurace.
Nabízí chytré textilní konfigurace.(A, B) Hysterezní křivky pro vstupní tlak a výstupní prodloužení a sílu pro tkané archy.(C) Rozšíření plochy tkaného listu.(D,E) Vztah mezi vstupním tlakem a výstupním prodloužením a silou pro pleteniny.(F) Plošné rozšíření radiálně se rozšiřujících konstrukcí.(G) Úhly ohybu tří různých délek ohýbacích pohonů.
Každý AMF tkaného archu byl vystaven vstupnímu tlaku 1 MPa pro vytvoření přibližně 30% prodloužení (obr. 4A).Tento práh jsme zvolili pro celý experiment z několika důvodů: (1) abychom vytvořili významné prodloužení (přibližně 30 %), abychom zdůraznili jejich hysterezní křivky, (2) abychom zabránili cyklování z různých experimentů a opakovaně použitelných prototypů, které by vedly k náhodnému poškození nebo selhání..pod vysokým tlakem kapaliny.Mrtvá zóna je jasně viditelná a oplet zůstane nehybný, dokud vstupní tlak nedosáhne 0,3 MPa.Graf hystereze tlakového prodloužení ukazuje velkou mezeru mezi fázemi čerpání a uvolňování, což naznačuje, že dochází k významné ztrátě energie, když tkaná vrstva změní svůj pohyb z roztahování na smršťování.(Obr. 4A).Po dosažení vstupního tlaku 1 MPa mohla tkaná fólie vyvinout kontrakční sílu 5,6 N (obr. 4B).Graf hystereze tlak-síla také ukazuje, že křivka resetování se téměř překrývá s křivkou nárůstu tlaku.Plošná expanze tkané fólie závisela na velikosti tlaku aplikovaného na každý ze dvou AMF, jak je znázorněno na 3D grafu povrchu (obrázek 4C).Experimenty také ukazují, že tkaný list může produkovat plošnou expanzi o 66 %, když jsou jeho osnovní a útkové AMF současně vystaveny hydraulickému tlaku 1 MPa.
Experimentální výsledky pro pletený list ukazují podobný vzor jako u tkaného listu, včetně široké hysterezní mezery v diagramu tah-tlak a překrývajících se křivek tlak-síla.Pletený list vykazoval prodloužení o 30 %, po kterém byla stlačovací síla 9 N při vstupním tlaku 1 MPa (obr. 4D, E).
V případě kruhového tkaného plátu se jeho počáteční plocha zvýšila o 25 % ve srovnání s počáteční plochou po vystavení tlaku kapaliny 1 MPa (obr. 4F).Než se vzorek začne roztahovat, existuje velká mrtvá zóna vstupního tlaku až 0,7 MPa.Tato velká mrtvá zóna byla očekávána, protože vzorky byly vyrobeny z větších AMF, které vyžadovaly vyšší tlaky k překonání jejich počátečního napětí.Na Obr.4F také ukazuje, že křivka uvolňování se téměř shoduje s křivkou nárůstu tlaku, což ukazuje na malou ztrátu energie při přepnutí pohybu disku.
Experimentální výsledky pro tři ohýbací aktuátory (rekonfigurace tkáně) ukazují, že jejich hysterezní křivky mají podobný vzor (obrázek 4G), kde před zvednutím zažívají mrtvou zónu vstupního tlaku až 0,2 MPa.Na tři ohýbací pohony (L20, L30 a L50 mm) jsme nanesli stejný objem kapaliny (0,035 ml).Každý aktuátor však zaznamenal různé tlakové špičky a vyvinul různé úhly ohybu.Pohony L20 a L30 mm vykazovaly vstupní tlak 0,72 a 0,67 MPa, přičemž dosáhly úhlů ohybu 167° a 194° v tomto pořadí.Nejdelší ohýbací pohon (délka 50 mm) odolal tlaku 0,61 MPa a dosáhl maximálního úhlu ohybu 236°.Grafy hystereze úhlu tlaku také odhalily poměrně velké mezery mezi křivkami natlakování a uvolnění pro všechny tři ohybové pohony.
Vztah mezi vstupním objemem a výstupními vlastnostmi (prodloužení, síla, plošná expanze, úhel ohybu) pro výše uvedené inteligentní textilní konfigurace lze nalézt na doplňkovém obrázku S2.
Experimentální výsledky v předchozí části jasně demonstrují proporcionální vztah mezi aplikovaným vstupním tlakem a výstupním prodloužením vzorků AMF.Čím silněji je AMB namáhána, tím větší prodloužení se vyvíjí a tím více elastické energie akumuluje.Čím větší je tedy tlaková síla, kterou vyvíjí.Výsledky také ukázaly, že vzorky dosáhly své maximální kompresní síly, když byl vstupní tlak zcela odstraněn.Tato část si klade za cíl stanovit přímý vztah mezi prodloužením a maximální smršťovací silou pletených a tkaných listů pomocí analytického modelování a experimentálního ověření.
Maximální kontrakční síla Fout (při vstupním tlaku P = 0) jednoho AMF byla uvedena v odkazu 49 a znovu zavedena následovně:
Mezi nimi jsou α, E a A0 faktor roztažení, Youngův modul a plocha průřezu silikonové trubice;k je koeficient tuhosti spirálové cívky;x a li jsou posunutí a počáteční délka.AMP, resp.
správnou rovnici.(1) Jako příklad vezměte pletené a tkané prostěradla (obr. 5A, B).Smršťovací síly pleteného výrobku Fkv a tkaného výrobku Fwh jsou vyjádřeny rovnicí (2), resp. (3).
kde mk je počet smyček, φp je úhel smyčky pleteniny při vstřikování (obr. 5A), mh je počet nití, θhp je úhel záběru pleteniny při vstřikování (obr. 5B), εkv εwh je pletený list a deformace tkaného listu, F0 je počáteční napětí spirálového svitku.Detailní odvození rovnice.(2) a (3) lze nalézt v podpůrných informacích.
Vytvořte analytický model pro vztah prodloužení-síla.(A,B) Analytické modelové ilustrace pro pletené a tkané prostěradla.(C,D) Porovnání analytických modelů a experimentálních dat pro pletené a tkané listy.RMSE střední kvadratická chyba.
Pro testování vyvinutého modelu jsme provedli prodlužovací experimenty s použitím pletených vzorů na obr. 2A a pletených vzorků na obr. 2B.Síla kontrakce byla měřena v 5% přírůstcích pro každé uzamčené prodloužení od 0 % do 50 %.Průměr a standardní odchylka pěti pokusů jsou uvedeny na obrázku 5C (úplet) a obrázku 5D (úplet).Křivky analytického modelu jsou popsány rovnicemi.Parametry (2) a (3) jsou uvedeny v tabulce.1. Výsledky ukazují, že analytický model je v dobré shodě s experimentálními daty v celém rozsahu prodloužení s průměrem kvadratické chyby (RMSE) 0,34 N pro pleteniny, 0,21 N pro tkané AMF H (horizontální směr) a 0,17 N pro tkané AMF .V (vertikální směr).
Kromě základních pohybů lze navrhované chytré textilie mechanicky naprogramovat tak, aby poskytovaly složitější pohyby, jako je S-ohyb, radiální kontrakce a 2D až 3D deformace.Představujeme zde několik metod pro programování plochých chytrých textilií do požadovaných struktur.
Kromě rozšíření domény v lineárním směru lze jednosměrně tkané pláty mechanicky naprogramovat tak, aby vytvářely multimodální pohyb (obr. 6A).Překonfigurujeme prodloužení pletené plachty jako ohybový pohyb, přičemž jednu z jejích ploch (horní nebo spodní) omezíme šicí nití.Listy mají tendenci se pod tlakem ohýbat směrem k ohraničujícímu povrchu.Na Obr.6A ukazuje dva příklady tkaných panelů, které se stávají tvaru S, když je jedna polovina stlačena na horní straně a druhá polovina je stlačena na spodní straně.Případně můžete vytvořit kruhový ohybový pohyb, kde je omezena pouze celá plocha.Jednosměrně opletený list může být také vyroben do kompresního pouzdra spojením jeho dvou konců do trubkové struktury (obr. 6B).Rukáv se nosí přes ukazováček osoby, aby poskytl kompresi, což je forma masážní terapie pro zmírnění bolesti nebo zlepšení krevního oběhu.Lze jej upravit tak, aby se vešel na jiné části těla, jako jsou paže, boky a nohy.
Schopnost tkát listy v jednom směru.(A) Vytváření deformovatelných struktur díky programovatelnosti tvaru šicích nití.(B) Stlačovací manžeta na prsty.(C) Další verze pletené plachty a její implementace jako kompresní návlek na předloktí.(D) Další prototyp kompresního rukávu vyrobený z AMF typu M, akrylové příze a pásků na suchý zip.Podrobné specifikace naleznete v sekci Metody.
Obrázek 6C ukazuje další příklad jednosměrně tkaného archu vyrobeného z jediné AMF a bavlněné příze.Plech se může plošně roztáhnout o 45 % (při 1,2 MPa) nebo způsobit kruhový pohyb pod tlakem.Začlenili jsme také prostěradlo pro vytvoření kompresního návleku na předloktí připevněním magnetických pásků na konec prostěradla.Další prototyp kompresního návleku na předloktí je znázorněn na obr. 6D, ve kterém byly vyrobeny jednosměrné pletené listy z AMF typu M (viz Metody) a akrylových přízí pro vytvoření silnějších kompresních sil.Konce prostěradel jsme vybavili páskami na suchý zip pro snadné připevnění a pro různé velikosti rukou.
Technika omezení, která převádí lineární prodloužení na ohybový pohyb, je také použitelná pro obousměrně tkané plechy.Bavlněné nitě propleteme na jedné straně osnovních a útkových tkaných plátů, aby se neroztahovaly (obr. 7A).Když tedy dva AMF přijmou hydraulický tlak nezávisle na sobě, list podstoupí obousměrný ohybový pohyb za vzniku libovolné trojrozměrné struktury.V jiném přístupu používáme neroztažitelné příze k omezení jednoho směru obousměrně tkaných plátů (obrázek 7B).List tedy může provádět nezávislé ohybové a natahovací pohyby, když je odpovídající AMF pod tlakem.Na Obr.7B ukazuje příklad, ve kterém je obousměrně pletená plachta řízena tak, aby se ohýbala kolem dvou třetin lidského prstu a pak prodloužila svou délku, aby pokryla zbytek natahovacím pohybem.Obousměrný pohyb listů může být užitečný pro módní návrhářství nebo vývoj chytrého oblečení.
Obousměrně tkané prostěradlo, pletené prostěradlo a radiálně rozšiřitelné možnosti designu.(A) Obousměrně lepené obousměrné proutěné panely pro vytvoření obousměrného ohybu.(B) Jednosměrně omezené obousměrné proutěné panely vytvářejí ohyb a prodloužení.(C) Vysoce elastická pletená plachta, která se může přizpůsobit různému zakřivení povrchu a dokonce tvořit trubkové struktury.(D) vymezení středové linie radiálně se rozšiřující struktury tvořící hyperbolický parabolický tvar (bramborové lupínky).
Dvě sousední oka horní a spodní řady pleteného dílu jsme spojili šicí nití, aby se nerozmotávala (obr. 7C).Tkaná fólie je tedy plně flexibilní a dobře se přizpůsobuje různým povrchovým křivkám, jako je povrch kůže lidských rukou a paží.Trubkovou konstrukci (návlek) jsme vytvořili i spojením konců pleteného dílu ve směru jízdy.Rukáv dobře obepíná ukazováček osoby (obr. 7C).Sinusitost tkané látky poskytuje vynikající padnutí a deformovatelnost, což usnadňuje použití v chytrém nošení (rukavice, kompresní návleky), poskytuje pohodlí (přes fit) a terapeutický účinek (prostřednictvím komprese).
Kromě 2D radiální expanze ve více směrech lze kruhové tkané plechy také naprogramovat k vytvoření 3D struktur.Středovou linii kulatého copu jsme omezili akrylovou přízí, abychom narušili jeho rovnoměrnou radiální expanzi.Výsledkem je, že původní plochý tvar kulatého tkaného plátu byl po natlakování přeměněn na hyperbolický parabolický tvar (nebo bramborové lupínky) (obr. 7D).Tato schopnost měnit tvar by mohla být implementována jako zvedací mechanismus, optická čočka, mobilní robotické nohy nebo by mohla být užitečná v módním designu a bionických robotech.
Vyvinuli jsme jednoduchou techniku pro vytváření ohybových pohonů nalepením AMF na pruh nepružné tkaniny (obrázek 3).Tento koncept používáme k vytváření tvarově programovatelných vláken, kde můžeme strategicky rozmístit více aktivních a pasivních sekcí v jednom AMF a vytvořit tak požadované tvary.Vyrobili jsme a naprogramovali čtyři aktivní vlákna, která mohla změnit svůj tvar z přímého na písmeno (UNSW), když se zvýšil tlak (doplňkový obr. S4).Tato jednoduchá metoda umožňuje deformovatelnosti AMF přeměnit 1D čáry na 2D tvary a možná i 3D struktury.
V podobném přístupu jsme použili jeden AMF k rekonfiguraci kousku pasivní normální tkáně na aktivní tetrapod (obr. 8A).Koncepce směrování a programování jsou podobné jako na obrázku 3C.Místo obdélníkových prostěradel se však začaly používat látky se čtyřnohým vzorem (želva, bavlněný mušelín).Proto jsou nohy delší a konstrukci lze zvednout výše.Výška konstrukce se pod tlakem postupně zvyšuje, až jsou její nohy kolmé k zemi.Pokud bude vstupní tlak nadále stoupat, nohy se budou prohýbat dovnitř, čímž se sníží výška konstrukce.Tetrapodi mohou provádět lokomoci, pokud jsou jejich nohy vybaveny jednosměrnými vzory nebo používají více AMF se strategiemi manipulace s pohybem.Měkké lokomoční roboty jsou potřeba pro různé úkoly, včetně záchrany před požáry, zřícenými budovami nebo nebezpečným prostředím a roboty pro dodávání léků.
Tkanina je překonfigurována tak, aby vytvořila struktury měnící tvar.(A) Přilepte AMF k okraji pasivního plátu tkaniny a přeměňte jej na řiditelnou čtyřnohou konstrukci.(BD) Dva další příklady rekonfigurace tkání, přeměna pasivních motýlů a květin na aktivní.Nepružná látka: obyčejný bavlněný mušelín.
Využíváme také jednoduchosti a všestrannosti této techniky rekonfigurace tkáně zavedením dvou dalších bioinspirovaných struktur pro přetváření (obrázky 8B-D).Pomocí směrovatelného AMF jsou tyto tvarově deformovatelné struktury překonfigurovány z listů pasivní tkáně na aktivní a řiditelné struktury.Inspirováni motýlem monarchou jsme vytvořili transformující se motýlí strukturu pomocí kusu látky ve tvaru motýla (bavlněného mušelínu) a dlouhého kusu AMF přilepeného pod křídla.Když je AMF pod tlakem, křídla se složí.Stejně jako Monarch Butterfly, i Butterfly Robot mává levé a pravé křídlo stejným způsobem, protože obě jsou řízena AMF.Motýlí klapky jsou pouze pro výstavní účely.Nemůže létat jako Smart Bird (Festo Corp., USA).Vyrobili jsme také látkovou květinu (obrázek 8D) sestávající ze dvou vrstev po pěti okvětních lístcích.AMF jsme umístili pod každou vrstvu za vnější okraj okvětních lístků.Zpočátku jsou květy v plném květu se všemi okvětními lístky zcela otevřenými.Pod tlakem AMF způsobí ohybový pohyb okvětních lístků, což způsobí jejich uzavření.Dva AMF nezávisle řídí pohyb dvou vrstev, zatímco pět okvětních lístků jedné vrstvy se současně ohýbá.
Čas odeslání: 26. prosince 2022