Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Vertoon 'n karrousel van drie skyfies gelyktydig.Gebruik die Vorige en Volgende-knoppies om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg, of gebruik die skuifknoppies aan die einde om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg.
Die kombinasie van tekstiele en kunsmatige spiere om slim tekstiele te skep, trek baie aandag van beide die wetenskaplike en industriële gemeenskappe.Slim tekstiele bied baie voordele, insluitend aanpasbare gerief en 'n hoë mate van ooreenstemming met voorwerpe terwyl dit aktiewe aandrywing verskaf vir gewenste beweging en krag.Hierdie artikel bied 'n nuwe klas programmeerbare slim stowwe aan wat gemaak is met behulp van verskeie metodes van weef, weef en gom vloeistofgedrewe kunsmatige spiervesels.'n Wiskundige model is ontwikkel om die verhouding van die verlengingskrag van gebreide en geweefde tekstielplate te beskryf, en daarna is die geldigheid daarvan eksperimenteel getoets.Die nuwe "slim" tekstiel beskik oor hoë buigsaamheid, konformiteit en meganiese programmering, wat multi-modale bewegings- en vervormingsvermoëns vir 'n wyer reeks toepassings moontlik maak.Verskeie slim tekstielprototipes is geskep deur eksperimentele verifikasie, insluitend verskeie vormveranderinggevalle soos verlenging (tot 65%), area-uitbreiding (108%), radiale uitbreiding (25%) en buigbeweging.Die konsep van herkonfigurasie van passiewe tradisionele weefsels in aktiewe strukture vir biomimetiese vorming van strukture word ook ondersoek.Daar word verwag dat die voorgestelde slim tekstiele die ontwikkeling van slim draagbare items, haptiese stelsels, biomimetiese sagte robotte en draagbare elektronika sal fasiliteer.
Rigiede robotte is effektief wanneer hulle in gestruktureerde omgewings werk, maar het probleme met die onbekende konteks van veranderende omgewings, wat die gebruik daarvan in soek of verkenning beperk.Die natuur verras ons steeds met baie vindingryke strategieë om eksterne faktore en diversiteit te hanteer.Die ranke van klimplante voer byvoorbeeld multimodale bewegings uit, soos buig en spiraal, om 'n onbekende omgewing te verken op soek na 'n geskikte ondersteuning1.Die Venus-vlieëvanger (Dionaea muscipula) het sensitiewe hare op sy blare wat, wanneer dit geaktiveer word, in plek klik om prooi te vang2.In onlangse jare het die vervorming of vervorming van liggame van tweedimensionele (2D) oppervlaktes na driedimensionele (3D) vorms wat biologiese strukture naboots, 'n interessante navorsingsonderwerp geword3,4.Hierdie sagte robotkonfigurasies verander van vorm om by veranderende omgewings aan te pas, multimodale voortbeweging moontlik te maak en kragte toe te pas om meganiese werk uit te voer.Hul reikwydte het uitgebrei na 'n wye reeks robotikatoepassings, insluitend ontplooibare5, herkonfigureerbare en selfvourobotte6,7, biomediese toestelle8, voertuie9,10 en uitbreidbare elektronika11.
Baie navorsing is gedoen om programmeerbare plat plate te ontwikkel wat, wanneer dit geaktiveer word, omskep in komplekse driedimensionele strukture3.'n Eenvoudige idee vir die skep van vervormbare strukture is om lae van verskillende materiale te kombineer wat buig en plooi wanneer dit aan stimuli blootgestel word12,13.Janbaz et al.14 en Li et al.15 het hierdie konsep geïmplementeer om hitte-sensitiewe multimodale vervormbare robotte te skep.Origami-gebaseerde strukture wat stimulus-responsiewe elemente insluit, is gebruik om komplekse driedimensionele strukture te skep16,17,18.Geïnspireer deur die morfogenese van biologiese strukture, het Emmanuel et al.Vorm-vervormbare elastomere word geskep deur lugkanale binne 'n rubberoppervlak te organiseer wat onder druk in komplekse, arbitrêre driedimensionele vorms omskep.
Die integrasie van tekstiele of materiaal in vervormbare sagte robotte is nog 'n nuwe konsepprojek wat wydverspreide belangstelling gegenereer het.Tekstiele is sagte en elastiese materiale wat van gare gemaak word deur weeftegnieke soos brei, weef, vleg of knoopweef.Die wonderlike eienskappe van materiaal, insluitend buigsaamheid, pasvorm, elastisiteit en asemhaling, maak dit baie gewild in alles van klere tot mediese toepassings20.Daar is drie breë benaderings om tekstiel by robotika te inkorporeer21.Die eerste benadering is om die tekstiel as 'n passiewe rugsteun of basis vir ander komponente te gebruik.In hierdie geval bied passiewe tekstiele 'n gemaklike pasvorm vir die gebruiker wanneer stewige komponente (motors, sensors, kragtoevoer) gedra word.Die meeste sagte draagbare robotte of sagte eksoskelette val onder hierdie benadering.Byvoorbeeld, sagte draagbare eksoskelette vir loophulpmiddels 22 en elmbooghulpmiddels 23, 24, 25, sagte draagbare handskoene 26 vir hand- en vingerhulpmiddels, en bioniese sagte robotte 27.
Die tweede benadering is om tekstiele as passiewe en beperkte komponente van sagte robottoestelle te gebruik.Tekstielgebaseerde aktuators val in hierdie kategorie, waar die materiaal gewoonlik as 'n buitenste houer gebou word om die binneslang of kamer te bevat, wat 'n sagteveselversterkte aktuator vorm.Wanneer dit aan 'n eksterne pneumatiese of hidrouliese bron onderwerp word, ondergaan hierdie sagte aandrywers veranderinge in vorm, insluitend verlenging, buiging of draaiing, afhangende van hul oorspronklike samestelling en konfigurasie.Byvoorbeeld, Talman et al.Ortopediese enkelklere, bestaande uit 'n reeks materiaalsakke, is ingestel om plantarefleksie te vergemaklik om gang te herstel28.Tekstiellae met verskillende rekbaarheid kan gekombineer word om anisotropiese beweging 29 te skep.OmniSkins – sagte robotvelle gemaak van 'n verskeidenheid sagte aktueerders en substraatmateriale kan passiewe voorwerpe omskep in multifunksionele aktiewe robotte wat multi-modale bewegings en vervormings vir verskeie toepassings kan uitvoer.Zhu et al.het 'n vloeibare weefselspiervel31 ontwikkel wat verlenging, buiging en verskeie vervormingsbewegings kan genereer.Buckner et al.Integreer funksionele vesels in konvensionele weefsels om robotweefsels te skep met veelvuldige funksies soos aandrywing, waarneming en veranderlike styfheid32.Ander metodes in hierdie kategorie kan gevind word in hierdie vraestelle 21, 33, 34, 35.
'n Onlangse benadering om die voortreflike eienskappe van tekstiele in die veld van sagte robotika te benut, is om reaktiewe of stimulus-responsiewe filamente te gebruik om slim tekstiele te skep deur tradisionele tekstielvervaardigingsmetodes soos weef-, brei- en weefmetodes te gebruik21,36,37.Afhangende van die samestelling van die materiaal, veroorsaak reaktiewe garing 'n verandering in vorm wanneer dit aan elektriese, termiese of drukaksie onderwerp word, wat lei tot vervorming van die stof.In hierdie benadering, waar tradisionele tekstiele in 'n sagte robotstelsel geïntegreer word, vind die hervorming van die tekstiel plaas op die binneste laag (gare) eerder as die buitenste laag.As sodanig bied slim tekstiele uitstekende hantering in terme van multimodale beweging, programmeerbare vervorming, rekbaarheid en die vermoë om styfheid aan te pas.Byvoorbeeld, vormgeheue-legerings (SMA's) en vormgeheue-polimere (SMP's) kan in stowwe geïnkorporeer word om hul vorm aktief te beheer deur termiese stimulasie, soos hemming38, rimpelverwydering36,39, tasbare en tasbare terugvoer40,41, sowel as aanpasbare draagbare klere.toestelle 42.Die gebruik van termiese energie vir verhitting en verkoeling lei egter tot stadige reaksie en moeilike verkoeling en beheer.Meer onlangs het Hiramitsu et al.McKibben se fyn spiere43,44, pneumatiese kunsmatige spiere, word as kettinggarings gebruik om verskeie vorme van aktiewe tekstiele te skep deur die weefstruktuur te verander45.Alhoewel hierdie benadering hoë kragte verskaf, as gevolg van die aard van die McKibben-spier, is sy tempo van uitsetting beperk (< 50%) en kan klein grootte nie bereik word nie (deursnee < 0,9 mm).Boonop was dit moeilik om slim tekstielpatrone te vorm uit weefmetodes wat skerp hoeke vereis.Om 'n groter reeks slim tekstiele te vorm, het Maziz et al.Elektroaktiewe draagbare tekstiele is ontwikkel deur elektrosensitiewe polimeerdrade te brei en te weef46.
In onlangse jare het 'n nuwe tipe termosensitiewe kunsmatige spiere na vore gekom, saamgestel uit hoogs gedraaide, goedkoop polimeervesels47,48.Hierdie vesels is kommersieel beskikbaar en word maklik in weef of weef geïnkorporeer om bekostigbare slim klere te produseer.Ten spyte van die vooruitgang het hierdie nuwe hitte-sensitiewe tekstiele beperkte reaksietye as gevolg van die behoefte aan verhitting en verkoeling (bv. temperatuurbeheerde tekstiele) of die moeilikheid om komplekse gebreide en geweefde patrone te maak wat geprogrammeer kan word om die verlangde vervormings en bewegings te genereer .Voorbeelde sluit in radiale uitbreiding, 2D na 3D vormtransformasie, of tweerigtinguitbreiding, wat ons hier aanbied.
Om hierdie bogenoemde probleme te oorkom, bied hierdie artikel 'n nuwe vloeistofgedrewe slim tekstiel aan wat gemaak is van ons onlangs bekend gestel sagte kunsmatige spiervesels (AMF) 49,50,51.AMF's is hoogs buigsaam, skaalbaar en kan verminder word tot 'n deursnee van 0.8 mm en groot lengtes (ten minste 5000 mm), wat 'n hoë aspekverhouding (lengte tot deursnee) bied, sowel as hoë verlenging (ten minste 245%), hoë energie doeltreffendheid, minder as 20Hz vinnige reaksie).Om slim tekstiele te skep, gebruik ons AMF as 'n aktiewe garing om 2D aktiewe spierlae te vorm deur middel van brei- en weeftegnieke.Ons het die uitsettingtempo en sametrekkingskrag van hierdie "slim" weefsels kwantitatief bestudeer in terme van vloeistofvolume en druk wat gelewer word.Analitiese modelle is ontwikkel om die verlengingskragverhouding vir gebreide en geweefde velle vas te stel.Ons beskryf ook verskeie meganiese programmeringstegnieke vir slim tekstiele vir multimodale beweging, insluitend tweerigtingverlenging, buiging, radiale uitsetting en die vermoë om van 2D na 3D oor te skakel.Om die sterkte van ons benadering te demonstreer, sal ons ook AMF in kommersiële stowwe of tekstiele integreer om hul konfigurasie te verander van passiewe na aktiewe strukture wat verskeie vervormings veroorsaak.Ons het ook hierdie konsep op verskeie eksperimentele toetsbanke gedemonstreer, insluitend programmeerbare buiging van drade om gewenste letters te produseer en vormverskuiwing van biologiese strukture in die vorm van voorwerpe soos skoenlappers, viervoetige strukture en blomme.
Tekstiele is buigsame tweedimensionele strukture wat gevorm word uit verweefde eendimensionele drade soos garings, drade en vesels.Tekstiel is een van die mensdom se oudste tegnologieë en word wyd gebruik in alle aspekte van die lewe vanweë sy gemak, aanpasbaarheid, asemhaling, estetika en beskerming.Slim tekstiele (ook bekend as slim klere of robotstowwe) word toenemend in navorsing gebruik vanweë hul groot potensiaal in robottoepassings20,52.Slim tekstiele beloof om die menslike ervaring van interaksie met sagte voorwerpe te verbeter, wat 'n paradigmaskuif in die veld inlui waar die beweging en kragte van dun, buigsame materiaal beheer kan word om spesifieke take uit te voer.In hierdie vraestel ondersoek ons twee benaderings tot die vervaardiging van slim tekstiele gebaseer op ons onlangse AMF49: (1) gebruik AMF as 'n aktiewe garing om slim tekstiele te skep deur tradisionele tekstielvervaardigingstegnologieë te gebruik;(2) plaas AMF direk in tradisionele materiaal om die verlangde beweging en vervorming te stimuleer.
Die AMF bestaan uit 'n interne silikoonbuis om hidrouliese krag te verskaf en 'n eksterne heliese spoel om sy radiale uitsetting te beperk.Dus, AMF's verleng in die lengte wanneer druk toegepas word en toon vervolgens kontraktiele kragte om terug te keer na hul oorspronklike lengte wanneer druk vrygestel word.Hulle het eienskappe soortgelyk aan tradisionele vesels, insluitend buigsaamheid, klein deursnee en lang lengte.Die AMF is egter meer aktief en beheer in terme van beweging en krag as sy konvensionele eweknieë.Geïnspireer deur onlangse vinnige vooruitgang in slim tekstiele, bied ons hier vier belangrike benaderings tot die vervaardiging van slim tekstiele deur AMF toe te pas op 'n lank gevestigde materiaalvervaardigingstegnologie (Figuur 1).
Die eerste manier is weef.Ons gebruik inslagbreitegnologie om 'n reaktiewe gebreide stof te produseer wat in een rigting ontvou wanneer dit hidroulies aangedryf word.Gebreide lakens is baie rekbaar en rekbaar, maar is geneig om makliker te ontrafel as geweefde lakens.Afhangende van die beheermetode kan AMF individuele rye of volledige produkte vorm.Benewens plat velle is buisvormige breipatrone ook geskik vir die vervaardiging van AMF-hol strukture.Die tweede metode is weef, waar ons twee AMF'e gebruik as skering en inslag om 'n reghoekige geweefde vel te vorm wat onafhanklik in twee rigtings kan uitsit.Geweefde lakens bied meer beheer (in beide rigtings) as gebreide lakens.Ons het ook AMF van tradisionele gare geweef om 'n eenvoudiger geweefde vel te maak wat net in een rigting afgewikkel kan word.Die derde metode - radiale uitbreiding - is 'n variant van die weeftegniek, waarin die AMP's nie in 'n reghoek geleë is nie, maar in 'n spiraal, en die drade radiale beperking bied.In hierdie geval brei die vlegsel radiaal uit onder die inlaatdruk.'n Vierde benadering is om die AMF op 'n vel passiewe materiaal vas te plak om 'n buigbeweging in die verlangde rigting te skep.Ons het die passiewe uitbreekbord herkonfigureer in 'n aktiewe uitbreekbord deur die AMF om sy rand te laat loop.Hierdie programmeerbare aard van AMF maak ontelbare moontlikhede oop vir bio-geïnspireerde vorm-transformerende sagte strukture waar ons passiewe voorwerpe in aktiewe kan verander.Hierdie metode is eenvoudig, maklik en vinnig, maar kan die lang lewe van die prototipe in gevaar stel.Die leser word verwys na ander benaderings in die literatuur wat die sterk- en swakpunte van elke weefseleienskap uiteensit21,33,34,35.
Die meeste drade of garings wat gebruik word om tradisionele materiaal te maak, bevat passiewe strukture.In hierdie werk gebruik ons ons voorheen ontwikkelde AMF, wat meterlengtes en submillimeter-diameters kan bereik, om tradisionele passiewe tekstielgarings met AFM te vervang om intelligente en aktiewe materiaal vir 'n wyer reeks toepassings te skep.Die volgende afdelings beskryf gedetailleerde metodes vir die maak van slim tekstielprototipes en bied hul hooffunksies en gedrag aan.
Ons het drie AMF-truie met die hand gemaak deur die inslagbrei-tegniek te gebruik (Fig. 2A).Materiaalkeuse en gedetailleerde spesifikasies vir AMF's en prototipes kan gevind word in die Metodes-afdeling.Elke AMF volg 'n kronkelpad (ook 'n roete genoem) wat 'n simmetriese lus vorm.Die lusse van elke ry word vasgemaak met lusse van die rye bo en onder hulle.Die ringe van een kolom loodreg op die loop word in 'n skag gekombineer.Ons gebreide prototipe bestaan uit drie rye van sewe steke (of sewe steke) in elke ry.Die boonste en onderste ringe is nie vas nie, so ons kan dit aan die ooreenstemmende metaalstawe heg.Gebreide prototipes het makliker as konvensionele gebreide materiaal ontrafel as gevolg van die hoër styfheid van AMF in vergelyking met konvensionele garings.Daarom het ons die lusse van aangrensende rye met dun elastiese toue vasgemaak.
Verskeie slim tekstielprototipes word met verskillende AMF-konfigurasies geïmplementeer.(A) Gebreide laken gemaak van drie AMF'e.(B) Tweerigting geweefde vel van twee AMF'e.(C) 'n Eenrigting geweefde vel gemaak van AMF en akrielgare kan 'n las van 500g dra, wat 192 keer sy gewig (2.6g) is.(D) Radiaal uitbreidende struktuur met een AMF en katoengare as radiale beperking.Gedetailleerde spesifikasies kan gevind word in die metodes afdeling.
Alhoewel die sigsag-lusse van 'n breiwerk in verskillende rigtings kan strek, brei ons prototipe breiwerk hoofsaaklik uit in die rigting van die lus onder druk as gevolg van beperkings in die reisrigting.Die verlenging van elke AMF dra by tot die uitbreiding van die totale oppervlakte van die gebreide laken.Afhangende van spesifieke vereistes, kan ons drie AMF's onafhanklik beheer vanaf drie verskillende vloeistofbronne (Figuur 2A) of gelyktydig vanaf een vloeistofbron via 'n 1-tot-3 vloeistofverspreider.Op fig.2A toon 'n voorbeeld van 'n gebreide prototipe, waarvan die aanvanklike oppervlakte met 35% toegeneem het terwyl druk op drie AMP's (1,2 MPa) toegepas word.Opmerklik, AMF bereik 'n hoë verlenging van ten minste 250% van sy oorspronklike lengte49 sodat gebreide velle selfs meer as huidige weergawes kan strek.
Ons het ook tweerigting-weefvelle geskep wat uit twee AMF's gevorm is deur die gewone weeftegniek te gebruik (Figuur 2B).AMF-sketting en inslag is reghoekig verweef en vorm 'n eenvoudige kruispatroon.Ons prototipe weef is as 'n gebalanseerde gewone weef geklassifiseer omdat beide die ketting- en inslaggare van dieselfde garinggrootte gemaak is (sien Metodes-afdeling vir besonderhede).Anders as gewone drade wat skerp voue kan vorm, vereis die toegepaste AMF 'n sekere buigradius wanneer teruggekeer word na 'n ander draad van die weefpatroon.Daarom het geweefde velle gemaak van AMP 'n laer digtheid in vergelyking met konvensionele geweefde tekstiele.AMF-tipe S (buitendeursnee 1,49 mm) het 'n minimum buigradius van 1,5 mm.Byvoorbeeld, die prototipe-weefsel wat ons in hierdie artikel aanbied, het 'n 7×7-draadpatroon waar elke kruising met 'n knoop dun elastiese koord gestabiliseer word.Deur dieselfde weeftegniek te gebruik, kan jy meer stringe kry.
Wanneer die ooreenstemmende AMF vloeistofdruk ontvang, brei die geweefde vel sy area uit in die ketting- of inslagrigting.Daarom het ons die afmetings van die gevlegte vel (lengte en breedte) beheer deur onafhanklik die hoeveelheid inlaatdruk wat op die twee AMP's toegepas word te verander.Op fig.2B toon 'n geweefde prototipe wat uitgebrei het tot 44% van sy oorspronklike area terwyl druk op een AMP (1.3 MPa) toegepas is.Met die gelyktydige werking van druk op twee AMF's het die oppervlakte met 108% toegeneem.
Ons het ook 'n eenrigting-geweefde vel gemaak van 'n enkele AMF met ketting- en akrielgarings as inslag (Figuur 2C).Die AMF's is in sewe sigsag-rye gerangskik en die drade weef hierdie rye AMF's saam om 'n reghoekige vel stof te vorm.Hierdie geweefde prototipe was digter as in Fig. 2B, danksy sagte akrieldrade wat die hele vel maklik gevul het.Omdat ons net een AMF as die skering gebruik, kan die geweefde vel slegs onder druk na die skering uitsit.Figuur 2C toon 'n voorbeeld van 'n geweefde prototipe waarvan die aanvanklike oppervlakte met 65% toeneem met toenemende druk (1.3 MPa).Boonop kan hierdie gevlegte stuk (wat 2,6 gram weeg) 'n vrag van 500 gram lig, wat 192 keer sy massa is.
In plaas daarvan om die AMF in 'n sigsagpatroon te rangskik om 'n reghoekige geweefde vel te skep, het ons 'n plat spiraalvorm van die AMF vervaardig, wat dan radiaal beperk is met katoengare om 'n ronde geweefde vel te skep (Figuur 2D).Die hoë styfheid van AMF beperk sy vulling van die baie sentrale gebied van die plaat.Hierdie vulling kan egter van elastiese garings of elastiese materiaal gemaak word.By ontvangs van hidrouliese druk verander die AMP sy lengteverlenging in 'n radiale uitbreiding van die plaat.Dit is ook opmerklik dat beide die buitenste en binneste diameters van die spiraalvorm verhoog word as gevolg van die radiale beperking van die filamente.Figuur 2D toon dat met 'n toegepaste hidrouliese druk van 1 MPa, die vorm van 'n ronde plaat uitbrei tot 25% van sy oorspronklike area.
Ons bied hier 'n tweede benadering tot die maak van slim tekstiele waar ons 'n AMF aan 'n plat stuk materiaal vasgom en dit herkonfigureer van 'n passiewe na 'n aktief beheerde struktuur.Die ontwerpdiagram van die buigaandrywing word in fig.3A, waar die AMP in die middel gevou word en aan 'n strook onrekbare materiaal (katoenmoeslyn-stof) vasgegom word met dubbelzijdige kleefband as 'n kleefmiddel.Sodra dit verseël is, is die bokant van die AMF vry om uit te brei, terwyl die onderkant deur die band en stof beperk word, wat veroorsaak dat die strook na die stof buig.Ons kan enige deel van die buigaktuator enige plek deaktiveer deur bloot 'n strook kleefband daarop te plak.'n Gedeaktiveerde segment kan nie beweeg nie en word 'n passiewe segment.
Weefsels word herkonfigureer deur AMF op tradisionele materiaal te plak.(A) Ontwerpkonsep vir 'n buigaandrywing wat gemaak word deur 'n gevoude AMF op 'n onrekbare materiaal vas te plak.(B) Buiging van die aandrywer prototipe.(C) Herkonfigurasie van 'n reghoekige lap in 'n aktiewe vierbeen-robot.Onelastiese materiaal: katoentrui.Rekstof: poliëster.Gedetailleerde spesifikasies kan gevind word in die metodes afdeling.
Ons het verskeie prototipe buigaktuators van verskillende lengtes gemaak en hulle met hidroulika onder druk geplaas om 'n buigbeweging te skep (Figuur 3B).Wat belangrik is, is dat die AMF in 'n reguit lyn uitgelê of gevou kan word om veelvuldige drade te vorm en dan aan materiaal vasgeplak kan word om 'n buigdryf met die toepaslike aantal drade te skep.Ons het ook die passiewe weefselvel omskep in 'n aktiewe vierpotige struktuur (Figuur 3C), waar ons AMF gebruik het om die grense van 'n reghoekige onrekbare weefsel (katoenmoeslyn-stof) te lei.AMP word met 'n stuk dubbelzijdige kleefband aan die stof vasgemaak.Die middel van elke rand is vasgeplak om passief te word, terwyl die vier hoeke aktief bly.Rekstof bobedekking (polyester) is opsioneel.Die vier hoeke van die stof buig (lyk soos bene) wanneer dit gedruk word.
Ons het 'n toetsbank gebou om die eienskappe van die ontwikkelde slim tekstiele kwantitatief te bestudeer (sien die Metodes-afdeling en Aanvullende Figuur S1).Aangesien alle monsters van AMF gemaak is, stem die algemene tendens van die eksperimentele resultate (Fig. 4) ooreen met die hoofkenmerke van AMF, naamlik die inlaatdruk is direk eweredig aan die uitlaatverlenging en omgekeerd eweredig aan die drukkrag.Hierdie slim stowwe het egter unieke eienskappe wat hul spesifieke konfigurasies weerspieël.
Beskik oor slim tekstielkonfigurasies.(A, B) Histerese kurwes vir inlaatdruk en uitlaat verlenging en krag vir geweefde velle.(C) Uitbreiding van die area van die geweefde vel.(D,E) Verwantskap tussen insetdruk en uitsetverlenging en krag vir breiwerk.(F) Area-uitbreiding van radiaal uitbreidende strukture.(G) Buighoeke van drie verskillende lengtes van buigaandrywings.
Elke AMF van die geweefde vel is aan 'n inlaatdruk van 1 MPa onderwerp om ongeveer 30% verlenging te genereer (Fig. 4A).Ons het hierdie drempel vir die hele eksperiment om verskeie redes gekies: (1) om 'n beduidende verlenging (ongeveer 30%) te skep om hul histeresekrommes te beklemtoon, (2) om fietsry van verskillende eksperimente en herbruikbare prototipes te voorkom wat lei tot toevallige skade of mislukking..onder hoë vloeistofdruk.Die dooie sone is duidelik sigbaar, en die vlegsel bly roerloos totdat die inlaatdruk 0,3 MPa bereik.Die drukverlengingshisterese-grafiek toon 'n groot gaping tussen die pomp- en vrystellingsfases, wat aandui dat daar 'n aansienlike verlies aan energie is wanneer die geweefde plaat sy beweging van uitsetting na sametrekking verander.(Fig. 4A).Nadat 'n inlaatdruk van 1 MPa verkry is, kon die geweefde plaat 'n sametrekkingskrag van 5.6 N uitoefen (Fig. 4B).Die druk-krag histerese plot toon ook dat die terugstel kurwe amper oorvleuel met die druk opbou kurwe.Die area-uitbreiding van die geweefde vel het afgehang van die hoeveelheid druk wat op elk van die twee AMF's toegepas is, soos getoon in die 3D oppervlak plot (Figuur 4C).Eksperimente toon ook dat 'n geweefde plaat 'n area-uitbreiding van 66% kan produseer wanneer sy skering en inslag AMF'e gelyktydig aan 'n hidrouliese druk van 1 MPa onderwerp word.
Die eksperimentele resultate vir die gebreide vel toon 'n soortgelyke patroon as die geweefde vel, insluitend 'n wye histerese gaping in die spanning-druk diagram en oorvleuelende druk-krag kurwes.Die gebreide plaat het 'n verlenging van 30% getoon, waarna die drukkrag 9 N was by 'n inlaatdruk van 1 MPa (Fig. 4D, E).
In die geval van 'n rondgeweefde vel, het die aanvanklike oppervlakte daarvan met 25% toegeneem in vergelyking met die aanvanklike area na blootstelling aan 'n vloeistofdruk van 1 MPa (Fig. 4F).Voordat die monster begin uitsit, is daar 'n groot inlaatdruk dooie sone tot 0,7 MPa.Hierdie groot dooie sone is verwag aangesien die monsters gemaak is van groter AMF's wat hoër druk vereis het om hul aanvanklike spanning te oorkom.Op fig.4F toon ook dat die vrystellingskromme amper saamval met die drukverhogingskromme, wat min energieverlies aandui wanneer die skyfbeweging geskakel word.
Eksperimentele resultate vir die drie buigaktuators (weefselherkonfigurasie) toon dat hul histerese-krommes 'n soortgelyke patroon het (Figuur 4G), waar hulle 'n inlaatdruk dooie sone van tot 0.2 MPa ervaar voordat hulle opgelig word.Ons het dieselfde volume vloeistof (0,035 ml) op drie buigaandrywers (L20, L30 en L50 mm) toegedien.Elke aktuator het egter verskillende drukpieke ervaar en verskillende buighoeke ontwikkel.Die L20- en L30 mm-aktuators het 'n inlaatdruk van 0.72 en 0.67 MPa ervaar, wat buighoeke van onderskeidelik 167° en 194° bereik het.Die langste buigaandrywing (lengte 50 mm) het 'n druk van 0,61 MPa weerstaan en 'n maksimum buighoek van 236° bereik.Die drukhoek histerese plotte het ook relatief groot gapings tussen die druk- en vrylatingskurwes vir al drie buigaandrywings geopenbaar.
Die verband tussen insetvolume en uitseteienskappe (verlenging, krag, area-uitbreiding, buighoek) vir die bogenoemde slim tekstielkonfigurasies kan gevind word in Aanvullende Figuur S2.
Die eksperimentele resultate in die vorige afdeling demonstreer duidelik die proporsionele verband tussen toegepaste inlaatdruk en uitlaat verlenging van AMF monsters.Hoe sterker die AMB gespanne word, hoe groter word die verlenging wat dit ontwikkel en hoe meer elastiese energie versamel dit.Dus, hoe groter die drukkrag wat dit uitoefen.Die resultate het ook getoon dat die monsters hul maksimum drukkrag bereik het toe die inlaatdruk heeltemal verwyder is.Hierdie afdeling het ten doel om 'n direkte verband te vestig tussen verlenging en maksimum krimpkrag van gebreide en geweefde velle deur analitiese modellering en eksperimentele verifikasie.
Die maksimum kontraktiele krag Fout (by inlaatdruk P = 0) van 'n enkele AMF is in ref 49 gegee en soos volg weer ingestel:
Onder hulle is α, E en A0 onderskeidelik die strekfaktor, Young se modulus en deursnee-area van die silikoonbuis;k is die styfheidskoëffisiënt van die spiraalspoel;x en li is verreken en aanvanklike lengte.AMP, onderskeidelik.
die regte vergelyking.(1) Neem gebreide en geweefde velle as 'n voorbeeld (Fig. 5A, B).Die krimpkragte van die gebreide produk Fkv en die geweefde produk Fwh word onderskeidelik deur vergelyking (2) en (3) uitgedruk.
waar mk die aantal lusse is, φp is die lushoek van die gebreide stof tydens inspuiting (Fig. 5A), mh is die aantal drade, θhp is die aangryphoek van die gebreide stof tydens inspuiting (Fig. 5B), εkv εwh is die gebreide plaat en die vervorming van die geweefde plaat, F0 is die aanvanklike spanning van die spiraalspoel.Gedetailleerde afleiding van die vergelyking.(2) en (3) kan in die ondersteunende inligting gevind word.
Skep 'n analitiese model vir die verlenging-krag-verhouding.(A,B) Analitiese modelillustrasies vir onderskeidelik gebreide en geweefde velle.(C,D) Vergelyking van analitiese modelle en eksperimentele data vir gebreide en geweefde velle.RMSE Wortel gemiddelde vierkante fout.
Om die ontwikkelde model te toets, het ons verlengingseksperimente uitgevoer met behulp van die gebreide patrone in Fig. 2A en gevlegde monsters in Fig. 2B.Sametrekkingskrag is gemeet in 5% inkremente vir elke geslote verlenging van 0% tot 50%.Die gemiddelde en standaardafwyking van die vyf proewe word in Figuur 5C (brei) en Figuur 5D (brei) aangebied.Die krommes van die analitiese model word deur vergelykings beskryf.Parameters (2) en (3) word in tabel gegee.1. Die resultate toon dat die analitiese model goed ooreenstem met die eksperimentele data oor die hele verlengingsreeks met 'n wortel gemiddelde kwadraatfout (RMSE) van 0.34 N vir breiwerk, 0.21 N vir geweefde AMF H (horisontale rigting) en 0.17 N vir geweefde AMF.V (vertikale rigting).
Benewens die basiese bewegings, kan die voorgestelde slim tekstiele meganies geprogrammeer word om meer komplekse bewegings soos S-buiging, radiale sametrekking en 2D tot 3D vervorming te verskaf.Ons bied hier verskeie metodes aan om plat slim tekstiele in gewenste strukture te programmeer.
Benewens die uitbreiding van die domein in die lineêre rigting, kan eenrigting geweefde velle meganies geprogrammeer word om multimodale beweging te skep (Fig. 6A).Ons herkonfigureer die verlenging van die gevlegte vel as 'n buigbeweging, wat een van sy gesigte (bo of onder) met naaldwerk beperk.Die velle is geneig om onder druk na die grensoppervlak te buig.Op fig.6A toon twee voorbeelde van geweefde panele wat S-vormig word wanneer die een helfte aan die bokant beknop is en die ander helfte aan die onderkant beknop.Alternatiewelik kan jy 'n sirkelvormige buigbeweging skep waar slegs die hele gesig ingeperk word.'n Eenrigting-gevlegde vel kan ook in 'n drukhuls gemaak word deur sy twee ente in 'n buisvormige struktuur te verbind (Fig. 6B).Die mou word oor 'n persoon se wysvinger gedra om kompressie te verskaf, 'n vorm van masseerterapie om pyn te verlig of sirkulasie te verbeter.Dit kan geskaal word om ander liggaamsdele soos arms, heupe en bene te pas.
Vermoë om lakens in een rigting te weef.(A) Skepping van vervormbare strukture as gevolg van die programmeerbaarheid van die vorm van naaldwerkdrade.(B) Vingerkompressie-huls.(C) Nog 'n weergawe van die gevlegte vel en die implementering daarvan as 'n onderarm kompressie mou.(D) Nog 'n kompressiemou-prototipe gemaak van AMF tipe M, akrielgare en klittenbandbande.Gedetailleerde spesifikasies kan gevind word in die metodes afdeling.
Figuur 6C toon nog 'n voorbeeld van 'n eenrigting geweefde vel gemaak van 'n enkele AMF en katoengare.Die plaat kan met 45% in oppervlakte uitsit (teen 1,2 MPa) of sirkelbeweging onder druk veroorsaak.Ons het ook 'n laken ingebou om 'n onderarm-kompressie-mou te skep deur magnetiese bande aan die einde van die laken te heg.Nog 'n prototipe onderarm kompressie mou word getoon in Fig. 6D, waarin eenrigting gevlegde velle gemaak is van Tipe M AMF (sien Metodes) en akriel garings om sterker kompressie kragte te genereer.Ons het die punte van die lakens toegerus met klittenbandbande vir maklike heg en vir verskillende handgroottes.
Die beperkingstegniek, wat lineêre verlenging in buigbeweging omskakel, is ook van toepassing op tweerigtinggeweefde velle.Ons weef die katoendrade aan die een kant van die skering en weef geweefde velle sodat hulle nie uitsit nie (Fig. 7A).Dus, wanneer twee AMF's hidrouliese druk onafhanklik van mekaar ontvang, ondergaan die plaat 'n tweerigting buigbeweging om 'n arbitrêre driedimensionele struktuur te vorm.In 'n ander benadering gebruik ons onrekbare garings om een rigting van tweerigting-geweefde velle te beperk (Figuur 7B).Die vel kan dus onafhanklike buig- en strekbewegings maak wanneer die ooreenstemmende AMF onder druk is.Op fig.7B toon 'n voorbeeld waarin 'n tweerigting-gevlegde vel beheer word om twee derdes van 'n menslike vinger met 'n buigbeweging om te draai en dan sy lengte uit te brei om die res met 'n strekbeweging te bedek.Die tweerigtingbeweging van lakens kan nuttig wees vir mode-ontwerp of slim klere-ontwikkeling.
Tweerigting geweefde laken, gebreide laken en radiaal uitbreidbare ontwerpvermoëns.(A) Tweerigting-gebonde tweerigting-rietpanele om 'n tweerigtingbuiging te skep.(B) Eenrigting-beperkte tweerigting-rietpanele produseer buiging en verlenging.(C) Hoogs elastiese gebreide plaat, wat aan verskillende oppervlakkrommings kan voldoen en selfs buisvormige strukture kan vorm.(D) afbakening van die middellyn van 'n radiaal uitbreidende struktuur wat 'n hiperboliese paraboliese vorm (aartappelskyfies) vorm.
Ons het twee aangrensende lusse van die boonste en onderste rye van die gebreide deel met naaldwerk verbind sodat dit nie sou uitrafel nie (Fig. 7C).Die geweefde laken is dus ten volle buigsaam en pas goed aan by verskeie oppervlakkurwes, soos die veloppervlak van menslike hande en arms.Ons het ook 'n buisvormige struktuur (mou) geskep deur die punte van die gebreide deel in die reisrigting te verbind.Die mou vou goed om die persoon se wysvinger (Fig. 7C).Die sinuositeit van die geweefde materiaal bied uitstekende pas en vervormbaarheid, wat dit maklik maak om in slim dra (handskoene, kompressiemoue) te gebruik, wat gerief (deur pasvorm) en terapeutiese effek (deur kompressie) bied.
Benewens 2D radiale uitbreiding in verskeie rigtings, kan sirkelvormige geweefde velle ook geprogrammeer word om 3D-strukture te vorm.Ons het die middellyn van die ronde vlegsel met akrielgare beperk om die eenvormige radiale uitsetting daarvan te ontwrig.As gevolg hiervan, is die oorspronklike plat vorm van die ronde geweefde vel na 'n hiperboliese paraboliese vorm (of aartappelskyfies) getransformeer na druk (Fig. 7D).Hierdie vormverskuiwingsvermoë kan geïmplementeer word as 'n hefmeganisme, 'n optiese lens, mobiele robotbene, of kan nuttig wees in modeontwerp en bioniese robotte.
Ons het 'n eenvoudige tegniek ontwikkel om buigaandrywings te skep deur AMF op 'n strook nie-rekbare materiaal te plak (Figuur 3).Ons gebruik hierdie konsep om vormprogrammeerbare drade te skep waar ons verskeie aktiewe en passiewe afdelings strategies in een AMF kan versprei om gewenste vorms te skep.Ons het vier aktiewe filamente vervaardig en geprogrammeer wat hul vorm van reguit na letter (UNSW) kon verander soos druk verhoog is (Aanvullende Fig. S4).Hierdie eenvoudige metode laat die vervormbaarheid van die AMF toe om 1D-lyne in 2D-vorms en moontlik selfs 3D-strukture te verander.
In 'n soortgelyke benadering het ons 'n enkele AMF gebruik om 'n stuk passiewe normale weefsel in 'n aktiewe tetrapod te herkonfigureer (Fig. 8A).Roetering en programmeringskonsepte is soortgelyk aan dié wat in Figuur 3C getoon word.In plaas van reghoekige lakens het hulle egter stowwe met 'n viervoetige patroon (skilpad, katoenmoeslyn) begin gebruik.Daarom is die bene langer en die struktuur kan hoër gelig word.Die hoogte van die struktuur neem geleidelik toe onder druk totdat sy bene loodreg op die grond is.As die inlaatdruk aanhou styg, sal die bene na binne sak, wat die hoogte van die struktuur verlaag.Vierpotiges kan voortbeweeg as hul bene toegerus is met eenrigtingpatrone of gebruik veelvuldige AMF's met bewegingsmanipulasiestrategieë.Sagte bewegingsrobotte word benodig vir 'n verskeidenheid take, insluitend reddings van veldbrande, ineengestorte geboue of gevaarlike omgewings, en mediese dwelmafleweringsrobotte.
Die stof is herkonfigureer om vormverskuiwingstrukture te skep.(A) Plak die AMF aan die rand van die passiewe stofvel vas en verander dit in 'n stuurbare vierbeenstruktuur.(BD) Twee ander voorbeelde van weefselherkonfigurasie, om passiewe skoenlappers en blomme in aktiewe te verander.Nie-rekbare stof: gewone katoenmosselien.
Ons trek ook voordeel uit die eenvoud en veelsydigheid van hierdie weefselherkonfigurasietegniek deur twee bykomende biogeïnspireerde strukture vir hervorming bekend te stel (Figure 8B-D).Met 'n roeteerbare AMF word hierdie vorm-vervormbare strukture herkonfigureer van velle passiewe weefsel na aktiewe en stuurbare strukture.Geïnspireer deur die monarg-vlinder, het ons 'n transformerende skoenlapperstruktuur gemaak deur 'n stuk vlindervormige materiaal (katoenmoeslyn) en 'n lang stuk AMF onder sy vlerke vas te sit.Wanneer die AMF onder druk is, vou die vlerke op.Soos die Monarch Butterfly, flap die Butterfly Robot se linker- en regtervlerke op dieselfde manier omdat hulle albei deur die AMF beheer word.Skoenlapperflappe is slegs vir vertoondoeleindes.Dit kan nie soos Smart Bird (Festo Corp., VSA) vlieg nie.Ons het ook 'n stofblom gemaak (Figuur 8D) wat bestaan uit twee lae van vyf blomblare elk.Ons het die AMF onder elke laag na die buitenste rand van die blomblare geplaas.Aanvanklik is die blomme in volle blom, met alle blomblare heeltemal oop.Onder druk veroorsaak die AMF 'n buigbeweging van die blomblare, wat veroorsaak dat hulle toemaak.Die twee AMF's beheer onafhanklik die beweging van die twee lae, terwyl die vyf kroonblare van een laag terselfdertyd buig.
Postyd: 26 Desember 2022