Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
Объединение текстиля и искусственных мышц для создания умного текстиля привлекает большое внимание как научного, так и промышленного сообщества.Умный текстиль предлагает множество преимуществ, в том числе адаптивный комфорт и высокую степень соответствия объектам, обеспечивая при этом активное приведение в действие для желаемого движения и силы.В этой статье представлен новый класс программируемых умных тканей, изготовленных с использованием различных методов плетения, плетения и склеивания искусственных мышечных волокон, приводимых в движение жидкостью.Была разработана математическая модель, описывающая соотношение сил растяжения трикотажных и тканых текстильных полотен, а затем ее справедливость проверена экспериментально.Новый «умный» текстиль отличается высокой гибкостью, конформностью и механическим программированием, что обеспечивает возможности мультимодального движения и деформации для более широкого спектра применений.Путем экспериментальной проверки были созданы различные прототипы умного текстиля, включая различные случаи изменения формы, такие как удлинение (до 65%), расширение площади (108%), радиальное расширение (25%) и изгибающее движение.Также исследуется концепция реконфигурации пассивных традиционных тканей в активные структуры для биомиметического формирования структур.Ожидается, что предлагаемый «умный текстиль» будет способствовать разработке «умных» носимых устройств, тактильных систем, биомиметических мягких роботов и носимой электроники.
Жесткие роботы эффективны при работе в структурированной среде, но имеют проблемы с неизвестным контекстом изменения среды, что ограничивает их использование в поиске или исследовании.Природа продолжает удивлять нас множеством изобретательных стратегий борьбы с внешними факторами и разнообразием.Например, усики вьющихся растений совершают мультимодальные движения, такие как изгибы и спирали, для исследования неизвестной среды в поисках подходящей опоры1.Венерина мухоловка (Dionaea muscipula) имеет на листьях чувствительные волоски, которые при срабатывании защелкиваются, чтобы поймать добычу2.В последние годы интересной темой исследований стала деформация или деформация тел из двумерных (2D) поверхностей в трехмерные (3D) формы, имитирующие биологические структуры3,4.Эти мягкие роботизированные конфигурации меняют форму, чтобы адаптироваться к изменяющейся среде, обеспечивают мультимодальное передвижение и применяют силы для выполнения механической работы.Их сфера действия распространилась на широкий спектр приложений робототехники, включая развертываемые5, реконфигурируемые и самоскладывающиеся роботы6,7, биомедицинские устройства8, транспортные средства9,10 и расширяемую электронику11.
Было проведено много исследований по разработке программируемых плоских пластин, которые при активации трансформируются в сложные трехмерные структуры3.Простая идея создания деформируемых структур состоит в том, чтобы объединить слои разных материалов, которые изгибаются и сморщиваются под воздействием раздражителей12,13.Джанбаз и др.14 и Ли и др.15 компаний реализовали эту концепцию для создания термочувствительных мультимодальных деформируемых роботов.Структуры на основе оригами, включающие элементы, реагирующие на стимулы, использовались для создания сложных трехмерных структур16,17,18.Вдохновленные морфогенезом биологических структур, Эммануэль и др.Эластомеры, деформирующие форму, создаются путем организации воздушных каналов внутри резиновой поверхности, которые под давлением трансформируются в сложные произвольные трехмерные формы.
Интеграция текстиля или тканей в деформируемых мягких роботов — еще один новый концептуальный проект, вызвавший широкий интерес.Текстиль — это мягкие и эластичные материалы, изготовленные из пряжи с помощью таких техник ткачества, как вязание, плетение, плетение или узловое плетение.Удивительные свойства тканей, в том числе гибкость, прилегание, эластичность и воздухопроницаемость, делают их очень популярными во всем: от одежды до медицинского применения20.Существует три основных подхода к включению текстиля в робототехнику21.Первый подход заключается в использовании текстиля в качестве пассивной подложки или основы для других компонентов.В этом случае пассивный текстиль обеспечивает удобную посадку пользователя при переноске жестких компонентов (двигателей, датчиков, блока питания).Под этот подход подпадает большинство мягких носимых роботов или мягких экзоскелетов.Например, мягкие носимые экзоскелеты для вспомогательных устройств для ходьбы 22 и локтевых устройств 23, 24, 25, мягкие носимые перчатки 26 для вспомогательных устройств для рук и пальцев и бионические мягкие роботы 27.
Второй подход заключается в использовании текстиля в качестве пассивных и ограниченных компонентов мягких роботизированных устройств.Приводы на текстильной основе попадают в эту категорию, где ткань обычно представляет собой внешний контейнер, содержащий внутренний шланг или камеру, образуя привод, армированный мягким волокном.Под воздействием внешнего пневматического или гидравлического источника эти мягкие приводы претерпевают изменения формы, включая удлинение, изгиб или скручивание, в зависимости от их исходного состава и конфигурации.Например, Талман и др.Ортопедическая одежда для голеностопного сустава, состоящая из ряда тканевых карманов, была внедрена для облегчения подошвенного сгибания и восстановления походки28.Слои текстиля с разной растяжимостью можно комбинировать для создания анизотропного движения 29 .OmniSkins – мягкие роботизированные шкуры, изготовленные из различных мягких приводов и материалов подложки, могут превращать пассивные объекты в многофункциональных активных роботов, способных выполнять мультимодальные движения и деформации для различных применений.Чжу и др.разработали мышечный лист жидкой ткани31, который может генерировать удлинение, изгиб и различные деформационные движения.Бакнер и др.Интегрируйте функциональные волокна в обычные ткани для создания роботизированных тканей с множеством функций, таких как приведение в действие, чувствительность и переменная жесткость32.Другие методы этой категории можно найти в статьях 21, 33, 34, 35.
Недавний подход к использованию превосходных свойств текстиля в области мягкой робототехники заключается в использовании реактивных или реагирующих на стимулы нитей для создания умного текстиля с использованием традиционных методов производства текстиля, таких как ткачество, вязание и ткачество21,36,37.В зависимости от состава материала реактивная пряжа вызывает изменение формы при электрическом, термическом или сжимающем воздействии, что приводит к деформации ткани.В этом подходе, когда традиционный текстиль интегрируется в мягкую роботизированную систему, изменение формы текстиля происходит на внутреннем слое (пряже), а не на внешнем слое.Таким образом, «умный текстиль» обеспечивает превосходную управляемость с точки зрения мультимодального движения, программируемой деформации, растяжимости и возможности регулировать жесткость.Например, сплавы с памятью формы (SMA) и полимеры с памятью формы (SMP) могут быть включены в ткани для активного контроля их формы посредством термической стимуляции, такой как подшивание38, удаление морщин36,39, тактильная и тактильная обратная связь40,41, а также адаптивная носибельная одежда.устройства 42 .Однако использование тепловой энергии для обогрева и охлаждения приводит к медленному реагированию и затруднению охлаждения и управления.Совсем недавно Хирамицу и др.Тонкие мышцы МакКиббена43,44, пневматические искусственные мышцы, используются в качестве нитей основы для создания различных форм активного текстиля путем изменения структуры переплетения45.Хотя этот подход обеспечивает высокие усилия, из-за особенностей мышцы МакКиббена скорость ее расширения ограничена (<50%) и малый размер не может быть достигнут (диаметр <0,9 мм).Кроме того, было трудно сформировать умные текстильные узоры с помощью методов плетения, требующих острых углов.Чтобы сформировать более широкий ассортимент умного текстиля, Мазиз и др.Электроактивный носимый текстиль был разработан путем вязания и плетения электрочувствительных полимерных нитей46.
В последние годы появился новый тип термочувствительных искусственных мышц, построенных из сильно скрученных недорогих полимерных волокон47,48.Эти волокна коммерчески доступны и их легко использовать в ткачестве или производстве доступной умной одежды.Несмотря на достижения, эти новые термочувствительные ткани имеют ограниченное время отклика из-за необходимости нагрева и охлаждения (например, ткани с контролируемой температурой) или сложности создания сложных трикотажных и тканых узоров, которые можно запрограммировать для создания желаемых деформаций и движений. .Примеры включают радиальное расширение, преобразование формы из 2D в 3D или двунаправленное расширение, которые мы предлагаем здесь.
Чтобы преодолеть вышеупомянутые проблемы, в этой статье представлен новый интеллектуальный текстиль с жидкостным приводом, изготовленный из недавно представленных мягких искусственных мышечных волокон (AMF)49,50,51.AMF обладают высокой гибкостью, масштабируемостью и могут быть уменьшены до диаметра 0,8 мм и большой длины (не менее 5000 мм), предлагая высокое соотношение сторон (длина к диаметру), а также высокое удлинение (не менее 245%), высокую энергию эффективность, быстрая реакция менее 20 Гц).Для создания умного текстиля мы используем AMF в качестве активной пряжи для формирования 2D-активных мышечных слоев с помощью техник вязания и ткачества.Мы количественно изучили скорость расширения и силу сжатия этих «умных» тканей с точки зрения объема жидкости и оказываемого давления.Были разработаны аналитические модели для установления соотношения сил растяжения трикотажных и тканых полотен.Мы также описываем несколько методов механического программирования интеллектуального текстиля для мультимодального движения, включая двунаправленное растяжение, изгиб, радиальное расширение и возможность перехода из 2D в 3D.Чтобы продемонстрировать силу нашего подхода, мы также будем интегрировать AMF в коммерческие ткани или текстиль, чтобы изменить их конфигурацию с пассивной на активную структуру, вызывающую различные деформации.Мы также продемонстрировали эту концепцию на нескольких экспериментальных испытательных стендах, включая программируемое изгибание нитей для создания желаемых букв и изменение формы биологических структур в форме таких объектов, как бабочки, четвероногие структуры и цветы.
Текстиль представляет собой гибкие двумерные структуры, образованные из переплетенных одномерных нитей, таких как пряжа, нити и волокна.Текстиль является одной из старейших технологий человечества и широко используется во всех аспектах жизни благодаря своему комфорту, адаптируемости, воздухопроницаемости, эстетике и защите.Умный текстиль (также известный как умная одежда или роботизированные ткани) все чаще используется в исследованиях из-за его большого потенциала в роботизированных приложениях20,52.Умный текстиль обещает улучшить человеческий опыт взаимодействия с мягкими предметами, открывая смену парадигмы в области, где движением и силами тонкой, гибкой ткани можно будет управлять для выполнения конкретных задач.В этой статье мы исследуем два подхода к производству умного текстиля на основе нашего недавнего исследования AMF49: (1) использовать AMF в качестве активной пряжи для создания умного текстиля с использованием традиционных технологий производства текстиля;(2) вставляйте AMF непосредственно в традиционные ткани, чтобы стимулировать желаемое движение и деформацию.
AMF состоит из внутренней силиконовой трубки для подачи гидравлической энергии и внешней спиральной катушки для ограничения ее радиального расширения.Таким образом, AMF удлиняются в продольном направлении при приложении давления и впоследствии проявляют сократительные силы, возвращаясь к своей первоначальной длине, когда давление прекращается.Они имеют свойства, аналогичные традиционным волокнам, включая гибкость, малый диаметр и большую длину.Однако AMF более активен и контролируем в плане движений и силы, чем его традиционные аналоги.Вдохновленные недавними стремительными достижениями в области умного текстиля, здесь мы представляем четыре основных подхода к производству умного текстиля путем применения AMF к давно зарекомендовавшей себя технологии производства тканей (рис. 1).
Первый способ – плетение.Мы используем технологию уточного вязания для производства реактивного трикотажного полотна, которое при гидравлическом приведении разворачивается в одном направлении.Трикотажные простыни очень эластичны и растягиваются, но их легче распутывать, чем тканые.В зависимости от метода управления АМФ может формировать отдельные ряды или комплектные изделия.Помимо плоских листов, для изготовления полых конструкций АМФ подходят и трубчатые схемы вязания.Второй метод — ткачество, при котором мы используем две AMF в качестве основы и утка для формирования прямоугольного тканого листа, который может независимо расширяться в двух направлениях.Тканые простыни обеспечивают больший контроль (в обоих направлениях), чем трикотажные.Мы также соткали AMF из традиционной пряжи, чтобы сделать более простой плетеный лист, который можно разматывать только в одном направлении.Третий способ – радиальное расширение – представляет собой вариант техники плетения, при котором УМП располагаются не прямоугольником, а спиралью, а нити обеспечивают радиальную сдержанность.В этом случае оплетка расширяется радиально под действием входного давления.Четвертый подход — наклеить AMF на лист пассивной ткани, чтобы создать изгибающее движение в желаемом направлении.Мы переконфигурировали пассивную коммутационную плату в активную коммутационную плату, проведя AMF по ее краю.Эта программируемая природа AMF открывает бесчисленные возможности для биологических мягких структур, трансформирующих форму, где мы можем превращать пассивные объекты в активные.Этот метод прост, легок и быстр, но может поставить под угрозу долговечность прототипа.Читатель отсылается к другим подходам в литературе, в которых подробно описаны сильные и слабые стороны каждого свойства ткани21,33,34,35.
Большинство нитей или пряжи, используемых для изготовления традиционных тканей, содержат пассивные структуры.В этой работе мы используем нашу ранее разработанную AMF, которая может достигать метровой длины и субмиллиметрового диаметра, чтобы заменить традиционные пассивные текстильные нити на AFM для создания интеллектуальных и активных тканей для более широкого спектра применений.В следующих разделах подробно описаны методы создания прототипов умных тканей и представлены их основные функции и поведение.
Мы вручную связали три трикотажа AMF, используя технику уточного вязания (рис. 2А).Выбор материалов и подробные характеристики АМФ и прототипов можно найти в разделе «Методы».Каждый AMF следует по извилистому пути (также называемому маршрутом), образующему симметричную петлю.Петли каждого ряда фиксируются петлями рядов выше и ниже них.Кольца одной колонны перпендикулярно ходу объединены в вал.Наш вязаный прототип состоит из трёх рядов по семь петель (или семь петель) в каждом ряду.Верхнее и нижнее кольца не закреплены, поэтому их можно прикрепить к соответствующим металлическим стержням.Трикотажные прототипы распутывались легче, чем обычные трикотажные полотна, из-за более высокой жесткости AMF по сравнению с обычными нитями.Поэтому петли соседних рядов мы провязывали тонкими эластичными шнурами.
Различные прототипы интеллектуального текстиля реализуются с различными конфигурациями AMF.(A) Трикотажное полотно, изготовленное из трех AMF.(B) Двунаправленный тканый лист из двух AMF.(C) Однонаправленный тканый лист, изготовленный из пряжи AMF и акрила, может выдержать нагрузку 500 г, что в 192 раза превышает его вес (2,6 г).(D) Радиально расширяющаяся структура с одним AMF и хлопчатобумажной пряжей в качестве радиального ограничения.Подробные характеристики можно найти в разделе «Методы».
Хотя зигзагообразные петли вязания могут растягиваться в разных направлениях, наш прототип вязания расширяется в основном в направлении петли под давлением из-за ограничений в направлении движения.Удлинение каждого АМФ способствует расширению общей площади вязаного полотна.В зависимости от конкретных требований мы можем управлять тремя AMF независимо от трех разных источников жидкости (рис. 2А) или одновременно от одного источника жидкости через распределитель жидкости 1-3.На рис.2А показан пример вязаного прототипа, начальная площадь которого увеличилась на 35% при приложении давления в три АМД (1,2 МПа).Примечательно, что AMF достигает высокого удлинения, составляющего не менее 250% от своей первоначальной длины49, поэтому трикотажные полотна могут растягиваться даже больше, чем нынешние версии.
Мы также создали листы двунаправленного переплетения, сформированные из двух AMF, используя технику полотняного переплетения (рис. 2B).Основа и уток AMF переплетаются под прямым углом, образуя простой узор крест-накрест.Наш прототип переплетения был классифицирован как сбалансированное полотняное переплетение, поскольку нити основы и утка были изготовлены из пряжи одного и того же размера (подробнее см. В разделе «Методы»).В отличие от обычных нитей, способных образовывать резкие складки, применяемая АМФ требует определенного радиуса изгиба при возврате к другой нити схемы плетения.Поэтому тканые полотна из AMP имеют меньшую плотность по сравнению с обычным тканым текстилем.Тип AMF S (наружный диаметр 1,49 мм) имеет минимальный радиус изгиба 1,5 мм.Например, прототип переплетения, который мы представляем в этой статье, имеет рисунок нитей 7×7, где каждое пересечение стабилизируется узлом из тонкого эластичного шнура.Используя ту же технику плетения, можно получить больше прядей.
Когда соответствующий AMF испытывает давление жидкости, тканый лист расширяет свою площадь в направлении основы или утка.Поэтому мы контролировали размеры плетеного листа (длину и ширину), независимо изменяя величину входного давления, приложенного к двум AMP.На рис.2B показан тканый прототип, который расширился до 44% от своей первоначальной площади при приложении давления в один AMP (1,3 МПа).При одновременном действии давления на два АМФ площадь увеличилась на 108%.
Мы также изготовили однонаправленный тканый лист из одного AMF с основой и акриловыми нитями в качестве утка (рис. 2C).AMF расположены в семь зигзагообразных рядов, и нити сплетают эти ряды AMF вместе, образуя прямоугольный лист ткани.Этот тканый прототип был плотнее, чем на рис. 2Б, благодаря мягким акриловым нитям, которые легко заполняли весь лист.Поскольку в качестве основы мы используем только одну AMF, тканый лист может расширяться в направлении основы только под давлением.На рисунке 2В показан пример тканого прототипа, начальная площадь которого увеличивается на 65% с увеличением давления (1,3 МПа).Кроме того, эта плетеная деталь (весом 2,6 грамма) способна поднять груз массой 500 грамм, что в 192 раза превышает ее массу.
Вместо того, чтобы располагать AMF зигзагообразным узором для создания прямоугольного тканого листа, мы изготовили плоскую спиральную форму AMF, которая затем была радиально закреплена хлопчатобумажной пряжей для создания круглого тканого листа (рис. 2D).Высокая жесткость АМФ ограничивает заполнение им самой центральной области пластины.Однако эта набивка может быть изготовлена из эластичной пряжи или эластичной ткани.Под действием гидравлического давления AMP преобразует свое продольное удлинение в радиальное расширение листа.Также стоит отметить, что как внешний, так и внутренний диаметры спиралевидной формы увеличены из-за радиального ограничения нитей.На рисунке 2D показано, что при приложенном гидравлическом давлении 1 МПа форма круглого листа расширяется до 25% от его первоначальной площади.
Здесь мы представляем второй подход к созданию умного текстиля, при котором мы приклеиваем AMF к плоскому куску ткани и переконфигурируем его из пассивной в активно контролируемую структуру.Принципиальная схема гибочного привода представлена на рис.3А, где AMP сложен посередине и приклеен к полоске нерастяжимой ткани (хлопкового муслина) с использованием двустороннего скотча в качестве клея.После запечатывания верхняя часть AMF может свободно расширяться, а нижняя часть ограничена лентой и тканью, в результате чего полоса изгибается по направлению к ткани.Мы можем деактивировать любую часть привода изгиба в любом месте, просто наклеив на нее полоску ленты.Деактивированный сегмент не может двигаться и становится пассивным сегментом.
Ткани переконфигурируются путем наклеивания AMF на традиционные ткани.(A) Концепция конструкции гибочного привода, изготовленного путем приклеивания сложенного AMF к нерастяжимой ткани.(B) Изгиб прототипа привода.(C) Реконфигурация прямоугольной ткани в активного четвероногого робота.Неэластичная ткань: хлопковый трикотаж.Эластичная ткань: полиэстер.Подробные характеристики можно найти в разделе «Методы».
Мы изготовили несколько прототипов гибочных приводов разной длины и создали в них давление с помощью гидравлики, чтобы создать изгибающее движение (рис. 3B).Важно отметить, что АМФ можно разложить по прямой линии или сложить в несколько нитей, а затем приклеить к ткани для создания привода изгиба с соответствующим количеством нитей.Мы также преобразовали лист пассивной ткани в активную структуру тетрапода (рис. 3C), где мы использовали AMF для трассировки границ прямоугольной нерастяжимой ткани (хлопчатобумажной муслиновой ткани).AMP крепится к ткани кусочком двустороннего скотча.Середина каждого края заклеена, чтобы стать пассивной, а четыре угла остаются активными.Верхняя крышка из эластичной ткани (полиэстер) не является обязательной.Четыре угла ткани прогибаются (выглядят как ножки) при нажатии.
Мы построили испытательный стенд для количественного изучения свойств разработанного умного текстиля (см. раздел «Методы» и дополнительный рисунок S1).Поскольку все образцы были изготовлены из АМЖ, общая тенденция результатов экспериментов (рис. 4) соответствует основным характеристикам АМЖ, а именно: входное давление прямо пропорционально выходному удлинению и обратно пропорционально силе сжатия.Однако эти «умные ткани» обладают уникальными характеристиками, отражающими их конкретные конфигурации.
Имеет интеллектуальную текстильную конфигурацию.(A, B) Кривые гистерезиса для давления на входе, удлинения и силы на выходе для тканых листов.(В) Расширение площади тканого листа.(D,E) Зависимость между входным давлением и выходным удлинением и силой для трикотажных изделий.(F) Расширение площади радиально расширяющихся структур.(G) Углы изгиба трех гибочных приводов различной длины.
Каждый AMF тканого листа подвергался давлению на входе 1 МПа для создания примерно 30% удлинения (рис. 4А).Мы выбрали этот порог для всего эксперимента по нескольким причинам: (1) чтобы создать значительное удлинение (около 30%), чтобы подчеркнуть кривые гистерезиса, (2) чтобы предотвратить циклическое использование различных экспериментов и многоразовых прототипов, приводящее к случайному повреждению или отказу..под высоким давлением жидкости.Мертвая зона хорошо видна, и оплетка остается неподвижной до тех пор, пока давление на входе не достигнет 0,3 МПа.График гистерезиса удлинения под давлением показывает большой разрыв между фазами нагнетания и выпуска, указывая на то, что происходит значительная потеря энергии, когда тканый лист меняет свое движение с расширения на сжатие.(рис. 4А).После достижения входного давления 1 МПа тканый лист мог оказывать силу сжатия 5,6 Н (рис. 4Б).График гистерезиса давление-сила также показывает, что кривая сброса практически перекрывается с кривой повышения давления.Расширение площади тканого листа зависело от величины давления, приложенного к каждому из двух AMF, как показано на трехмерном графике поверхности (рис. 4C).Эксперименты также показывают, что тканый лист может обеспечить расширение площади на 66%, когда его AMF основы и утка одновременно подвергаются гидравлическому давлению 1 МПа.
Экспериментальные результаты для трикотажного полотна демонстрируют сходную картину с тканым полотном, включая широкий гистерезисный разрыв на диаграмме растяжения-давления и перекрывающиеся кривые давления-силы.Трикотажное полотно показало удлинение 30 %, после чего сила сжатия составила 9 Н при входном давлении 1 МПа (рис. 4Г, Д).
В случае круглого тканого листа его начальная площадь увеличилась на 25% по сравнению с начальной площадью после воздействия давления жидкости 1 МПа (рис. 4F).Прежде чем образец начнет расширяться, существует большая мертвая зона входного давления до 0,7 МПа.Такая большая мертвая зона была ожидаемой, поскольку образцы были изготовлены из более крупных AMF, которым требовалось более высокое давление для преодоления первоначального напряжения.На рис.4F также показывает, что кривая отпускания почти совпадает с кривой увеличения давления, что указывает на небольшую потерю энергии при переключении движения диска.
Экспериментальные результаты для трех изгибающих приводов (реконфигурация ткани) показывают, что их кривые гистерезиса имеют аналогичную картину (рис. 4G), где перед подъемом они испытывают мертвую зону входного давления до 0,2 МПа.Одинаковый объем жидкости (0,035 мл) наносили на три гибочных привода (L20, L30 и L50 мм).Однако каждый привод испытывал разные пики давления и развивал разные углы изгиба.Приводы L20 и L30 мм испытывали входное давление 0,72 и 0,67 МПа, достигая углов изгиба 167° и 194° соответственно.Самый длинный гибочный привод (длина 50 мм) выдерживал давление 0,61 МПа и достигал максимального угла гибки 236°.Графики гистерезиса угла давления также выявили относительно большие разрывы между кривыми повышения давления и выпуска для всех трех приводов изгиба.
Взаимосвязь между входным объемом и выходными свойствами (удлинение, сила, расширение площади, угол изгиба) для вышеупомянутых конфигураций интеллектуального текстиля можно найти на дополнительном рисунке S2.
Результаты экспериментов в предыдущем разделе ясно демонстрируют пропорциональную зависимость между приложенным давлением на входе и удлинением на выходе образцов AMF.Чем сильнее деформируется АМБ, тем большее удлинение он развивает и тем больше упругой энергии накапливает.Следовательно, тем большую сжимающую силу он оказывает.Результаты также показали, что образцы достигли максимальной силы сжатия, когда давление на входе было полностью снято.Целью этого раздела является установление прямой зависимости между удлинением и максимальной силой усадки трикотажных и тканых полотен посредством аналитического моделирования и экспериментальной проверки.
Максимальная сократительная сила Fout (при входном давлении P = 0) одного AMF была указана в ссылке 49 и вновь введена следующим образом:
Среди них α, E и A0 — коэффициент растяжения, модуль Юнга и площадь поперечного сечения силиконовой трубки соответственно;k – коэффициент жесткости спирального витка;x и li — смещение и начальная длина.АМП соответственно.
правильное уравнение.(1) В качестве примера возьмем трикотажные и тканые листы (рис. 5А, Б).Силы усадки трикотажного изделия Fkv и тканого изделия Fwh выражаются уравнениями (2) и (3) соответственно.
где mk - количество петель, φp - угол зацепления трикотажного полотна при впрыске (рис. 5А), mh - количество нитей, θhp - угол зацепления трикотажного полотна при впрыске (рис. 5Б), εkv εwh – вязаное полотно и деформация тканого полотна, F0 – начальное натяжение спирального витка.Подробный вывод уравнения.(2) и (3) можно найти в вспомогательной информации.
Создайте аналитическую модель для соотношения силы удлинения.(A,B) Иллюстрации аналитических моделей для трикотажных и тканых листов соответственно.(C,D) Сравнение аналитических моделей и экспериментальных данных для трикотажных и тканых листов.RMSE Среднеквадратическая ошибка.
Для проверки разработанной модели мы провели эксперименты по удлинению с использованием вязаных узоров на рис. 2А и плетеных образцов на рис. 2Б.Силу сокращения измеряли с шагом 5% для каждого зафиксированного разгибания от 0% до 50%.Среднее и стандартное отклонение пяти испытаний представлены на рисунке 5C (вязание) и рисунке 5D (вязание).Кривые аналитической модели описываются уравнениями.Параметры (2) и (3) приведены в табл.1. Результаты показывают, что аналитическая модель хорошо согласуется с экспериментальными данными во всем диапазоне удлинения со среднеквадратической ошибкой (RMSE) 0,34 Н для трикотажа, 0,21 Н для тканого АМФ Н (горизонтальное направление) и 0,17 Н. для тканого АМФ.V (вертикальное направление).
В дополнение к базовым движениям предлагаемый «умный текстиль» можно механически запрограммировать для обеспечения более сложных движений, таких как S-образный изгиб, радиальное сжатие и деформация из 2D в 3D.Мы представляем здесь несколько методов программирования плоского умного текстиля в желаемые структуры.
Помимо расширения области в линейном направлении, однонаправленные тканые листы можно механически запрограммировать для создания мультимодального движения (рис. 6А).Растяжку плетеного полотна переконфигурируем на изгибающее движение, скрепив одну из его граней (верхнюю или нижнюю) швейной нитью.Листы имеют тенденцию изгибаться к ограничивающей поверхности под давлением.На рис.6А показаны два примера тканых панелей, которые приобретают S-образную форму, когда одна половина сжимается на верхней стороне, а другая половина сжимается на нижней стороне.В качестве альтернативы вы можете создать круговое изгибающее движение, при котором будет ограничено только все лицо.Однонаправленный плетеный лист также можно превратить в компрессионную втулку, соединив два его конца в трубчатую конструкцию (рис. 6Б).Рукав надевается на указательный палец человека, чтобы обеспечить компрессию, что является формой массажной терапии для облегчения боли или улучшения кровообращения.Его можно масштабировать, чтобы он соответствовал другим частям тела, таким как руки, бедра и ноги.
Возможность плетения листов в одном направлении.(А) Создание деформируемых конструкций за счет программируемости формы швейных ниток.(B) Манжета для сжатия пальцев.(C) Другая версия плетеного полотна и его реализация в качестве компрессионного рукава на предплечье.(D) Еще один прототип компрессионного рукава, изготовленный из AMF типа M, акриловой пряжи и лент на липучке.Подробные характеристики можно найти в разделе «Методы».
На рисунке 6C показан еще один пример однонаправленного тканого листа, изготовленного из одной пряжи AMF и хлопчатобумажной пряжи.Лист может расширяться на 45% по площади (при давлении 1,2 МПа) или вызывать круговые движения под давлением.Мы также включили лист для создания компрессионного рукава на предплечье, прикрепив магнитные ремни к концу листа.Другой прототип компрессионного рукава предплечья показан на рис. 6D, в котором однонаправленные плетеные листы были изготовлены из AMF типа M (см. «Методы») и акриловых нитей для создания более сильных сил сжатия.Мы оснастили концы простыней ремнями с липучками для удобства крепления и для рук разного размера.
Техника удержания, которая преобразует линейное растяжение в изгибающее движение, также применима к двунаправленным тканым листам.Вплетаем хлопчатобумажные нити с одной стороны листов основы и утка так, чтобы они не расширялись (рис. 7А).Таким образом, когда два AMF получают гидравлическое давление независимо друг от друга, лист подвергается двунаправленному изгибающему движению, образуя произвольную трехмерную структуру.В другом подходе мы используем нерастяжимую пряжу, чтобы ограничить одно направление двунаправленных тканых листов (рис. 7B).Таким образом, лист может совершать независимые движения изгиба и растяжения, когда соответствующий АМФ находится под давлением.На рис.7B показан пример, в котором двунаправленный плетеный лист управляется таким образом, чтобы он обертывал две трети человеческого пальца сгибающим движением, а затем удлинял его длину, чтобы покрыть остальную часть с помощью растягивающего движения.Двустороннее движение листов может быть полезно для дизайна одежды или разработки умной одежды.
Двунаправленный тканый лист, вязаный лист и возможности радиального расширения дизайна.(A) Двунаправленные плетеные панели, склеенные в двух направлениях, для создания двунаправленного изгиба.(B) Двунаправленные плетеные панели, закрепленные в одном направлении, обеспечивают изгиб и удлинение.(C) Высокоэластичное трикотажное полотно, которое может принимать различную кривизну поверхности и даже образовывать трубчатые структуры.(D) определение центральной линии радиально расширяющейся структуры, образующей гиперболическую параболическую форму (картофельные чипсы).
Две соседние петли верхнего и нижнего рядов вязаной детали соединили швейной нитью, чтобы она не распускалась (рис. 7В).Таким образом, тканый лист является полностью гибким и хорошо адаптируется к различным изгибам поверхности, например, к поверхности кожи рук и рук человека.Также мы создали трубчатую конструкцию (рукав), соединив концы вязаной детали по ходу движения.Рукав хорошо обхватывает указательный палец человека (рис. 7В).Извилистость тканого полотна обеспечивает превосходную посадку и деформируемость, что позволяет легко использовать его в спортивном ношении (перчатки, компрессионные рукава), обеспечивая комфорт (за счет прилегания) и терапевтический эффект (за счет сжатия).
Помимо двумерного радиального расширения в нескольких направлениях, круглые тканые листы также можно запрограммировать для формирования трехмерных структур.Мы ограничили центральную линию круглой косы акриловой пряжей, чтобы нарушить ее равномерное радиальное расширение.В результате исходная плоская форма круглого тканого листа после нагнетания давления трансформировалась в гиперболо-параболическую форму (или картофельные чипсы) (рис. 7D).Эта способность менять форму может быть реализована в виде подъемного механизма, оптической линзы, ног мобильного робота или может быть полезна в дизайне одежды и бионических роботах.
Мы разработали простую технику создания изгибных приводов путем наклеивания АМФ на полосу нерастягивающейся ткани (рис. 3).Мы используем эту концепцию для создания потоков, программируемых по форме, где мы можем стратегически распределять несколько активных и пассивных секций в одном AMF для создания желаемых форм.Мы изготовили и запрограммировали четыре активные нити, которые могли менять свою форму с прямой на буквенную (UNSW) при увеличении давления (дополнительный рисунок S4).Этот простой метод позволяет деформируемому AMF превращать 1D-линии в 2D-формы и, возможно, даже в 3D-структуры.
В аналогичном подходе мы использовали один AMF, чтобы реконфигурировать кусок пассивной нормальной ткани в активный четвероногий (рис. 8А).Концепции маршрутизации и программирования аналогичны показанным на рисунке 3C.Однако вместо прямоугольных листов стали использовать ткани с четвероногим рисунком (черепаха, хлопковый муслин).Следовательно, ножки длиннее и конструкцию можно поднять выше.Высота конструкции постепенно увеличивается под давлением, пока ее ножки не станут перпендикулярны земле.Если давление на входе продолжит расти, ножки провиснут внутрь, снизив высоту конструкции.Четвероногие могут осуществлять передвижение, если их ноги оснащены однонаправленными движениями или используют несколько AMF со стратегиями манипулирования движениями.Роботы с мягким передвижением необходимы для выполнения различных задач, включая спасение от лесных пожаров, обрушений зданий или опасных сред, а также роботов для доставки медицинских лекарств.
Ткань реконфигурируется для создания структур, меняющих форму.(А) Приклейте AMF к границе листа пассивной ткани, превратив его в управляемую четырехопорную конструкцию.(BD) Два других примера реконфигурации тканей, превращающих пассивных бабочек и цветов в активные.Неэластичная ткань: простой хлопковый муслин.
Мы также воспользовались преимуществами простоты и универсальности этого метода реконфигурации ткани, введя две дополнительные биостимулированные структуры для изменения формы (рис. 8B-D).С помощью маршрутизируемого AMF эти деформируемые по форме структуры реконфигурируются из листов пассивной ткани в активные и управляемые структуры.Вдохновленные бабочкой-монархом, мы сделали конструкцию бабочки-трансформера, используя кусок ткани в форме бабочки (хлопковый муслин) и длинный кусок АМФ, воткнутый под ее крылья.Когда AMF находится под давлением, крылья складываются вверх.Как и у бабочки-монарха, левое и правое крылья робота-бабочки машут одинаково, потому что оба они контролируются AMF.Дверцы-бабочки предназначены только для демонстрационных целей.Он не может летать как Smart Bird (Festo Corp., США).Мы также сделали тканевый цветок (рис. 8D), состоящий из двух слоев по пять лепестков в каждом.Мы поместили AMF под каждым слоем после внешнего края лепестков.Первоначально цветы полностью распустились, все лепестки полностью раскрыты.Под давлением AMF вызывает изгибающее движение лепестков, заставляя их закрываться.Два AMF независимо управляют движением двух слоев, при этом пять лепестков одного слоя изгибаются одновременно.
Время публикации: 26 декабря 2022 г.