Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite dugmad Prethodno i Sljedeće da se krećete kroz tri slajda odjednom ili koristite dugmad klizača na kraju da se krećete kroz tri slajda odjednom.
Kombinacija tekstila i umjetnih mišića za stvaranje pametnog tekstila privlači veliku pažnju kako naučne tako i industrijske zajednice.Pametni tekstil nudi mnoge prednosti, uključujući prilagodljivu udobnost i visok stupanj usklađenosti s objektima, istovremeno pružajući aktivno aktiviranje za željeno kretanje i snagu.Ovaj članak predstavlja novu klasu programabilnih pametnih tkanina napravljenih korištenjem različitih metoda tkanja, tkanja i lijepljenja umjetnih mišićnih vlakana vođenih tekućinom.Razvijen je matematički model za opis omjera sile istezanja pletenih i tkanih tekstilnih limova, a zatim je eksperimentalno ispitana njegova valjanost.Novi „pametni“ tekstil odlikuje se velikom fleksibilnošću, konformalnošću i mehaničkim programiranjem, omogućavajući multimodalno kretanje i mogućnosti deformacije za širi spektar primjena.Eksperimentalnom verifikacijom stvoreni su različiti prototipovi pametnog tekstila, uključujući različite slučajeve promjene oblika kao što su izduženje (do 65%), proširenje površine (108%), radijalno širenje (25%) i kretanje savijanja.Također se istražuje koncept rekonfiguracije pasivnih tradicionalnih tkiva u aktivne strukture za biomimetičko oblikovanje struktura.Očekuje se da će predloženi pametni tekstil olakšati razvoj pametnih nosivih uređaja, haptičkih sistema, biomimetičkih mekih robota i nosive elektronike.
Kruti roboti su efikasni kada rade u strukturiranim okruženjima, ali imaju problema s nepoznatim kontekstom promjenjivog okruženja, što ograničava njihovu upotrebu u pretraživanju ili istraživanju.Priroda nas nastavlja iznenađivati mnogim inventivnim strategijama za suočavanje s vanjskim faktorima i različitostima.Na primjer, vitice biljaka penjačica izvode multimodalne pokrete, kao što su savijanje i spirale, kako bi istražili nepoznato okruženje u potrazi za odgovarajućim osloncem1.Venerina muholovka (Dionaea muscipula) ima osjetljive dlačice na listovima koje, kada se aktiviraju, škljocnu na svoje mjesto kako bi uhvatile plijen2.Posljednjih godina, deformacija ili deformacija tijela od dvodimenzionalnih (2D) površina do trodimenzionalnih (3D) oblika koji oponašaju biološke strukture postala je zanimljiva tema istraživanja3,4.Ove meke robotske konfiguracije mijenjaju oblik kako bi se prilagodile promjenjivim okruženjima, omogućavaju multimodalnu lokomociju i primjenjuju sile za obavljanje mehaničkog rada.Njihov domet se proširio na širok spektar robotskih aplikacija, uključujući razmjenjive5, rekonfigurabilne i samosklopive robote6,7, biomedicinske uređaje8, vozila9,10 i proširivu elektroniku11.
Urađeno je mnogo istraživanja kako bi se razvile programabilne ravne ploče koje se, kada se aktiviraju, pretvaraju u složene trodimenzionalne strukture3.Jednostavna ideja za stvaranje deformabilnih struktura je kombiniranje slojeva različitih materijala koji se savijaju i naboraju kada su izloženi podražajima12,13.Janbaz i dr.14 i Li et al.15 implementiralo je ovaj koncept za stvaranje multimodalnih deformabilnih robota osjetljivih na toplinu.Strukture zasnovane na origamiju koje uključuju elemente koji reaguju na stimulans korišteni su za stvaranje složenih trodimenzionalnih struktura16,17,18.Inspirisani morfogenezom bioloških struktura, Emmanuel et al.Elastomeri koji mogu deformirati oblik nastaju organiziranjem zračnih kanala unutar gumene površine koji se pod pritiskom pretvaraju u složene, proizvoljne trodimenzionalne oblike.
Integracija tekstila ili tkanina u deformabilne meke robote je još jedan novi koncept projekta koji je izazvao široko interesovanje.Tekstil su mekani i elastični materijali napravljeni od pređe tehnikama tkanja kao što su pletenje, tkanje, pletenje ili tkanje čvorova.Nevjerovatna svojstva tkanina, uključujući fleksibilnost, pristajanje, elastičnost i prozračnost, čine ih vrlo popularnim u svemu, od odjeće do medicinskih primjena20.Postoje tri široka pristupa uključivanju tekstila u robotiku21.Prvi pristup je korištenje tekstila kao pasivne podloge ili podloge za druge komponente.U ovom slučaju, pasivni tekstil pruža udobno pristajanje korisniku prilikom nošenja krutih komponenti (motori, senzori, napajanje).Većina mekih nosivih robota ili mekih egzoskeleta spada u ovaj pristup.Na primjer, mekani nosivi egzoskeleti za pomagala za hodanje 22 i pomagala za laktove 23, 24, 25, meke nosive rukavice 26 za pomagala za ruke i prste i bioničke meke robote 27.
Drugi pristup je korištenje tekstila kao pasivne i ograničene komponente mekih robotskih uređaja.Pokretači na bazi tekstila spadaju u ovu kategoriju, gdje je tkanina obično konstruirana kao vanjski kontejner koji sadrži unutarnje crijevo ili komoru, formirajući aktuator ojačan mekim vlaknima.Kada su izloženi vanjskom pneumatskom ili hidrauličnom izvoru, ovi mekani aktuatori prolaze kroz promjene u obliku, uključujući izduživanje, savijanje ili uvijanje, ovisno o njihovom originalnom sastavu i konfiguraciji.Na primjer, Talman et al.Ortopedska odjeća za gležnjeve, koja se sastoji od niza džepova od tkanine, uvedena je kako bi se olakšala plantarna fleksija kako bi se vratio hod28.Tekstilni slojevi različite rastezljivosti mogu se kombinovati kako bi se stvorilo anizotropno kretanje 29 .OmniSkins – meke robotske kože napravljene od raznih mekih pokretača i materijala supstrata mogu transformirati pasivne objekte u multifunkcionalne aktivne robote koji mogu izvoditi multimodalne pokrete i deformacije za različite primjene.Zhu et al.razvili su tekući mišićni list31 koji može generirati izduživanje, savijanje i različite pokrete deformacije.Buckner et al.Integrirajte funkcionalna vlakna u konvencionalna tkiva kako biste stvorili robotska tkiva s višestrukim funkcijama kao što su aktiviranje, senzor i varijabilna krutost32.Ostale metode u ovoj kategoriji mogu se naći u ovim radovima 21, 33, 34, 35.
Nedavni pristup iskorištavanju superiornih svojstava tekstila u području meke robotike je korištenje reaktivnih niti osjetljivih na stimulans za stvaranje pametnih tekstila koristeći tradicionalne metode proizvodnje tekstila kao što su metode tkanja, pletenja i tkanja21,36,37.U zavisnosti od sastava materijala, reaktivna pređa izaziva promjenu oblika kada je podvrgnuta električnom, termičkom ili pritisku, što dovodi do deformacije tkanine.U ovom pristupu, gdje je tradicionalni tekstil integriran u meki robotski sistem, preoblikovanje tekstila se događa na unutrašnjem sloju (pređi), a ne na vanjskom sloju.Kao takav, pametni tekstil nudi odlično rukovanje u smislu multimodalnog kretanja, programabilne deformacije, rastezljivosti i mogućnosti podešavanja krutosti.Na primjer, legure za pamćenje oblika (SMA) i polimeri sa memorijom oblika (SMP) mogu se ugraditi u tkanine kako bi aktivno kontrolirali njihov oblik kroz termičku stimulaciju, kao što je obrub38, uklanjanje bora36,39, taktilne i taktilne povratne informacije40,41, kao i prilagodljive odjeća koja se može nositi.uređaji 42 .Međutim, korištenje toplinske energije za grijanje i hlađenje rezultira sporim odzivom i otežanim hlađenjem i kontrolom.Nedavno su Hiramitsu et al.McKibbenovi fini mišići43,44, pneumatski umjetni mišići, koriste se kao osnove za stvaranje različitih oblika aktivnog tekstila promjenom strukture tkanja45.Iako ovaj pristup pruža velike sile, zbog prirode McKibben mišića, njegova brzina ekspanzije je ograničena (< 50%) i mala veličina se ne može postići (prečnik < 0,9 mm).Osim toga, bilo je teško formirati pametne tekstilne uzorke od metoda tkanja koje zahtijevaju oštre uglove.Kako bi formirali širi spektar pametnih tekstila, Maziz et al.Elektroaktivni nosivi tekstili razvijeni su pletenjem i tkanjem elektroosjetljivih polimernih niti46.
Poslednjih godina pojavio se novi tip termosenzitivnog veštačkog mišića, konstruisanog od visoko upletenih, jeftinih polimernih vlakana47,48.Ova vlakna su komercijalno dostupna i lako se uključuju u tkanje ili tkanje za proizvodnju pristupačne pametne odjeće.Unatoč napretku, ovi novi tekstili osjetljivi na toplinu imaju ograničeno vrijeme odziva zbog potrebe za grijanjem i hlađenjem (npr. tekstil s kontroliranom temperaturom) ili teškoće izrade složenih pletenih i tkanih uzoraka koji se mogu programirati da generiraju željene deformacije i pokrete. .Primjeri uključuju radijalnu ekspanziju, 2D u 3D transformaciju oblika ili dvosmjerno proširenje, koje nudimo ovdje.
Kako bi se prevladali ovi gore navedeni problemi, ovaj članak predstavlja novi pametni tekstil vođen tekućinom napravljen od naših nedavno predstavljenih mekih umjetnih mišićnih vlakana (AMF)49,50,51.AMF-ovi su vrlo fleksibilni, skalabilni i mogu se smanjiti na prečnik od 0,8 mm i velike dužine (najmanje 5000 mm), nudeći visok omjer stranica (dužina prema promjeru) kao i veliko izduženje (najmanje 245%), visoku energiju efikasnost, manji od 20Hz brzi odziv).Za kreiranje pametnog tekstila koristimo AMF kao aktivnu pređu za formiranje 2D aktivnih mišićnih slojeva kroz tehnike pletenja i tkanja.Kvantitativno smo proučavali brzinu ekspanzije i silu kontrakcije ovih „pametnih“ tkiva u smislu zapremine tečnosti i isporučenog pritiska.Razvijeni su analitički modeli za utvrđivanje odnosa sila istezanja za pletene i tkane limove.Također opisujemo nekoliko tehnika mehaničkog programiranja pametnih tekstila za multimodalno kretanje, uključujući dvosmjerno proširenje, savijanje, radijalno širenje i mogućnost prijelaza iz 2D u 3D.Kako bismo demonstrirali snagu našeg pristupa, također ćemo integrirati AMF u komercijalne tkanine ili tekstil kako bismo promijenili njihovu konfiguraciju iz pasivne u aktivne strukture koje uzrokuju različite deformacije.Ovaj koncept smo također demonstrirali na nekoliko eksperimentalnih testnih stolova, uključujući programabilno savijanje niti za proizvodnju željenih slova i bioloških struktura koje mijenjaju oblik u obliku objekata kao što su leptiri, četveronožne strukture i cvijeće.
Tekstil su fleksibilne dvodimenzionalne strukture formirane od isprepletenih jednodimenzionalnih niti kao što su pređe, niti i vlakna.Tekstil je jedna od najstarijih tehnologija čovječanstva i široko se koristi u svim aspektima života zbog svoje udobnosti, prilagodljivosti, prozračnosti, estetike i zaštite.Pametni tekstil (također poznat kao pametna odjeća ili robotske tkanine) se sve više koristi u istraživanjima zbog svog velikog potencijala u robotskim aplikacijama20,52.Pametni tekstil obećava da će poboljšati ljudsko iskustvo interakcije s mekim predmetima, uvodeći promjenu paradigme u polju gdje se kretanje i sile tanke, fleksibilne tkanine mogu kontrolirati za obavljanje specifičnih zadataka.U ovom radu istražujemo dva pristupa proizvodnji pametnog tekstila na osnovu našeg nedavnog AMF49: (1) koristiti AMF kao aktivnu pređu za stvaranje pametnog tekstila koristeći tradicionalne tehnologije proizvodnje tekstila;(2) umetnite AMF direktno u tradicionalne tkanine kako biste stimulirali željeno kretanje i deformaciju.
AMF se sastoji od unutrašnje silikonske cijevi za opskrbu hidrauličkom snagom i vanjskog spiralnog namotaja koji ograničava njegovo radijalno širenje.Dakle, AMF se produžavaju uzdužno kada se pritisak primeni i nakon toga ispoljavaju kontraktilne sile da se vrate na svoju prvobitnu dužinu kada se pritisak otpusti.Imaju svojstva slična tradicionalnim vlaknima, uključujući fleksibilnost, mali promjer i dugu dužinu.Međutim, AMF je aktivniji i kontroliraniji u smislu kretanja i snage od svojih konvencionalnih kolega.Inspirirani nedavnim brzim napretkom pametnog tekstila, ovdje predstavljamo četiri glavna pristupa proizvodnji pametnog tekstila primjenom AMF-a na davno uspostavljenu tehnologiju proizvodnje tkanina (Slika 1).
Prvi način je tkanje.Koristimo tehnologiju pletenja potkom za proizvodnju reaktivne pletene tkanine koja se odvija u jednom smjeru kada se hidraulički aktivira.Pletene čaršave su vrlo rastezljive i rastezljive, ali imaju tendenciju da se lakše odmotaju od tkanih.U zavisnosti od metode kontrole, AMF može formirati pojedinačne redove ili kompletne proizvode.Osim ravnih listova, za izradu AMF šupljih konstrukcija prikladni su i cjevasti uzorci pletenja.Druga metoda je tkanje, gdje koristimo dva AMF-a kao osnovu i potku za formiranje pravokutnog tkanog lima koji se može širiti nezavisno u dva smjera.Tkani čaršavi pružaju veću kontrolu (u oba smjera) od pletenih čaršava.Također smo tkali AMF od tradicionalnog prediva kako bismo napravili jednostavniji tkani lim koji se može odmotati samo u jednom smjeru.Treća metoda - radijalno širenje - je varijanta tehnike tkanja, u kojoj se AMP-ovi nalaze ne u pravokutniku, već u spirali, a niti pružaju radijalno ograničenje.U ovom slučaju, pletenica se radijalno širi pod ulaznim pritiskom.Četvrti pristup je da se AMF zalijepi na list pasivne tkanine kako bi se stvorio pokret savijanja u željenom smjeru.Rekonfigurisali smo pasivnu razvodnu ploču u aktivnu preklopnu ploču tako što smo AMF pokrenuli oko njene ivice.Ova programabilna priroda AMF-a otvara bezbroj mogućnosti za bio-inspirirane meke strukture koje transformiraju oblik gdje možemo pretvoriti pasivne objekte u aktivne.Ova metoda je jednostavna, laka i brza, ali može ugroziti dugovječnost prototipa.Čitalac se upućuje na druge pristupe u literaturi koji detaljno opisuju snage i slabosti svakog svojstva tkiva21,33,34,35.
Većina niti ili prediva koje se koriste za izradu tradicionalnih tkanina sadrže pasivne strukture.U ovom radu koristimo naš prethodno razvijeni AMF, koji može doseći metarske dužine i submilimetarske prečnike, da zamijenimo tradicionalnu pasivnu tekstilnu pređu AFM-om kako bismo stvorili inteligentne i aktivne tkanine za širi spektar primjena.Sljedeći odjeljci opisuju detaljne metode za izradu pametnih tekstilnih prototipova i predstavljaju njihove glavne funkcije i ponašanja.
Ručno smo izradili tri AMF dresa tehnikom pletenja potkom (Sl. 2A).Odabir materijala i detaljne specifikacije za AMF i prototipove mogu se naći u odjeljku Metode.Svaki AMF prati vijugavu putanju (koja se naziva i ruta) koja formira simetričnu petlju.Petlje svakog reda su učvršćene petljama redova iznad i ispod njih.Prstenovi jednog stupa okomitog na stazu spojeni su u osovinu.Naš pleteni prototip sastoji se od tri reda po sedam očica (ili sedam očica) u svakom redu.Gornji i donji prstenovi nisu fiksirani, tako da ih možemo pričvrstiti na odgovarajuće metalne šipke.Pleteni prototipovi su se lakše rasplitali od konvencionalnih pletenih tkanina zbog veće krutosti AMF-a u odnosu na konvencionalnu pređu.Stoga smo petlje susjednih redova vezali tankim elastičnim konopcima.
Različiti pametni tekstilni prototipovi se implementiraju s različitim AMF konfiguracijama.(A) Pleteni čaršav napravljen od tri AMF-a.(B) Dvosmjerna tkana ploča od dva AMF-a.(C) Jednosmjerna tkana ploča napravljena od AMF i akrilne pređe može podnijeti opterećenje od 500 g, što je 192 puta više od njegove težine (2,6 g).(D) Struktura koja se radijalno širi s jednim AMF i pamučnom pređom kao radijalnim ograničenjem.Detaljne specifikacije možete pronaći u odjeljku Metode.
Iako se cik-cak petlje pletiva mogu rastegnuti u različitim smjerovima, naš prototip pletiva širi se prvenstveno u smjeru petlje pod pritiskom zbog ograničenja u smjeru kretanja.Produljenje svakog AMF-a doprinosi proširenju ukupne površine pletenog lima.U zavisnosti od specifičnih zahteva, možemo kontrolisati tri AMF-a nezavisno iz tri različita izvora fluida (Slika 2A) ili istovremeno iz jednog izvora fluida preko 1-do-3 distributera fluida.Na sl.2A prikazuje primjer pletenog prototipa, čija se početna površina povećala za 35% uz primjenu pritiska na tri AMP (1,2 MPa).Značajno je da AMF postiže veliko izduženje od najmanje 250% svoje originalne dužine49 tako da se pleteni čaršavi mogu rastegnuti čak i više od trenutnih verzija.
Također smo kreirali dvosmjerne listove tkanja formirane od dva AMF-a koristeći tehniku običnog tkanja (slika 2B).AMF osnova i potka su isprepletene pod pravim uglom, formirajući jednostavnu ukrštenu šaru.Naš prototip tkanja je klasifikovan kao uravnoteženo platno tkanje jer su i prediva osnove i potke napravljene od iste veličine pređe (pogledajte odjeljak Metode za detalje).Za razliku od običnih niti koje mogu formirati oštre nabore, primijenjeni AMF zahtijeva određeni radijus savijanja kada se vraća na drugu nit uzorka tkanja.Zbog toga tkani limovi napravljeni od AMP-a imaju manju gustoću u poređenju sa konvencionalnim tkanim tekstilom.AMF-tip S (vanjski prečnik 1,49 mm) ima minimalni radijus savijanja od 1,5 mm.Na primjer, prototip tkanja koji predstavljamo u ovom članku ima uzorak niti 7×7 gdje je svaki presek stabiliziran čvorom tanke elastične vrpce.Koristeći istu tehniku tkanja, možete dobiti više pramenova.
Kada odgovarajući AMF primi pritisak fluida, tkani list širi svoju površinu u smjeru osnove ili potke.Stoga smo kontrolirali dimenzije pletenog lima (dužinu i širinu) nezavisnom promjenom količine ulaznog pritiska primijenjenog na dva AMP-a.Na sl.2B prikazuje tkani prototip koji se proširio na 44% svoje originalne površine dok je vršio pritisak na jedan AMP (1,3 MPa).Istodobnim djelovanjem pritiska na dva AMF-a, površina se povećala za 108%.
Također smo napravili jednosmjerni tkani lim od jednog AMF-a sa osnovom i akrilnim nitima kao potkom (slika 2C).AMF-ovi su raspoređeni u sedam cik-cak redova i niti isprepliću ove redove AMF-a zajedno da formiraju pravougaoni list tkanine.Ovaj tkani prototip bio je gušći nego na slici 2B, zahvaljujući mekim akrilnim nitima koje su lako ispunjavale cijeli list.Budući da koristimo samo jedan AMF kao osnovu, tkani lim se može samo pod pritiskom proširiti prema osnovi.Slika 2C prikazuje primjer tkanog prototipa čija se početna površina povećava za 65% s povećanjem pritiska (1,3 MPa).Osim toga, ovaj pleteni komad (težak 2,6 grama) može podići teret od 500 grama, što je 192 puta više od njegove mase.
Umjesto raspoređivanja AMF-a u cik-cak uzorku kako bismo stvorili pravokutni tkani lim, napravili smo ravni spiralni oblik AMF-a, koji je zatim radijalno ograničen pamučnom pređom kako bi se stvorio okrugli tkani lim (slika 2D).Visoka krutost AMF-a ograničava njegovo punjenje u samom središnjem dijelu ploče.Međutim, ova podstava može biti napravljena od elastične pređe ili elastične tkanine.Nakon primanja hidrauličkog pritiska, AMP pretvara svoje uzdužno izduženje u radijalno proširenje lima.Također je vrijedno napomenuti da su i vanjski i unutrašnji promjeri spiralnog oblika povećani zbog radijalnog ograničenja filamenata.Slika 2D pokazuje da se s primijenjenim hidrauličkim pritiskom od 1 MPa, oblik okruglog lima širi na 25% svoje prvobitne površine.
Ovdje predstavljamo drugi pristup izradi pametnog tekstila gdje lijepimo AMF na ravan komad tkanine i rekonfiguriramo ga iz pasivne u aktivno kontroliranu strukturu.Dijagram dizajna pogona za savijanje prikazan je na sl.3A, gdje je AMP presavijen po sredini i zalijepljen na traku nerastavljive tkanine (pamučna muslinska tkanina) pomoću dvostrane trake kao ljepila.Jednom zapečaćen, gornji dio AMF-a može se slobodno proširiti, dok je donji dio ograničen trakom i tkaninom, što uzrokuje savijanje trake prema tkanini.Možemo deaktivirati bilo koji dio aktuatora savijanja bilo gdje jednostavnim lijepljenjem trake trake na njega.Deaktivirani segment se ne može pomicati i postaje pasivni segment.
Tkanine se rekonfiguriraju lijepljenjem AMF-a na tradicionalne tkanine.(A) Koncept dizajna za pogon za savijanje napravljen lijepljenjem presavijenog AMF-a na nerastavljivu tkaninu.(B) Savijanje prototipa aktuatora.(C) Rekonfiguracija pravokutnog platna u aktivnog četveronožnog robota.Neelastična tkanina: pamučni dres.Rastezljiva tkanina: poliester.Detaljne specifikacije možete pronaći u odjeljku Metode.
Napravili smo nekoliko prototipa aktuatora za savijanje različitih dužina i stavili ih pod tlak hidraulikom kako bi stvorili pokret savijanja (slika 3B).Važno je da se AMF može položiti u pravu liniju ili presavijati da formira više niti, a zatim zalijepiti za tkaninu kako bi se stvorio pogon savijanja s odgovarajućim brojem niti.Također smo pretvorili pasivni sloj tkiva u aktivnu strukturu tetrapoda (slika 3C), gdje smo koristili AMF za usmjeravanje ivica pravokutnog nerastezljivog tkiva (pamučna muslinska tkanina).AMP se pričvršćuje na tkaninu komadom dvostrane trake.Sredina svake ivice je zalijepljena da postane pasivna, dok četiri ugla ostaju aktivna.Gornji poklopac od rastezljive tkanine (poliester) je opciono.Četiri ugla tkanine se savijaju (izgledaju kao noge) kada se pritisnu.
Napravili smo ispitni sto za kvantitativno proučavanje svojstava razvijenih pametnih tekstila (pogledajte odjeljak Metode i dodatnu sliku S1).Budući da su svi uzorci izrađeni od AMF-a, opći trend eksperimentalnih rezultata (slika 4) je u skladu s glavnim karakteristikama AMF-a, naime, ulazni tlak je direktno proporcionalan izlaznom izduženju i obrnuto proporcionalan sili kompresije.Međutim, ove pametne tkanine imaju jedinstvene karakteristike koje odražavaju njihove specifične konfiguracije.
Sadrži pametne tekstilne konfiguracije.(A, B) Histerezne krive za ulazni pritisak i izlazno izduženje i silu za tkane limove.(C) Proširenje površine tkanog lima.(D,E) Odnos između ulaznog pritiska i izlaznog izduženja i sile za trikotažu.(F) Proširenje površine radijalno širećih struktura.(G) Uglovi savijanja tri različite dužine pogona za savijanje.
Svaki AMF tkanog lima je bio podvrgnut ulaznom pritisku od 1 MPa da bi se stvorilo približno 30% istezanje (slika 4A).Odabrali smo ovaj prag za cijeli eksperiment iz nekoliko razloga: (1) da bismo stvorili značajno izduženje (otprilike 30%) kako bismo naglasili njihove krivulje histereze, (2) da bismo spriječili cikliranje iz različitih eksperimenata i prototipova za višekratnu upotrebu koji rezultiraju slučajnim oštećenjem ili kvarom..pod visokim pritiskom tečnosti.Mrtva zona je jasno vidljiva, a pletenica ostaje nepomična sve dok ulazni pritisak ne dostigne 0,3 MPa.Grafikon histereze izduženja pritiska pokazuje veliki jaz između faze pumpanja i otpuštanja, što ukazuje da postoji značajan gubitak energije kada tkani list mijenja svoje kretanje iz širenja u kontrakciju.(slika 4A).Nakon postizanja ulaznog pritiska od 1 MPa, tkani lim mogao bi ispoljiti silu kontrakcije od 5,6 N (slika 4B).Grafikon histereze pritiska i sile takođe pokazuje da se kriva resetovanja skoro preklapa sa krivom povećanja pritiska.Širenje površine tkanog lima ovisi o količini pritiska primijenjenog na svaki od dva AMF-a, kao što je prikazano na 3D prikazu površine (slika 4C).Eksperimenti također pokazuju da tkani lim može proizvesti proširenje površine od 66% kada su njegovi AMF-ovi osnove i potke istovremeno podvrgnuti hidrauličnom pritisku od 1 MPa.
Eksperimentalni rezultati za pleteni lim pokazuju sličan obrazac kao i tkani lim, uključujući široki histerezni jaz u dijagramu napetost-pritisak i preklapajuće krivulje pritisak-sila.Pleteni lim je pokazao istezanje od 30%, nakon čega je sila kompresije bila 9 N pri ulaznom tlaku od 1 MPa (slika 4D, E).
U slučaju okruglog tkanog lima, njegova početna površina se povećala za 25% u odnosu na početnu površinu nakon izlaganja tečnom pritisku od 1 MPa (slika 4F).Prije nego što uzorak počne da se širi, postoji velika mrtva zona ulaznog tlaka do 0,7 MPa.Ova velika mrtva zona je bila očekivana jer su uzorci napravljeni od većih AMF-ova koji su zahtijevali veće pritiske da bi se prevladalo njihovo početno naprezanje.Na sl.4F također pokazuje da se krivulja otpuštanja skoro poklapa sa krivom povećanja pritiska, što ukazuje na mali gubitak energije kada se pomjeranje diska promijeni.
Eksperimentalni rezultati za tri aktuatora savijanja (rekonfiguracija tkiva) pokazuju da njihove krivulje histereze imaju sličan obrazac (slika 4G), gdje doživljavaju mrtvu zonu ulaznog pritiska do 0,2 MPa prije podizanja.Istu zapreminu tečnosti (0,035 ml) naneli smo na tri pogona za savijanje (L20, L30 i L50 mm).Međutim, svaki aktuator je doživio različite vršne vrijednosti pritiska i razvio različite kutove savijanja.Aktuatori L20 i L30 mm imali su ulazni pritisak od 0,72 i 0,67 MPa, postižući uglove savijanja od 167° odnosno 194°.Najduži pogon savijanja (dužina 50 mm) izdržao je pritisak od 0,61 MPa i dostigao maksimalni ugao savijanja od 236°.Histereze ugla pritiska također su otkrile relativno velike praznine između krivulja pritiska i otpuštanja za sva tri pogona za savijanje.
Odnos između ulaznog volumena i izlaznih svojstava (izduženje, sila, proširenje površine, kut savijanja) za gore navedene pametne tekstilne konfiguracije može se naći na dodatnoj slici S2.
Eksperimentalni rezultati u prethodnom dijelu jasno pokazuju proporcionalni odnos između primijenjenog ulaznog pritiska i izlaznog izduženja AMF uzoraka.Što je AMB jače napregnut, to je veće izduženje koje razvija i elastičnija energija akumulira.Dakle, veća je tlačna sila koju vrši.Rezultati su također pokazali da su uzorci dostigli svoju maksimalnu tlačnu silu kada je ulazni tlak potpuno uklonjen.Ovaj dio ima za cilj da uspostavi direktnu vezu između istezanja i maksimalne sile skupljanja pletenih i tkanih limova kroz analitičko modeliranje i eksperimentalnu verifikaciju.
Maksimalna kontraktilna sila Fout (pri ulaznom pritisku P = 0) jednog AMF-a data je u ref. 49 i ponovo uvedena na sljedeći način:
Među njima, α, E i A0 su faktor rastezanja, Youngov modul i površina poprečnog presjeka silikonske cijevi, respektivno;k je koeficijent krutosti spiralnog namotaja;x i li su pomak i početna dužina.AMP, respektivno.
pravu jednačinu.(1) Uzmite pletene i tkane čaršave kao primjer (sl. 5A, B).Sile skupljanja pletenog proizvoda Fkv i tkanog proizvoda Fwh izražene su jednadžbom (2) i (3), respektivno.
gdje je mk broj petlji, φp je ugao petlje pletene tkanine tokom injektiranja (slika 5A), mh je broj niti, θhp je ugao zahvata pletene tkanine tokom injektiranja (slika 5B), εkv εwh je pleteni lim i deformacija tkanog lima, F0 je početna napetost spiralnog namota.Detaljno izvođenje jednačine.(2) i (3) mogu se naći u pratećim informacijama.
Kreirajte analitički model za odnos elongacije-sila.(A,B) Ilustracije analitičkog modela za pletene i tkane limove.(C,D) Poređenje analitičkih modela i eksperimentalnih podataka za pletene i tkane limove.RMSE srednja kvadratna greška.
Da bismo testirali razvijeni model, izveli smo eksperimente s izduženjem koristeći pletene uzorke na slici 2A i pletene uzorke na slici 2B.Sila kontrakcije je mjerena u koracima od 5% za svaki zaključani nastavak od 0% do 50%.Srednja vrijednost i standardna devijacija pet pokusa prikazani su na Slici 5C (pletivo) i Slici 5D (pleteno).Krivulje analitičkog modela su opisane jednadžbama.Parametri (2) i (3) su dati u tabeli.1. Rezultati pokazuju da se analitički model dobro slaže s eksperimentalnim podacima u cijelom rasponu istezanja uz srednju kvadratnu grešku (RMSE) od 0,34 N za trikotažu, 0,21 N za tkani AMF H (horizontalni smjer) i 0,17 N za tkani AMF.V (vertikalni smjer).
Pored osnovnih pokreta, predloženi pametni tekstili mogu se mehanički programirati da obezbede složenije pokrete kao što su S-savijanje, radijalna kontrakcija i 2D do 3D deformacije.Ovdje predstavljamo nekoliko metoda za programiranje ravnih pametnih tekstila u željene strukture.
Osim proširenja domena u linearnom smjeru, jednosmjerni tkani listovi mogu se mehanički programirati za stvaranje multimodalnog kretanja (slika 6A).Rekonfiguriramo produžetak pletenog lima kao pokret savijanja, ograničavajući jednu od njegovih strana (gornju ili donju) koncem za šivanje.Listovi se pod pritiskom savijaju prema graničnoj površini.Na sl.Na slici 6A prikazana su dva primjera tkanih panela koji postaju u obliku slova S kada je jedna polovica skučena na gornjoj strani, a druga polovina skučena na donjoj strani.Alternativno, možete kreirati kružni pokret savijanja gdje je ograničeno samo cijelo lice.Jednosmjerno pleteni lim se također može napraviti u kompresionu čauru spajanjem njegova dva kraja u cjevastu strukturu (slika 6B).Rukav se nosi preko kažiprsta osobe kako bi se osigurala kompresija, oblik terapije masaže za ublažavanje boli ili poboljšanje cirkulacije.Može se prilagoditi kako bi odgovarao drugim dijelovima tijela kao što su ruke, bokovi i noge.
Sposobnost tkanja limova u jednom smjeru.(A) Stvaranje deformabilnih struktura zbog programabilnosti oblika konca za šivenje.(B) Kompresijski rukav za prst.(C) Druga verzija pletenog lima i njegova implementacija kao kompresijski rukav za podlakticu.(D) Još jedan prototip kompresionog rukava napravljen od AMF tipa M, akrilne pređe i čičak traka.Detaljne specifikacije možete pronaći u odjeljku Metode.
Slika 6C prikazuje još jedan primjer jednosmjernog tkanog lima napravljenog od jedne AMF i pamučne pređe.List se može proširiti za 45% po površini (na 1,2 MPa) ili uzrokovati kružno kretanje pod pritiskom.Ugradili smo i lim za stvaranje kompresionog rukava za podlakticu tako što smo pričvrstili magnetne trake na kraj lista.Drugi prototip kompresijskog rukava za podlakticu prikazan je na slici 6D, na kojoj su jednosmjerno pleteni limovi napravljeni od tipa M AMF (pogledajte Metode) i akrilne pređe kako bi se stvorile jače sile kompresije.Opremili smo krajeve čaršava čičak trakama za jednostavno pričvršćivanje i za različite veličine ruku.
Tehnika ograničavanja, koja pretvara linearnu ekstenziju u kretanje savijanja, također je primjenjiva na dvosmjerne tkane ploče.Pamučne niti pletemo na jednoj strani tkanih listova osnove i potke tako da se ne šire (slika 7A).Dakle, kada dva AMF-a primaju hidraulički pritisak nezavisno jedan od drugog, lim podleže dvosmernom kretanju savijanja da bi se formirala proizvoljna trodimenzionalna struktura.U drugom pristupu, koristimo nerastavljivu pređu da ograničimo jedan smjer dvosmjernih tkanih listova (slika 7B).Dakle, lim može napraviti nezavisne pokrete savijanja i istezanja kada je odgovarajući AMF pod pritiskom.Na sl.7B prikazuje primjer u kojem se dvosmjerna pletena čaršava kontrolira tako da omota oko dvije trećine ljudskog prsta pokretom savijanja, a zatim produži svoju dužinu da pokrije ostatak pokretom istezanja.Dvosmjerno kretanje čaršava može biti korisno za modni dizajn ili razvoj pametne odjeće.
Dvosmjerni tkani lim, pleteni lim i mogućnosti dizajna radijalno proširivog.(A) Dvosmjerno vezane dvosmjerne pletene ploče za stvaranje dvosmjernog zavoja.(B) Jednosmjerno ograničene dvosmjerne pletene ploče proizvode savitljivost i izduženje.(C) Visokoelastična pletena ploča, koja se može prilagoditi različitim zakrivljenostima površine, pa čak i formirati cevaste strukture.(D) razgraničenje središnje linije radijalno šireće strukture koja formira hiperbolički parabolički oblik (čips).
Dvije susjedne petlje gornjeg i donjeg reda pletenog dijela spojili smo koncem za šivanje kako se ne bi raspleo (slika 7C).Tako je tkani lim potpuno fleksibilan i dobro se prilagođava različitim površinskim krivinama, kao što je površina kože ljudskih ruku i ruku.Napravili smo i cjevastu strukturu (čaura) spajanjem krajeva pletenog dijela u smjeru vožnje.Rukav dobro obavija kažiprst osobe (slika 7C).Vijugavost tkanog materijala pruža odlično pristajanje i deformabilnost, što ga čini lakim za upotrebu u pametnom nošenju (rukavice, kompresijski rukavi), pruža udobnost (kroz pristajanje) i terapeutski učinak (kroz kompresiju).
Osim 2D radijalnog širenja u više smjerova, kružni tkani listovi se također mogu programirati da formiraju 3D strukture.Ograničili smo središnju liniju okrugle pletenice akrilnom pređom kako bismo poremetili njeno ravnomjerno radijalno širenje.Kao rezultat toga, originalni ravni oblik okruglog tkanog lima transformiran je u hiperbolički parabolički oblik (ili čips od krumpira) nakon pritiska (slika 7D).Ova sposobnost promjene oblika mogla bi se implementirati kao mehanizam za podizanje, optičko sočivo, noge mobilnih robota ili bi mogla biti korisna u modnom dizajnu i bioničkim robotima.
Razvili smo jednostavnu tehniku za stvaranje savijajućih pogona lijepljenjem AMF-a na traku od ne rastegljive tkanine (slika 3).Koristimo ovaj koncept za kreiranje programabilnih niti u kojima možemo strateški rasporediti više aktivnih i pasivnih sekcija u jednom AMF-u kako bismo kreirali željene oblike.Izradili smo i programirali četiri aktivna filamenta koji su mogli promijeniti svoj oblik iz pravog u slovo (UNSW) kako je pritisak bio povećan (dopunska slika S4).Ova jednostavna metoda omogućava deformabilnost AMF-a da pretvori 1D linije u 2D oblike, pa čak i u 3D strukture.
U sličnom pristupu, koristili smo jedan AMF da rekonfigurišemo komad pasivnog normalnog tkiva u aktivni tetrapod (slika 8A).Koncepti usmjeravanja i programiranja su slični onima prikazanim na slici 3C.Međutim, umjesto pravokutnih čaršava, počeli su koristiti tkanine s četveronožnim uzorkom (kornjača, pamučni muslin).Stoga su noge duže i konstrukcija se može podići više.Visina konstrukcije postepeno se povećava pod pritiskom sve dok njene noge ne budu okomite na tlo.Ako ulazni pritisak nastavi da raste, noge će klonuti prema unutra, smanjujući visinu konstrukcije.Tetrapodi mogu izvoditi lokomociju ako su im noge opremljene jednosmjernim uzorcima ili koriste višestruke AMF sa strategijama manipulacije kretnjama.Roboti za meku lokomociju potrebni su za različite zadatke, uključujući spašavanje od šumskih požara, srušenih zgrada ili opasnih sredina, te robote za isporuku medicinskih lijekova.
Tkanina je rekonfigurirana kako bi se stvorile strukture koje mijenjaju oblik.(A) Zalijepite AMF na rub pasivnog platna, pretvarajući ga u upravljivu četveronožnu strukturu.(BD) Dva druga primjera rekonfiguracije tkiva, pretvaranje pasivnih leptira i cvijeća u aktivne.Ne rastegljiva tkanina: obični pamučni muslin.
Također koristimo jednostavnost i svestranost ove tehnike rekonfiguracije tkiva uvođenjem dvije dodatne bioinspirirane strukture za preoblikovanje (slike 8B-D).Sa AMF-om koji se može usmjeravati, ove strukture koje se mogu deformirati se rekonfiguriraju iz listova pasivnog tkiva u aktivne i upravljive strukture.Inspirisani leptirom monarhom, napravili smo strukturu leptira koja se transformiše koristeći komad tkanine u obliku leptira (pamučni muslin) i dugački komad AMF-a zabodenog ispod njegovih krila.Kada je AMF pod pritiskom, krila se sklapaju.Poput leptira Monarch, lijevo i desno krilo Butterfly robota mašu na isti način jer su oba kontrolirana od strane AMF-a.Leptir zaklopke su samo u svrhu prikaza.Ne može letjeti kao Smart Bird (Festo Corp., SAD).Napravili smo i cvijet od tkanine (slika 8D) koji se sastoji od dva sloja od po pet latica.AMF smo postavili ispod svakog sloja nakon vanjskog ruba latica.U početku su cvjetovi u punom cvatu, sa svim laticama potpuno otvorenim.Pod pritiskom, AMF uzrokuje savijanje latica, uzrokujući njihovo zatvaranje.Dva AMF-a nezavisno kontrolišu kretanje dva sloja, dok se pet latica jednog sloja savija u isto vreme.
Vrijeme objave: 26.12.2022