Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува рингишпил од три слајдови одеднаш.Користете ги копчињата Previous и Next за да се движите низ три слајдови истовремено или користете ги копчињата за лизгање на крајот за да се движите низ три слајдови истовремено.
Комбинирањето на текстил и вештачки мускули за да се создаде паметен текстил привлекува големо внимание и кај научните и кај индустриските заедници.Паметните текстили нудат многу предности, вклучително и адаптивна удобност и висок степен на усогласеност со предметите, истовремено обезбедувајќи активно активирање за посакуваното движење и сила.Оваа статија претставува нова класа на програмабилни паметни ткаенини направени со различни методи на ткаење, ткаење и лепење на вештачки мускулни влакна управувани со течност.Беше развиен математички модел за да се опише односот на силата на издолжување на плетените и плетените текстилни листови, а потоа неговата валидност беше тестирана експериментално.Новиот „паметен“ текстил се одликува со висока флексибилност, конформалност и механичко програмирање, овозможувајќи мултимодални движења и способности за деформација за поширок опсег на апликации.Различни паметни текстилни прототипови се создадени преку експериментална верификација, вклучувајќи различни случаи на промена на формата, како што се издолжување (до 65%), проширување на површината (108%), радијално проширување (25%) и движење на свиткување.Концептот на реконфигурација на пасивни традиционални ткива во активни структури за биомиметички структури за обликување, исто така, се истражува.Се очекува предложениот паметен текстил да го олесни развојот на паметни уреди за носење, хаптички системи, биомиметички меки роботи и електроника што може да се носи.
Цврстите роботи се ефективни кога работат во структурирани средини, но имаат проблеми со непознатиот контекст на менување на средини, што ја ограничува нивната употреба при пребарување или истражување.Природата продолжува да не изненадува со многу инвентивни стратегии за справување со надворешни фактори и различности.На пример, ластарите на качувачките растенија вршат мултимодални движења, како што се виткање и спирално, за да истражат непозната средина во потрага по соодветна потпора1.Замката за мува Венера (Dionaea muscipula) има чувствителни влакна на листовите кои, кога ќе се активираат, се прилепуваат на своето место за да го фатат пленот2.Во последниве години, деформацијата или деформацијата на телата од дводимензионални (2D) површини во тридимензионални (3D) форми кои имитираат биолошки структури стана интересна истражувачка тема3,4.Овие меки роботски конфигурации го менуваат обликот за да се прилагодат на променливите средини, овозможуваат мултимодално движење и применуваат сили за извршување на механичка работа.Нивниот досег се прошири на широк опсег на апликации за роботика, вклучувајќи распоредливи5, реконфигурабилни и самопреклопливи роботи6,7, биомедицински уреди8, возила9,10 и електроника што може да се прошири11.
Многу истражувања се направени за да се развијат програмабилни рамни плочи кои, кога се активираат, се трансформираат во сложени тридимензионални структури3.Едноставна идеја за создавање на деформабилни структури е да се комбинираат слоеви од различни материјали кои се виткаат и збрчкаат кога се изложени на дразби12,13.Јанбаз и сор.14 и Ли и сор.15 го имплементираа овој концепт за да создадат мултимодални деформабилни роботи чувствителни на топлина.Структурите базирани на оригами кои вклучуваат елементи кои реагираат на стимул се користени за создавање сложени тридимензионални структури16,17,18.Инспириран од морфогенезата на биолошките структури, Емануел и сор.Еластомерите што се деформираат во форма се создаваат со организирање воздушни канали во гумена површина кои, под притисок, се трансформираат во сложени, произволни тридимензионални форми.
Интеграцијата на текстил или ткаенини во меки роботи што може да се деформираат е уште еден нов концепт проект кој предизвика широк интерес.Текстилот се меки и еластични материјали направени од предиво со техники на ткаење како што се плетење, ткаење, плетење или ткаење со јазли.Неверојатните својства на ткаенините, вклучително и флексибилноста, вклопувањето, еластичноста и дишењето, ги прават многу популарни во сè, од облека до медицински апликации20.Постојат три широки пристапи за инкорпорирање на текстилот во роботиката21.Првиот пристап е да се користи текстилот како пасивна подлога или основа за други компоненти.Во овој случај, пасивниот текстил обезбедува удобно вклопување за корисникот кога носи цврсти компоненти (мотори, сензори, напојување).Повеќето меки роботи за носење или меки егзоскелети спаѓаат во овој пристап.На пример, меки егзоскелети за носење за помагала за одење 22 и помагала за лактите 23, 24, 25, меки ракавици за носење 26 за помагала за раце и прсти и бионички меки роботи 27.
Вториот пристап е да се користи текстилот како пасивни и ограничени компоненти на меките роботски уреди.Активаторите базирани на текстил спаѓаат во оваа категорија, каде што ткаенината обично се конструира како надворешен контејнер за да го содржи внатрешното црево или комората, формирајќи мек погон зајакнат со влакна.Кога се подложени на надворешен пневматски или хидрауличен извор, овие меки актуатори претрпуваат промени во обликот, вклучувајќи издолжување, свиткување или извртување, во зависност од нивниот оригинален состав и конфигурација.На пример, Талман и сор.Воведена е ортопедска облека за глуждовите, која се состои од низа џебови од ткаенина, за да се олесни плантарната флексија за да се врати одењето28.Текстилните слоеви со различна растегливост може да се комбинираат за да се создаде анизотропно движење 29 .OmniSkins – меките роботски кожи направени од различни меки активирачи и материјали за подлога можат да ги трансформираат пасивните објекти во мултифункционални активни роботи кои можат да вршат мултимодални движења и деформации за различни апликации.Жу и сор.имаат развиено течно ткиво мускулен лист31 кој може да генерира издолжување, свиткување и различни движења на деформација.Бакнер и сор.Интегрирајте функционални влакна во конвенционалните ткива за да создадете роботски ткива со повеќе функции како што се активирање, сензор и променлива вкочанетост32.Други методи од оваа категорија може да се најдат во овие трудови 21, 33, 34, 35.
Неодамнешен пристап за искористување на супериорните својства на текстилот во полето на меката роботика е да се користат реактивни или стимулативни филаменти за да се создаде паметен текстил користејќи традиционални методи на производство на текстил, како што се методите на ткаење, плетење и ткаење21,36,37.Во зависност од составот на материјалот, реактивното предиво предизвикува промена во обликот кога е подложено на електрично, термичко или притисок дејство, што доведува до деформација на ткаенината.Во овој пристап, каде што традиционалниот текстил се интегрира во мек роботски систем, преобликувањето на текстилот се случува на внатрешниот слој (предиво) наместо на надворешниот слој.Како такви, паметните текстили нудат одлично ракување во смисла на мултимодално движење, програмабилна деформација, растегливост и способност за прилагодување на вкочанетоста.На пример, легурите за меморирање на обликот (SMAs) и полимерите за меморирање на обликот (SMPs) може да се вградат во ткаенините за активно да ја контролираат нивната форма преку термичка стимулација, како што се рабовите38, отстранувањето на брчките36,39, тактилни и тактилни повратни информации40,41, како и адаптивни облека за носење.уреди 42 .Сепак, употребата на топлинска енергија за греење и ладење резултира со бавна реакција и тешко ладење и контрола.Во поново време, Hiramitsu et al.Фините мускули на McKibben43,44, пневматски вештачки мускули, се користат како предива за искривување за да се создадат различни форми на активен текстил со промена на структурата на ткаењето45.Иако овој пристап обезбедува високи сили, поради природата на мускулот McKibben, неговата стапка на проширување е ограничена (< 50%) и не може да се постигне мала големина (дијаметар < 0,9 mm).Покрај тоа, беше тешко да се формираат паметни текстилни модели од методите на ткаење кои бараат остри агли.За да формираат поширок спектар на паметни текстили, Maziz et al.Електроактивен текстил што може да се носи е развиен со плетење и ткаење на електрочувствителни полимерни навои46.
Во последниве години, се појави нов тип на термочувствителен вештачки мускул, конструиран од високо извиткани, евтини полимерни влакна47,48.Овие влакна се комерцијално достапни и лесно се вградуваат во ткаењето или ткаењето за да се произведе паметна облека по прифатлива цена.И покрај напредокот, овие нови текстили чувствителни на топлина имаат ограничено време на одговор поради потребата за загревање и ладење (на пр. текстил со контролирана температура) или тешкотијата да се направат сложени плетени и ткаени обрасци кои можат да се програмираат за да ги генерираат саканите деформации и движења .Примерите вклучуваат радијално проширување, 2D во 3D трансформација на формата или двонасочно проширување, што ги нудиме овде.
За да се надминат овие гореспоменатите проблеми, овој напис претставува нов паметен текстил управуван со течност, направен од нашите неодамна воведени меки вештачки мускулни влакна (AMF)49,50,51.AMF се многу флексибилни, скалабилни и може да се намалат до дијаметар од 0,8 mm и големи должини (најмалку 5000 mm), нудејќи висок сооднос (должина до дијаметар), како и големо издолжување (најмалку 245%), висока енергија ефикасност, брз одговор помал од 20 Hz).За да создадеме паметен текстил, користиме AMF како активно предиво за да формираме 2D активни мускулни слоеви преку техники на плетење и ткаење.Ние квантитативно ги проучувавме стапката на експанзија и силата на контракција на овие „паметни“ ткива во однос на волуменот на течноста и испорачениот притисок.Развиени се аналитички модели за да се утврди односот на силата на издолжување за плетените и плетените листови.Опишуваме и неколку механички техники за програмирање за паметни текстили за мултимодално движење, вклучувајќи двонасочно продолжување, свиткување, радијално проширување и способност за премин од 2D во 3D.За да ја покажеме силата на нашиот пристап, ние исто така ќе го интегрираме AMF во комерцијални ткаенини или текстил за да ја промениме нивната конфигурација од пасивни во активни структури кои предизвикуваат различни деформации.Овој концепт го демонстриравме и на неколку експериментални тест клупи, вклучително и програмабилно свиткување на нишки за да се произведат саканите букви и биолошки структури што ја менуваат формата во облик на предмети како што се пеперутки, четириножни структури и цвеќиња.
Текстилот се флексибилни дводимензионални структури формирани од испреплетени еднодимензионални нишки како што се предива, нишки и влакна.Текстилот е една од најстарите технологии на човештвото и е широко користен во сите аспекти на животот поради неговата удобност, приспособливост, можност за дишење, естетика и заштита.Паметниот текстил (исто така познат како паметна облека или роботски ткаенини) се повеќе се користи во истражувањето поради нивниот голем потенцијал во роботските апликации20,52.Паметните текстили ветуваат дека ќе го подобрат човечкото искуство во интеракција со меки предмети, воведувајќи промена на парадигмата во полето каде што движењето и силите на тенка, флексибилна ткаенина може да се контролираат за извршување на специфични задачи.Во овој труд, истражуваме два пристапа за производство на паметни текстил врз основа на нашиот неодамнешен AMF49: (1) користете AMF како активно предиво за да создадете паметни текстил користејќи традиционални технологии за производство на текстил;(2) вметнете AMF директно во традиционалните ткаенини за да го стимулирате саканото движење и деформација.
AMF се состои од внатрешна силиконска цевка за снабдување со хидраулична енергија и надворешен спирален калем за ограничување на неговото радијално проширување.Така, AMF се издолжуваат надолжно кога се применува притисок и последователно покажуваат контрактилни сили за да се вратат на нивната првобитна должина кога притисокот се ослободува.Тие имаат својства слични на традиционалните влакна, вклучувајќи флексибилност, мал дијаметар и долга должина.Сепак, AMF е поактивен и контролиран во однос на движењето и силата од неговите конвенционални колеги.Инспирирани од неодамнешниот брз напредок во паметниот текстил, овде презентираме четири главни пристапи за производство на паметни текстили со примена на AMF на долго воспоставена технологија за производство на ткаенина (Слика 1).
Првиот начин е ткаење.Ние користиме технологија за плетење со ткаенини за да произведеме реактивна плетена ткаенина која се расплетува во една насока кога хидраулично се активира.Плетените чаршафи се многу еластични и растегливи, но имаат тенденција да се расплетуваат полесно од плетените листови.Во зависност од методот на контрола, AMF може да формира поединечни редови или комплетни производи.Покрај рамните листови, тубуларните обрасци за плетење се исто така погодни за производство на шупливи структури AMF.Вториот метод е ткаењето, каде што користиме два AMF како искривување и ткиво за да формираме правоаголен плетен лист што може независно да се прошири во две насоки.Плетените листови обезбедуваат поголема контрола (во двете насоки) од плетените листови.Ние, исто така, плетевме AMF од традиционално предиво за да направиме поедноставен плетен лист што може да се одмотува само во една насока.Третиот метод - радијално проширување - е варијанта на техниката на ткаење, во која AMPs се наоѓаат не во правоаголник, туку во спирала, а нишките обезбедуваат радијално ограничување.Во овој случај, плетенката радијално се шири под притисокот на влезот.Четвртиот пристап е да се залепи AMF на лист од пасивна ткаенина за да се создаде движење на свиткување во саканата насока.Ја реконфигуриравме таблата за пасивна пробивност во активна табла за избивање со вклучување на AMF околу нејзиниот раб.Оваа програмабилна природа на AMF отвора безброј можности за био-инспирирани меки структури кои ја трансформираат формата, каде што можеме да ги претвориме пасивните објекти во активни.Овој метод е едноставен, лесен и брз, но може да ја загрози долговечноста на прототипот.Читателот е упатен на други пристапи во литературата кои ги детализираат силните и слабите страни на секое својство на ткиво21,33,34,35.
Повеќето нишки или предива што се користат за правење традиционални ткаенини содржат пасивни структури.Во оваа работа, го користиме нашиот претходно развиен AMF, кој може да достигне должина од метри и пречник на подмилиметарски, за да ги замени традиционалните пасивни текстилни предива со AFM за да создадеме интелигентни и активни ткаенини за поширок опсег на апликации.Следните делови опишуваат детални методи за правење паметни текстилни прототипови и ги прикажуваат нивните главни функции и однесувања.
Рачно изработивме три AMF дресови користејќи ја техниката на плетење со ткаенини (сл. 2А).Изборот на материјали и деталните спецификации за AMF и прототипови може да се најдат во делот Методи.Секој AMF следи патека на кривина (исто така наречена рута) која формира симетрична јамка.Јамките од секој ред се фиксираат со јамки од редовите над и под нив.Прстените на една колона нормално на курсот се комбинираат во вратило.Нашиот плетен прототип се состои од три реда од седум шевови (или седум шевови) во секој ред.Горниот и долниот прстен не се фиксирани, па можеме да ги закачиме на соодветните метални прачки.Плетените прототипови се расплетуваа полесно од конвенционалните плетени ткаенини поради поголемата вкочанетост на AMF во споредба со конвенционалните предива.Затоа, ги врзавме петелките од соседните редови со тенки еластични жици.
Различни паметни текстилни прототипови се имплементирани со различни AMF конфигурации.(А) Плетен лист направен од три AMF.(Б) Двонасочен плетен лист од два AMF.(В) Еднонасочен плетен лим направен од AMF и акрилно предиво може да издржи товар од 500 g, што е 192 пати повеќе од неговата тежина (2,6 g).(Г) Радијално проширувачка структура со еден AMF и памучно предиво како радијално ограничување.Детални спецификации може да се најдат во делот Методи.
Иако цик-цак петелките на плетеното може да се протегаат во различни насоки, нашиот прототип на плетење се шири првенствено во насока на јамката под притисок поради ограничувањата во насоката на патување.Издолжувањето на секој AMF придонесува за проширување на вкупната површина на плетениот лист.Во зависност од специфичните барања, можеме да контролираме три AMF независно од три различни извори на течност (Слика 2А) или истовремено од еден извор на течност преку дистрибутер на течности од 1 до 3.На сл.2А покажува пример на плетен прототип, чија почетна површина се зголеми за 35% при примена на притисок на три AMP (1,2 MPa).Забележително, AMF постигнува големо издолжување од најмалку 250% од неговата оригинална должина49, така што плетените листови можат да се протегаат дури и повеќе од сегашните верзии.
Исто така, создадовме двонасочни ткаени листови формирани од два AMF користејќи ја техниката на обичен ткаење (Слика 2Б).AMF искривувањето и ткивото се испреплетени под прав агол, формирајќи едноставна вкрстена шема.Нашиот прототип на ткаење беше класифициран како избалансиран обичен ткаење затоа што и предивото за искривување и ткаење беа направени од иста големина на предиво (видете го делот Методи за детали).За разлика од обичните нишки кои можат да формираат остри набори, применетиот AMF бара одреден радиус на свиткување кога се враќа во друга нишка од моделот на ткаење.Затоа, ткаените листови направени од AMP имаат помала густина во споредба со конвенционалните ткаени текстили.AMF-тип S (надворешен дијаметар 1,49 mm) има минимален радиус на свиткување од 1,5 mm.На пример, прототипот на ткаење што го презентираме во оваа статија има шаблон на нишки 7×7 каде што секое пресекување се стабилизира со јазол од тенок еластичен кабел.Користејќи ја истата техника на ткаење, можете да добиете повеќе нишки.
Кога соодветниот AMF добива притисок на течност, плетениот лист ја проширува својата област во насока на искривување или ткае.Затоа, ги контролиравме димензиите на плетениот лист (должина и ширина) со независно менување на количината на влезниот притисок што се применува на двата AMP.На сл.2B покажува ткаен прототип кој се проширил на 44% од неговата оригинална површина додека вршел притисок на еден AMP (1,3 MPa).Со истовремено дејство на притисок на два AMF, површината се зголеми за 108%.
Направивме и еднонасочен плетен лист од еден AMF со искривување и акрилни предива како ткаенина (слика 2C).AMF се наредени во седум цик-цак редови и нишките ги плетеат овие редови на AMF заедно за да формираат правоаголен лист ткаенина.Овој ткаен прототип беше погуст отколку на слика 2Б, благодарение на меките акрилни нишки кои лесно го исполнуваа целиот лист.Бидејќи користиме само еден AMF како искривување, плетениот лист може да се прошири само кон искривувањето под притисок.Слика 2C покажува пример на ткаен прототип чија почетна површина се зголемува за 65% со зголемен притисок (1,3 MPa).Покрај тоа, ова парче плетенка (тежи 2,6 грама) може да подигне товар од 500 грама, што е 192 пати повеќе од неговата маса.
Наместо да го распоредиме AMF во цик-цак шема за да создадеме правоаголен плетен лист, направивме рамна спирална форма на AMF, која потоа беше радијално ограничена со памучно предиво за да се создаде тркалезен ткаен лист (Слика 2Д).Високата цврстина на AMF го ограничува неговото полнење на самиот централен регион на плочата.Сепак, ова полнење може да се направи од еластични предива или еластични ткаенини.По добивањето на хидрауличен притисок, AMP го претвора своето надолжно издолжување во радијално проширување на листот.Исто така, вреди да се напомене дека и надворешниот и внатрешниот дијаметар на спиралната форма се зголемени поради радијалното ограничување на филаментите.Слика 2Д покажува дека со применет хидрауличен притисок од 1 MPa, обликот на тркалезниот лист се проширува до 25% од неговата оригинална површина.
Ви претставуваме втор пристап за правење паметни текстили каде што лепиме AMF на рамно парче ткаенина и го реконфигурираме од пасивна во активно контролирана структура.Дизајнерскиот дијаграм на погонот за свиткување е прикажан на сл.3А, каде што AMP се превиткува надолу и се залепува на лента од нерастеглива ткаенина (памучна ткаенина од муслин) користејќи двострана лента како лепило.Откако ќе се запечати, горниот дел на AMF може слободно да се протега, додека долниот дел е ограничен со лентата и ткаенината, што предизвикува лентата да се наведнува кон ткаенината.Можеме да го деактивираме кој било дел од погонот за свиткување каде било со едноставно залепување лента на него.Деактивиран сегмент не може да се движи и станува пасивен сегмент.
Ткаенините се реконфигурираат со лепење на AMF на традиционални ткаенини.(А) Дизајнерски концепт за погон за свиткување направен со лепење на преклопен AMF на нерастеглива ткаенина.(Б) Свиткување на прототипот на погонот.(В) Реконфигурација на правоаголна ткаенина во активен робот со четири нозе.Нееластична ткаенина: памучна маичка.Растегнувачка ткаенина: полиестер.Детални спецификации може да се најдат во делот Методи.
Направивме неколку прототипови на актуатори за свиткување со различни должини и ги притискавме со хидраулика за да создадеме движење на свиткување (Слика 3Б).Поважно е тоа што AMF може да се постави во права линија или да се превиткува за да формира повеќе нишки, а потоа да се залепи на ткаенина за да се создаде погон за свиткување со соодветен број на нишки.Исто така, го конвертиравме пасивното ткиво во активна структура на тетрапод (слика 3C), каде што користевме AMF за да ги насочиме границите на правоаголно нерастежно ткиво (памучна ткаенина од муслин).AMP е прикачен на ткаенината со парче двострана лента.Средината на секој раб е залепена со лента за да стане пасивна, додека четирите агли остануваат активни.Горниот капак од растеглива ткаенина (полиестер) е опционален.Четирите агли на ткаенината се свиткуваат (изгледаат како нозе) кога се притискаат.
Изградивме тест клупа за квантитативно проучување на својствата на развиениот паметен текстил (видете го делот Методи и дополнителната слика S1).Бидејќи сите примероци беа направени од AMF, општиот тренд на експерименталните резултати (сл. 4) е конзистентен со главните карактеристики на AMF, имено, влезниот притисок е директно пропорционален на издолжувањето на излезот и обратно пропорционален на силата на компресија.Сепак, овие паметни ткаенини имаат уникатни карактеристики кои ги одразуваат нивните специфични конфигурации.
Се одликува со паметни текстилни конфигурации.(А, Б) Криви на хистерезис за влезен притисок и издолжување на излезот и сила за ткаени листови.(В) Проширување на површината на плетениот лист.(D,E) Врска помеѓу влезниот притисок и излезното издолжување и силата за трикотажа.(Ѓ) Проширување на областа на радијално проширување на структурите.(Г) Агли на свиткување со три различни должини на погони за свиткување.
Секој AMF од плетениот лист беше подложен на влезен притисок од 1 MPa за да генерира приближно 30% издолжување (сл. 4А).Го избравме овој праг за целиот експеримент од неколку причини: (1) за да создадеме значително издолжување (приближно 30%) за да ги нагласиме нивните криви на хистерезис, (2) за да спречиме возење велосипед од различни експерименти и прототипови за повеќекратна употреба што резултираат со случајно оштетување или дефект..под висок притисок на течноста.Мртвата зона е јасно видлива, а плетенката останува неподвижна додека влезниот притисок не достигне 0,3 MPa.Заплетот за хистереза на издолжување на притисокот покажува голем јаз помеѓу фазите на пумпање и ослободување, што покажува дека има значителна загуба на енергија кога плетениот лист го менува своето движење од експанзија во контракција.(Сл. 4А).По добивањето влезен притисок од 1 MPa, плетениот лист може да изврши сила на контракција од 5,6 N (слика 4B).Заплетот на хистерезата на силата на притисокот исто така покажува дека кривата на ресетирање речиси се преклопува со кривата на зголемување на притисокот.Проширувањето на површината на плетениот лим зависеше од количината на притисок применета на секој од двата AMF, како што е прикажано на 3D површинската парцела (Слика 4C).Експериментите, исто така, покажуваат дека плетениот лист може да произведе проширување на површината од 66% кога неговите AMF на искривување и ткиво истовремено се подложени на хидрауличен притисок од 1 MPa.
Експерименталните резултати за плетениот лист покажуваат слична шема на плетениот лист, вклучувајќи широк јаз на хистерезис во дијаграмот за затегнување-притисок и преклопувачки кривини на притисок-сила.Плетениот лист покажа издолжување од 30%, по што силата на компресија беше 9 N при влезен притисок од 1 MPa (слика 4D, E).
Во случај на тркалезен ткаен лист, неговата почетна површина се зголемила за 25% во споредба со почетната површина по изложување на течен притисок од 1 MPa (сл. 4F).Пред примерокот да почне да се шири, постои голема мртва зона на влезниот притисок до 0,7 MPa.Оваа голема мртва зона беше очекувана бидејќи примероците беа направени од поголеми AMF за кои беа потребни повисоки притисоци за да се надмине нивниот првичен стрес.На сл.4F, исто така, покажува дека кривата на ослободување речиси се совпаѓа со кривата на зголемување на притисокот, што укажува на мала загуба на енергија кога движењето на дискот е префрлено.
Експерименталните резултати за трите актуатори на свиткување (реконфигурација на ткиво) покажуваат дека нивните криви на хистерезис имаат слична шема (слика 4G), каде што тие доживуваат мртва зона на влезен притисок до 0,2 MPa пред да се подигне.Нанесовме ист волумен на течност (0,035 ml) на три погони за свиткување (L20, L30 и L50 mm).Сепак, секој активирач доживеа различни врвови на притисок и разви различни агли на свиткување.Активаторите L20 и L30 mm доживеаја влезен притисок од 0,72 и 0,67 MPa, достигнувајќи агли на свиткување од 167° и 194° соодветно.Најдолгиот погон на свиткување (должина 50 mm) издржа притисок од 0,61 MPa и достигна максимален агол на свиткување од 236 °.Парцелите за хистереза на аголот на притисок, исто така, открија релативно големи празнини помеѓу кривите на притисок и ослободување за сите три погони за свиткување.
Врската помеѓу влезниот волумен и излезните својства (издолжување, сила, проширување на површината, агол на свиткување) за горенаведените паметни текстилни конфигурации може да се најде на дополнителната слика S2.
Експерименталните резултати во претходниот дел јасно ја демонстрираат пропорционалната врска помеѓу применетиот влезен притисок и издолжувањето на излезот на примероците AMF.Колку е посилно AMB напрегнато, толку е поголемо издолжувањето што го развива и повеќе еластична енергија акумулира.Оттука, толку е поголема силата на притисок што ја врши.Резултатите исто така покажаа дека примероците ја достигнаа својата максимална сила на компресија кога влезниот притисок беше целосно отстранет.Овој дел има за цел да воспостави директна врска помеѓу издолжувањето и максималната сила на собирање на плетените и плетените листови преку аналитичко моделирање и експериментална верификација.
Максималната контрактилна сила Fout (при влезен притисок P = 0) на еден AMF беше дадена во ref 49 и повторно воведена на следниов начин:
Меѓу нив, α, Е и А0 се факторот на истегнување, Јанг-овиот модул и површината на пресекот на силиконската цевка, соодветно;k е коефициентот на вкочанетост на спиралната намотка;x и li се поместени и почетна должина.AMP, соодветно.
вистинската равенка.(1) Земете плетени и ткаени листови како пример (сл. 5А, Б).Силите на собирање на плетениот производ Fkv и ткаениот производ Fwh се изразени со равенката (2) и (3), соодветно.
каде што mk е бројот на јамки, φp е аголот на јамката на плетената ткаенина за време на вбризгување (сл. 5А), mh е бројот на конци, θhp е аголот на заглавување на плетената ткаенина за време на вбризгувањето (сл. 5Б), εkv εwh е плетениот лист и деформацијата на плетениот лист, F0 е почетната напнатост на спиралната намотка.Детално изведување на равенката.(2) и (3) може да се најдат во придружните информации.
Создадете аналитички модел за односот издолжување-сила.(А, Б) Илустрации на аналитички модели за плетени и ткаени листови, соодветно.(C,D) Споредба на аналитички модели и експериментални податоци за плетени и ткаени листови.RMSE Root средна квадратна грешка.
За да го тестираме развиениот модел, извршивме експерименти за издолжување користејќи ги плетените обрасци на Сл. 2А и примероците со плетенка на Сл. 2Б.Силата на контракција беше измерена во чекори од 5% за секое заклучено продолжување од 0% до 50%.Средната и стандардната девијација на петте испитувања се претставени на Слика 5C (плетено) и Слика 5D (плетено).Кривите на аналитичкиот модел се опишани со равенки.Параметрите (2) и (3) се дадени во Табела.1. Резултатите покажуваат дека аналитичкиот модел е во добра согласност со експерименталните податоци за целиот опсег на издолжување со коренска средна квадратна грешка (RMSE) од 0,34 N за трикотажа, 0,21 N за ткаени AMF H (хоризонтална насока) и 0,17 N за ткаен AMF .V (вертикална насока).
Покрај основните движења, предложениот паметен текстил може механички да се програмира за да обезбеди посложени движења како што се свиткување S, радијална контракција и 2D до 3D деформација.Ви претставуваме неколку методи за програмирање на рамни паметни текстили во посакуваните структури.
Покрај проширувањето на доменот во линеарна насока, еднонасочните ткаени листови може механички да се програмираат за да се создаде мултимодално движење (сл. 6А).Ние го реконфигурираме продолжувањето на плетениот лист како движење на свиткување, ограничувајќи го едно од неговите лица (горе или долу) со конец за шиење.Листовите имаат тенденција да се наведнуваат кон граничната површина под притисок.На сл.6А покажува два примери на ткаени панели кои стануваат S-облик кога едната половина е тесна на горната страна, а другата половина е тесна на долната страна.Алтернативно, можете да создадете кружно движење на свиткување каде што само целото лице е ограничено.Еднонасочен плетен лист, исто така, може да се направи обвивка за компресија со поврзување на неговите два краја во тубуларна структура (сл. 6Б).Ракавот се носи преку показалецот на една личност за да обезбеди компресија, форма на терапија за масажа за ублажување на болката или подобрување на циркулацијата.Може да се зголеми за да одговара на други делови од телото како што се рацете, колковите и нозете.
Способност за ткаење листови во една насока.(А) Создавање на деформабилни структури поради програмабилноста на обликот на конците за шиење.(Б) Ракав за компресија на прст.(В) Друга верзија на плетениот лист и неговата имплементација како компресија на подлактицата.(Г) Друг прототип на компресивни чаури изработен од AMF тип М, акрилно предиво и велкро ремени.Детални спецификации може да се најдат во делот Методи.
Слика 6C покажува друг пример на еднонасочен плетен лист направен од единечно AMF и памучно предиво.Листот може да се прошири за 45% по површина (на 1,2 MPa) или да предизвика кружни движења под притисок.Вградивме и лист за да создадеме компресија на подлактицата со прицврстување на магнетни ленти на крајот на листот.Друг прототип за компресија на подлактицата е прикажан на Сл. 6D, во кој еднонасочните плетени листови се направени од тип M AMF (види Методи) и акрилни предива за да се генерираат посилни сили на компресија.Краевите на листовите ги опремивме со велкро ремени за лесно прицврстување и за различни големини на раце.
Техниката на ограничување, која го претвора линеарното продолжување во движење на свиткување, е применлива и за двонасочни ткаени листови.Памучните нишки ги ткаеме на едната страна од ткаените листови за да не се рашират (сл. 7А).Така, кога два AMF добиваат хидрауличен притисок независно еден од друг, листот се подложува на двонасочно свиткување за да формира произволна тродимензионална структура.Во друг пристап, ние користиме нерастегливи предива за ограничување на една насока на двонасочните плетени листови (Слика 7Б).Така, листот може да прави независни движења на свиткување и истегнување кога соодветниот AMF е под притисок.На сл.7Б покажува пример во кој двонасочниот плетен лист е контролиран да обвиткува околу две третини од човечкиот прст со свиткување, а потоа да ја прошири својата должина за да го покрие остатокот со движење на истегнување.Двонасочното движење на чаршафите може да биде корисно за моден дизајн или развој на паметна облека.
Двонасочен плетен лист, плетен лим и можности за дизајн што може да се прошири радијално.(А) Двонасочни врзани двонасочни плетени панели за да се создаде двонасочен свиок.(Б) Еднонасочно ограничените двонасочни плетени панели произведуваат флексија и издолжување.(В) Високо еластичен плетен лист, кој може да одговара на различни површински кривини, па дури и да формира цевчести структури.(Г) разграничување на централната линија на радијално проширување на структурата што формира хиперболична параболична форма (чипс).
Со конец за шиење поврзавме две соседни јамки од горните и долните редови на плетениот дел за да не се расплетува (сл. 7В).Така, плетениот лист е целосно флексибилен и добро се прилагодува на различни површински кривини, како што е површината на кожата на човечките раце и раце.Создадовме и тубуларна структура (ракав) со поврзување на краевите на плетениот дел во насока на патување.Ракавот добро се обвиткува околу показалецот на лицето (сл. 7C).Синуозноста на плетената ткаенина обезбедува одлично вклопување и деформабилност, што го прави лесен за користење при паметно носење (ракавици, компресивни ракави), обезбедувајќи удобност (преку вклопување) и терапевтски ефект (преку компресија).
Покрај 2D радијално проширување во повеќе насоки, кружните ткаени листови може да се програмираат и да формираат 3D структури.Централната линија на тркалезната плетенка ја ограничивме со акрилно предиво за да го нарушиме нејзиното рамномерно радијално проширување.Како резултат на тоа, оригиналниот рамен облик на тркалезниот ткаен лист беше трансформиран во хиперболична параболична форма (или чипс) по притисокот (сл. 7D).Оваа способност за менување форма може да се имплементира како механизам за подигнување, оптичка леќа, мобилни роботски нозе или може да биде корисна во модниот дизајн и бионичките роботи.
Развивме едноставна техника за создавање на свиткувачки погони со лепење на AMF на лента од ткаенина што не се растегнува (слика 3).Ние го користиме овој концепт за да создадеме програмибилни нишки каде што можеме стратешки да дистрибуираме повеќе активни и пасивни делови во еден AMF за да ги создадеме саканите форми.Фабрикувавме и програмиравме четири активни филаменти кои можеа да ја променат својата форма од право во буква (UNSW) како што се зголемуваше притисокот (Дополнителна слика S4).Овој едноставен метод овозможува деформабилноста на AMF да ги претвори 1D линиите во 2D форми и можеби дури и 3D структури.
Во сличен пристап, користевме еден AMF за реконфигурирање на парче пасивно нормално ткиво во активен тетрапод (сл. 8А).Концептите за рутирање и програмирање се слични на оние прикажани на Слика 3В.Меѓутоа, наместо правоаголни чаршафи, почнале да користат ткаенини со четириножен модел (желка, памучен муслин).Затоа, нозете се подолги и структурата може да се подигне повисоко.Висината на структурата постепено се зголемува под притисок додека нејзините нозе не се нормални на земјата.Ако влезниот притисок продолжи да расте, нозете ќе попуштат навнатре, намалувајќи ја висината на структурата.Тетраподите можат да вршат движење ако нивните нозе се опремени со еднонасочни обрасци или користат повеќе AMF со стратегии за манипулација со движење.Меки роботи за движење се потребни за различни задачи, вклучително и спасување од шумски пожари, срушени згради или опасни средини и роботи за испорака на медицински лекови.
Ткаенината е реконфигурирана за да создаде структури што ја менуваат формата.(А) Залепете го AMF на границата на пасивната ткаенина, претворајќи ја во структура со четири крака што може да се управува.(БД) Два други примери на реконфигурација на ткивото, претворајќи ги пасивните пеперутки и цвеќиња во активни.Ткаенина што не се растегнува: обичен памучен муслин.
Ние, исто така, ја користиме едноставноста и разновидноста на оваа техника за реконфигурација на ткивото со воведување на две дополнителни биоинспирирани структури за преобликување (слики 8B-D).Со насочувачки AMF, овие структури кои се деформираат во форма се реконфигурираат од листови на пасивно ткиво до активни и управувани структури.Инспирирани од пеперутката монарх, направивме трансформирачка структура на пеперутка користејќи парче ткаенина во форма на пеперутка (памучен муслин) и долго парче AMF заглавено под нејзините крилја.Кога AMF е под притисок, крилата се преклопуваат.Како и Monarch Butterfly, левото и десното крило на роботот Butterfly мавтаат на ист начин бидејќи и двете се контролирани од AMF.Лентите со пеперутка се само за прикажување.Не може да лета како Smart Bird (Festo Corp., САД).Направивме и цвет од ткаенина (Слика 8Д) кој се состои од два слоја од по пет ливчиња.Под секој слој го поставивме AMF по надворешниот раб на ливчињата.Првично, цвеќињата се во полн цут, со сите ливчиња целосно отворени.Под притисок, AMF предизвикува свиткување на ливчињата, предизвикувајќи нивно затворање.Двата AMF независно го контролираат движењето на двата слоја, додека петте ливчиња од еден слој се виткаат во исто време.
Време на објавување: Декември-26-2022 година