Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Viser en karusell med tre lysbilder samtidig.Bruk Forrige og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Å kombinere tekstiler og kunstige muskler for å skape smarte tekstiler tiltrekker seg mye oppmerksomhet fra både vitenskapelige og industrielle miljøer.Smarte tekstiler tilbyr mange fordeler, inkludert tilpasningsdyktig komfort og høy grad av samsvar med gjenstander samtidig som de gir aktiv aktivering for ønsket bevegelse og styrke.Denne artikkelen presenterer en ny klasse programmerbare smarte stoffer laget ved hjelp av ulike metoder for veving, veving og liming av væskedrevne kunstige muskelfibre.En matematisk modell ble utviklet for å beskrive forholdet mellom forlengelseskraften til strikkede og vevde tekstilark, og deretter ble gyldigheten testet eksperimentelt.Det nye "smarte" tekstilet har høy fleksibilitet, konformalitet og mekanisk programmering, noe som muliggjør multimodal bevegelse og deformasjonsevne for et bredere spekter av bruksområder.Ulike smarte tekstilprototyper har blitt laget gjennom eksperimentell verifisering, inkludert ulike tilfeller av formendring som forlengelse (opptil 65 %), arealutvidelse (108 %), radiell ekspansjon (25 %) og bøyebevegelse.Konseptet med rekonfigurering av passivt tradisjonelt vev til aktive strukturer for biomimetiske formingsstrukturer blir også utforsket.De foreslåtte smarte tekstilene forventes å lette utviklingen av smarte wearables, haptiske systemer, biomimetiske myke roboter og bærbar elektronikk.
Rigide roboter er effektive når de jobber i strukturerte miljøer, men har problemer med den ukjente konteksten av skiftende miljøer, noe som begrenser deres bruk i søk eller utforskning.Naturen fortsetter å overraske oss med mange oppfinnsomme strategier for å håndtere eksterne faktorer og mangfold.For eksempel utfører rankene til klatreplanter multimodale bevegelser, som bøying og spiral, for å utforske et ukjent miljø på jakt etter en passende støtte1.Venusfluefangeren (Dionaea muscipula) har følsomme hår på bladene som, når den utløses, klikker på plass for å fange byttedyr2.De siste årene har deformasjon eller deformasjon av kropper fra todimensjonale (2D) overflater til tredimensjonale (3D) former som etterligner biologiske strukturer blitt et interessant forskningstema3,4.Disse myke robotkonfigurasjonene endrer form for å tilpasse seg skiftende miljøer, muliggjøre multimodal bevegelse og bruke krefter for å utføre mekanisk arbeid.Deres rekkevidde har utvidet seg til et bredt spekter av robotapplikasjoner, inkludert deployables5, rekonfigurerbare og selvfoldbare roboter6,7, biomedisinske enheter8, kjøretøyer9,10 og utvidbar elektronikk11.
Mye forskning er gjort for å utvikle programmerbare flate plater som, når de aktiveres, forvandles til komplekse tredimensjonale strukturer3.En enkel idé for å lage deformerbare strukturer er å kombinere lag av forskjellige materialer som bøyer seg og rynker når de utsettes for stimuli12,13.Janbaz et al.14 og Li et al.15 har implementert dette konseptet for å lage varmefølsomme multimodale deformerbare roboter.Origami-baserte strukturer som inneholder stimulus-responsive elementer har blitt brukt til å lage komplekse tredimensjonale strukturer16,17,18.Inspirert av morfogenesen til biologiske strukturer, Emmanuel et al.Formdeformerbare elastomerer skapes ved å organisere luftkanaler i en gummioverflate som, under trykk, forvandles til komplekse, vilkårlige tredimensjonale former.
Integreringen av tekstiler eller stoffer i deformerbare myke roboter er et annet nytt konseptprosjekt som har skapt stor interesse.Tekstiler er myke og elastiske materialer laget av garn ved veveteknikker som strikking, veving, fletting eller knuteveving.Stoffers fantastiske egenskaper, inkludert fleksibilitet, passform, elastisitet og pusteevne, gjør dem svært populære i alt fra klær til medisinske bruksområder20.Det er tre brede tilnærminger for å inkorporere tekstiler i robotikk21.Den første tilnærmingen er å bruke tekstilet som en passiv bakside eller base for andre komponenter.I dette tilfellet gir passive tekstiler en komfortabel passform for brukeren når de bærer stive komponenter (motorer, sensorer, strømforsyning).De fleste myke bærbare roboter eller myke eksoskjeletter faller inn under denne tilnærmingen.For eksempel myke, bærbare eksoskjeletter for ganghjelpemidler 22 og albuehjelpemidler 23, 24, 25, myke brukbare hansker 26 for hånd- og fingerhjelpemidler, og bioniske myke roboter 27.
Den andre tilnærmingen er å bruke tekstiler som passive og begrensede komponenter i myke robotenheter.Tekstilbaserte aktuatorer faller inn i denne kategorien, der stoffet vanligvis er konstruert som en ytre beholder for å inneholde den indre slangen eller kammeret, og danner en mykfiberforsterket aktuator.Når de utsettes for en ekstern pneumatisk eller hydraulisk kilde, gjennomgår disse myke aktuatorene endringer i form, inkludert forlengelse, bøyning eller vridning, avhengig av deres opprinnelige sammensetning og konfigurasjon.For eksempel, Talman et al.Ortopediske ankelklær, bestående av en serie stofflommer, har blitt introdusert for å lette plantarfleksjon for å gjenopprette gangart28.Tekstillag med ulik strekkbarhet kan kombineres for å skape anisotropiske bevegelser 29 .OmniSkins – myke robotskinn laget av en rekke myke aktuatorer og substratmaterialer kan transformere passive objekter til multifunksjonelle aktive roboter som kan utføre multimodale bevegelser og deformasjoner for ulike bruksområder.Zhu et al.har utviklet et flytende vevsmuskelark31 som kan generere forlengelse, bøying og ulike deformasjonsbevegelser.Buckner et al.Integrer funksjonelle fibre i konvensjonelt vev for å lage robotvev med flere funksjoner som aktivering, sensing og variabel stivhet32.Andre metoder i denne kategorien finner du i disse papirene 21, 33, 34, 35.
En nyere tilnærming til å utnytte de overlegne egenskapene til tekstiler innen myk robotikk er å bruke reaktive eller stimulus-responsive filamenter for å lage smarte tekstiler ved bruk av tradisjonelle tekstilproduksjonsmetoder som veving, strikking og vevemetoder21,36,37.Avhengig av sammensetningen av materialet, forårsaker reaktivt garn en formendring når det utsettes for elektrisk, termisk eller trykkpåvirkning, noe som fører til deformasjon av stoffet.I denne tilnærmingen, der tradisjonelle tekstiler er integrert i et mykt robotsystem, skjer omformingen av tekstilen på det indre laget (garnet) i stedet for det ytre laget.Som sådan tilbyr smarte tekstiler utmerket håndtering når det gjelder multimodal bevegelse, programmerbar deformasjon, strekkbarhet og evnen til å justere stivhet.For eksempel kan formminnelegeringer (SMA'er) og formminnepolymerer (SMP'er) inkorporeres i stoffer for aktivt å kontrollere formen deres gjennom termisk stimulering, slik som hemming38, fjerning av rynker36,39, taktil og taktil tilbakemelding40,41, samt adaptiv tilbakemelding bærbare klær.enheter 42.Bruk av termisk energi til oppvarming og kjøling resulterer imidlertid i langsom respons og vanskelig kjøling og kontroll.Mer nylig har Hiramitsu et al.McKibbens fine muskler43,44, pneumatiske kunstige muskler, brukes som varpgarn for å lage ulike former for aktive tekstiler ved å endre vevstrukturen45.Selv om denne tilnærmingen gir høye krefter, på grunn av naturen til McKibben-muskelen, er utvidelseshastigheten begrenset (< 50 %) og liten størrelse kan ikke oppnås (diameter < 0,9 mm).I tillegg har det vært vanskelig å lage smarte tekstilmønstre av vevemetoder som krever skarpe hjørner.For å danne et bredere utvalg av smarte tekstiler, har Maziz et al.Elektroaktive bærbare tekstiler er utviklet ved å strikke og veve elektrosensitive polymertråder46.
De siste årene har det dukket opp en ny type termosensitiv kunstig muskel, konstruert av svært snoede, rimelige polymerfibre47,48.Disse fibrene er kommersielt tilgjengelige og kan enkelt integreres i veving eller veving for å produsere rimelige smarte klær.Til tross for fremskritt, har disse nye varmefølsomme tekstilene begrensede responstider på grunn av behovet for oppvarming og kjøling (f.eks. temperaturkontrollerte tekstiler) eller vanskeligheten med å lage komplekse strikkede og vevde mønstre som kan programmeres til å generere de ønskede deformasjonene og bevegelsene .Eksempler inkluderer radiell ekspansjon, 2D til 3D formtransformasjon eller toveis ekspansjon, som vi tilbyr her.
For å overvinne disse nevnte problemene, presenterer denne artikkelen et nytt væskedrevet smart tekstil laget av våre nylig introduserte myke kunstige muskelfibre (AMF)49,50,51.AMF-er er svært fleksible, skalerbare og kan reduseres til en diameter på 0,8 mm og store lengder (minst 5000 mm), og tilbyr et høyt sideforhold (lengde til diameter) samt høy forlengelse (minst 245 %), høy energi effektivitet, mindre enn 20Hz rask respons).For å lage smarte tekstiler bruker vi AMF som et aktivt garn for å danne 2D aktive muskellag gjennom strikke- og veveteknikker.Vi har kvantitativt studert ekspansjonshastigheten og sammentrekningskraften til disse "smarte" vevene når det gjelder væskevolum og levert trykk.Analytiske modeller er utviklet for å etablere forlengelseskraftforholdet for strikkede og vevde ark.Vi beskriver også flere mekaniske programmeringsteknikker for smarte tekstiler for multimodal bevegelse, inkludert toveis forlengelse, bøying, radiell ekspansjon og muligheten til å gå fra 2D til 3D.For å demonstrere styrken til vår tilnærming, vil vi også integrere AMF i kommersielle stoffer eller tekstiler for å endre deres konfigurasjon fra passive til aktive strukturer som forårsaker ulike deformasjoner.Vi har også demonstrert dette konseptet på flere eksperimentelle testbenker, inkludert programmerbar bøying av tråder for å produsere ønskede bokstaver og formskiftende biologiske strukturer til form av objekter som sommerfugler, firbeinte strukturer og blomster.
Tekstiler er fleksible todimensjonale strukturer dannet av sammenvevde endimensjonale tråder som garn, tråder og fibre.Tekstil er en av menneskehetens eldste teknologier og er mye brukt i alle aspekter av livet på grunn av dets komfort, tilpasningsevne, pusteevne, estetikk og beskyttelse.Smarte tekstiler (også kjent som smarte klær eller robotstoffer) blir i økende grad brukt i forskning på grunn av deres store potensial i robotapplikasjoner20,52.Smarte tekstiler lover å forbedre den menneskelige opplevelsen av å samhandle med myke gjenstander, og innlede et paradigmeskifte i feltet der bevegelsen og kreftene til tynt, fleksibelt stoff kan kontrolleres for å utføre spesifikke oppgaver.I denne artikkelen utforsker vi to tilnærminger til produksjon av smarte tekstiler basert på vår nylige AMF49: (1) bruk AMF som et aktivt garn for å lage smarte tekstiler ved bruk av tradisjonelle tekstilproduksjonsteknologier;(2) sett inn AMF direkte i tradisjonelle stoffer for å stimulere ønsket bevegelse og deformasjon.
AMF består av et internt silikonrør for å levere hydraulisk kraft og en ekstern spiralformet spole for å begrense dens radielle ekspansjon.Dermed forlenges AMF-er i lengderetningen når trykk påføres og viser deretter kontraktile krefter for å gå tilbake til sin opprinnelige lengde når trykket slippes.De har egenskaper som ligner på tradisjonelle fibre, inkludert fleksibilitet, liten diameter og lang lengde.AMF er imidlertid mer aktiv og kontrollert når det gjelder bevegelse og styrke enn dens konvensjonelle motparter.Inspirert av de siste raske fremskritt innen smarte tekstiler, presenterer vi her fire hovedtilnærminger for å produsere smarte tekstiler ved å bruke AMF til en lenge etablert stoffproduksjonsteknologi (figur 1).
Den første måten er veving.Vi bruker veftstrikketeknologi for å produsere et reaktivt strikket stoff som utfolder seg i én retning når det aktiveres hydraulisk.Strikkede ark er veldig tøyelige og tøybare, men har en tendens til å løsne seg lettere enn vevde ark.Avhengig av kontrollmetoden kan AMF danne individuelle rader eller komplette produkter.I tillegg til flate ark er rørformede strikkemønstre også egnet for fremstilling av AMF hule strukturer.Den andre metoden er veving, hvor vi bruker to AMF-er som renning og veft for å danne et rektangulært vevd ark som kan ekspandere uavhengig i to retninger.Vevde ark gir mer kontroll (i begge retninger) enn strikkede ark.Vi vev også AMF fra tradisjonelt garn for å lage et enklere vevd ark som bare kan vikles av i én retning.Den tredje metoden - radiell ekspansjon - er en variant av veveteknikken, der AMP-ene er plassert ikke i et rektangel, men i en spiral, og trådene gir radiell begrensning.I dette tilfellet utvider flettet seg radielt under innløpstrykket.En fjerde tilnærming er å feste AMF på et ark med passivt stoff for å skape en bøyebevegelse i ønsket retning.Vi har rekonfigurert det passive breakout-kortet til et aktivt breakout-kort ved å kjøre AMF rundt kanten.Denne programmerbare naturen til AMF åpner for utallige muligheter for bioinspirerte formtransformerende myke strukturer der vi kan gjøre passive objekter til aktive.Denne metoden er enkel, enkel og rask, men kan kompromittere prototypens levetid.Leseren henvises til andre tilnærminger i litteraturen som beskriver styrker og svakheter ved hver vevsegenskap21,33,34,35.
De fleste tråder eller garn som brukes til å lage tradisjonelle stoffer inneholder passive strukturer.I dette arbeidet bruker vi vår tidligere utviklede AMF, som kan nå meterlengder og submillimeterdiametere, for å erstatte tradisjonelle passive tekstilgarn med AFM for å skape intelligente og aktive stoffer for et bredere spekter av bruksområder.De følgende avsnittene beskriver detaljerte metoder for å lage smarte tekstilprototyper og presenterer hovedfunksjonene og virkemåtene deres.
Vi håndlagde tre AMF-trøyer ved å bruke strikketeknikken (fig. 2A).Materialvalg og detaljerte spesifikasjoner for AMF-er og prototyper finner du i metodedelen.Hver AMF følger en svingete bane (også kalt en rute) som danner en symmetrisk sløyfe.Løkkene i hver rad er festet med løkker av radene over og under dem.Ringene til en søyle vinkelrett på banen er kombinert til en aksel.Vår strikkede prototype består av tre rader med syv masker (eller syv masker) i hver rad.Topp- og bunnringen er ikke festet, så vi kan feste dem til de tilsvarende metallstengene.Strikkede prototyper løste seg lettere enn konvensjonelle strikkede stoffer på grunn av den høyere stivheten til AMF sammenlignet med konvensjonelle garn.Derfor bandt vi løkkene til tilstøtende rader med tynne elastiske snorer.
Ulike smarte tekstilprototyper implementeres med forskjellige AMF-konfigurasjoner.(A) Strikket ark laget av tre AMF-er.(B) Toveis vevd ark av to AMF-er.(C) Et enveis vevd ark laget av AMF og akrylgarn kan bære en belastning på 500 g, som er 192 ganger vekten (2,6 g).(D) Radialt ekspanderende struktur med en AMF og bomullsgarn som radiell begrensning.Detaljerte spesifikasjoner finner du i metodedelen.
Selv om sikksakk-løkkene til en strikk kan strekke seg i forskjellige retninger, utvider vår prototypestrikk seg først og fremst i retning av løkken under trykk på grunn av begrensninger i kjøreretningen.Forlengelsen av hver AMF bidrar til utvidelsen av det totale arealet til det strikkede arket.Avhengig av spesifikke krav, kan vi kontrollere tre AMF-er uavhengig fra tre forskjellige væskekilder (Figur 2A) eller samtidig fra én væskekilde via en 1-til-3 væskefordeler.På fig.2A viser et eksempel på en strikket prototype, hvis opprinnelige areal økte med 35 % mens det ble påført trykk på tre AMP-er (1,2 MPa).Spesielt oppnår AMF en høy forlengelse på minst 250 % av sin opprinnelige lengde49, slik at strikkede ark kan strekke seg enda mer enn nåværende versjoner.
Vi har også laget toveis vevplater dannet av to AMF-er ved bruk av vanlig vevteknikk (figur 2B).AMF-varp og veft er flettet sammen i rette vinkler, og danner et enkelt mønster på kryss og tvers.Vår prototypevev ble klassifisert som en balansert glattvev fordi både rennings- og veftgarn ble laget av samme garnstørrelse (se Metode-delen for detaljer).I motsetning til vanlige tråder som kan danne skarpe folder, krever den påførte AMF en viss bøyeradius når du går tilbake til en annen tråd av vevemønsteret.Derfor har vevde ark laget av AMP en lavere tetthet sammenlignet med konvensjonelle vevde tekstiler.AMF-type S (ytre diameter 1,49 mm) har en minste bøyeradius på 1,5 mm.For eksempel har prototypevevingen vi presenterer i denne artikkelen et 7×7 trådmønster der hvert kryss er stabilisert med en knute av tynn elastisk snor.Ved å bruke samme veveteknikk kan du få flere tråder.
Når den korresponderende AMF mottar væsketrykk, utvider det vevde arket sitt område i varp- eller veftretningen.Derfor kontrollerte vi dimensjonene til det flettede arket (lengde og bredde) ved uavhengig å endre mengden innløpstrykk som ble brukt på de to AMP-ene.På fig.2B viser en vevd prototype som utvidet seg til 44 % av det opprinnelige området mens det påførte trykk på én AMP (1,3 MPa).Med samtidig påvirkning av trykk på to AMF-er økte arealet med 108 %.
Vi laget også et ensrettet vevd ark fra en enkelt AMF med renning og akrylgarn som veft (Figur 2C).AMF-ene er ordnet i syv sikksakk-rader og trådene vever disse radene med AMF-er sammen for å danne et rektangulært stoffark.Denne vevde prototypen var tettere enn i fig. 2B, takket være myke akryltråder som lett fylte hele arket.Fordi vi kun bruker en AMF som renning, kan det vevde arket kun utvide seg mot renningen under trykk.Figur 2C viser et eksempel på en vevd prototype hvis startareal øker med 65 % med økende trykk (1,3 MPa).I tillegg kan dette flettede stykket (som veier 2,6 gram) løfte en last på 500 gram, som er 192 ganger massen.
I stedet for å arrangere AMF i et sikksakkmønster for å lage et rektangulært vevd ark, laget vi en flat spiralform av AMF, som deretter ble radialt begrenset med bomullsgarn for å lage et rundt vevd ark (Figur 2D).Den høye stivheten til AMF begrenser fyllingen av den helt sentrale delen av platen.Imidlertid kan denne polstringen være laget av elastiske garn eller elastiske stoffer.Ved mottak av hydraulisk trykk, konverterer AMP sin langsgående forlengelse til en radiell utvidelse av arket.Det er også verdt å merke seg at både den ytre og indre diameteren til spiralformen økes på grunn av den radielle begrensningen av filamentene.Figur 2D viser at med et påført hydraulisk trykk på 1 MPa, utvides formen til et rundt ark til 25 % av det opprinnelige området.
Vi presenterer her en andre tilnærming til å lage smarte tekstiler der vi limer en AMF til et flatt stykke stoff og rekonfigurerer det fra en passiv til en aktivt kontrollert struktur.Konstruksjonsdiagrammet for bøyedrevet er vist i fig.3A, hvor AMP er brettet ned på midten og limt til en stripe av tøyelig stoff (bomullsmuslinstoff) ved bruk av dobbeltsidig tape som lim.Når den er forseglet, er toppen av AMF fri til å strekke seg, mens bunnen begrenses av tapen og stoffet, noe som får stripen til å bøye seg mot stoffet.Vi kan deaktivere hvilken som helst del av bøyeaktuatoren hvor som helst ved å feste en stripe med tape på den.Et deaktivert segment kan ikke bevege seg og blir et passivt segment.
Stoffer rekonfigureres ved å lime AMF på tradisjonelle stoffer.(A) Designkonsept for en bøyedrift laget ved å lime en brettet AMF på et tøyelig stoff.(B) Bøyning av aktuatorprototypen.(C) Rekonfigurering av en rektangulær klut til en aktiv firbeint robot.Uelastisk stoff: bomullsjersey.Stretchstoff: polyester.Detaljerte spesifikasjoner finner du i metodedelen.
Vi laget flere prototype bøyeaktuatorer av forskjellige lengder og trykksatte dem med hydraulikk for å lage en bøyebevegelse (figur 3B).Viktigere er at AMF kan legges ut i en rett linje eller brettes for å danne flere tråder og deretter limes til stoffet for å lage en bøyedrift med passende antall tråder.Vi konverterte også det passive vevsarket til en aktiv tetrapod-struktur (Figur 3C), hvor vi brukte AMF til å rute grensene til et rektangulært ubøyelig vev (bomullsmuslinstoff).AMP festes til stoffet med et stykke dobbeltsidig tape.Midten av hver kant er teipet for å bli passiv, mens de fire hjørnene forblir aktive.Topptrekk i elastisk stoff (polyester) er valgfritt.De fire hjørnene på stoffet bøyer seg (ser ut som ben) når de trykkes ned.
Vi bygde en testbenk for å kvantitativt studere egenskapene til de utviklede smarte tekstilene (se metodedelen og tilleggsfigur S1).Siden alle prøvene var laget av AMF, er den generelle trenden til de eksperimentelle resultatene (fig. 4) i samsvar med hovedkarakteristikkene til AMF, nemlig at innløpstrykket er direkte proporsjonalt med utløpsforlengelsen og omvendt proporsjonal med kompresjonskraften.Imidlertid har disse smarte stoffene unike egenskaper som gjenspeiler deres spesifikke konfigurasjoner.
Har smarte tekstilkonfigurasjoner.(A, B) Hysteresekurver for innløpstrykk og utløpsforlengelse og kraft for vevde ark.(C) Utvidelse av området til det vevde arket.(D,E) Sammenheng mellom inngangstrykk og utgangsforlengelse og kraft for strikkevarer.(F) Arealutvidelse av radielt ekspanderende strukturer.(G) Bøyevinkler for tre forskjellige lengder av bøyedrev.
Hver AMF av det vevde arket ble utsatt for et innløpstrykk på 1 MPa for å generere omtrent 30 % forlengelse (fig. 4A).Vi valgte denne terskelen for hele eksperimentet av flere grunner: (1) for å skape en betydelig forlengelse (omtrent 30%) for å understreke deres hysteresekurver, (2) for å forhindre sykling fra forskjellige eksperimenter og gjenbrukbare prototyper som resulterer i utilsiktet skade eller feil..under høyt væsketrykk.Dødsonen er godt synlig, og fletten forblir ubevegelig til innløpstrykket når 0,3 MPa.Trykkforlengelseshystereseplottet viser et stort gap mellom pumpe- og frigjøringsfasene, noe som indikerer at det er et betydelig tap av energi når det vevde arket endrer bevegelse fra ekspansjon til sammentrekning.(Fig. 4A).Etter å ha oppnådd et innløpstrykk på 1 MPa, kunne det vevde arket utøve en sammentrekningskraft på 5,6 N (fig. 4B).Trykk-kraft-hysterese-plottet viser også at tilbakestillingskurven nesten overlapper med trykkoppbyggingskurven.Arealutvidelsen til det vevde arket var avhengig av hvor mye trykk som ble påført hver av de to AMF-ene, som vist i 3D-overflateplotten (Figur 4C).Eksperimenter viser også at en vevd plate kan gi en arealutvidelse på 66 % når dens varp- og veft-AMF samtidig utsettes for et hydraulisk trykk på 1 MPa.
De eksperimentelle resultatene for det strikkede arket viser et lignende mønster som det vevede arket, inkludert et stort hysteresegap i strekk-trykk-diagrammet og overlappende trykk-kraftkurver.Det strikkede arket viste en forlengelse på 30 %, hvoretter kompresjonskraften var 9 N ved et innløpstrykk på 1 MPa (fig. 4D, E).
Når det gjelder et rundt vevet ark, økte dets opprinnelige areal med 25 % sammenlignet med det opprinnelige området etter eksponering for et væsketrykk på 1 MPa (fig. 4F).Før prøven begynner å ekspandere, er det en stor innløpstrykk dødsone opp til 0,7 MPa.Denne store dødsonen var forventet ettersom prøvene ble laget av større AMF-er som krevde høyere trykk for å overvinne deres innledende stress.På fig.4F viser også at utløsningskurven nesten sammenfaller med trykkøkningskurven, noe som indikerer lite energitap når skivebevegelsen byttes.
Eksperimentelle resultater for de tre bøyeaktuatorene (vevsrekonfigurasjon) viser at deres hysteresekurver har et lignende mønster (Figur 4G), hvor de opplever en dødsone med innløpstrykk på opptil 0,2 MPa før løfting.Vi påførte samme volum væske (0,035 ml) på tre bøyedrev (L20, L30 og L50 mm).Imidlertid opplevde hver aktuator forskjellige trykktopper og utviklet forskjellige bøyningsvinkler.Aktuatorene L20 og L30 mm opplevde et innløpstrykk på 0,72 og 0,67 MPa, og nådde bøyevinkler på henholdsvis 167° og 194°.Den lengste bøyedriften (lengde 50 mm) tålte et trykk på 0,61 MPa og nådde en maksimal bøyevinkel på 236°.Trykkvinkelhystereseplottene avslørte også relativt store gap mellom trykksettings- og frigjøringskurvene for alle tre bøyedrevene.
Forholdet mellom inngangsvolum og utgangsegenskaper (forlengelse, kraft, arealutvidelse, bøyevinkel) for de ovennevnte smarte tekstilkonfigurasjonene kan finnes i tilleggsfigur S2.
De eksperimentelle resultatene i forrige seksjon viser tydelig det proporsjonale forholdet mellom påført innløpstrykk og utløpsforlengelse av AMF-prøver.Jo sterkere AMB er anstrengt, jo større forlengelse utvikler den og jo mer elastisk energi akkumulerer den.Derfor, jo større trykkkraft den utøver.Resultatene viste også at prøvene nådde sin maksimale kompresjonskraft når innløpstrykket var fullstendig fjernet.Denne delen tar sikte på å etablere et direkte forhold mellom forlengelse og maksimal krympekraft for strikkede og vevde ark gjennom analytisk modellering og eksperimentell verifisering.
Den maksimale kontraktile kraften Fout (ved innløpstrykk P = 0) til en enkelt AMF ble gitt i ref 49 og gjeninnført som følger:
Blant dem er α, E og A0 henholdsvis strekkfaktoren, Youngs modul og tverrsnittsarealet til silikonrøret;k er stivhetskoeffisienten til spiralspolen;x og li er offset og initial lengde.AMP, henholdsvis.
den rette ligningen.(1) Ta strikkede og vevde ark som et eksempel (fig. 5A, B).Krympekreftene til det strikkede produktet Fkv og det vevede produktet Fwh er uttrykt ved henholdsvis ligning (2) og (3).
hvor mk er antall løkker, φp er løkkevinkelen til det strikkede stoffet under injeksjon (fig. 5A), mh er antall tråder, θhp er inngrepsvinkelen til det strikkede stoffet under injeksjon (fig. 5B), εkv εwh er det strikkede arket og deformasjonen av det vevde arket, F0 er startspenningen til spiralspolen.Detaljert utledning av ligningen.(2) og (3) finnes i støtteinformasjonen.
Lag en analytisk modell for forlengelse-kraft-forholdet.(A,B) Analytiske modellillustrasjoner for henholdsvis strikkede og vevde ark.(C,D) Sammenligning av analytiske modeller og eksperimentelle data for strikkede og vevde ark.RMSE Root mean square error.
For å teste den utviklede modellen, utførte vi forlengelseseksperimenter ved å bruke de strikkede mønstrene i fig. 2A og flettede prøver i fig. 2B.Sammentrekningskraften ble målt i trinn på 5 % for hver låst forlengelse fra 0 % til 50 %.Gjennomsnittet og standardavviket for de fem forsøkene er presentert i figur 5C (strikk) og figur 5D (strikk).Kurvene til den analytiske modellen er beskrevet med ligninger.Parametere (2) og (3) er gitt i tabell.1. Resultatene viser at den analytiske modellen stemmer godt overens med de eksperimentelle dataene over hele forlengelsesområdet med en root mean square error (RMSE) på 0,34 N for strikkevarer, 0,21 N for vevd AMF H (horisontal retning) og 0,17 N for vevd AMF.V (vertikal retning).
I tillegg til de grunnleggende bevegelsene, kan de foreslåtte smarte tekstilene programmeres mekanisk for å gi mer komplekse bevegelser som S-bøyning, radiell sammentrekning og 2D til 3D-deformasjon.Vi presenterer her flere metoder for å programmere flate smarte tekstiler til ønskede strukturer.
I tillegg til å utvide domenet i lineær retning, kan ensrettede vevde ark programmeres mekanisk for å skape multimodal bevegelse (fig. 6A).Vi rekonfigurerer forlengelsen av det flettede arket som en bøyebevegelse, og begrenser en av ansiktene (topp eller bunn) med sytråd.Arkene har en tendens til å bøye seg mot avgrensningsflaten under trykk.På fig.6A viser to eksempler på vevde paneler som blir S-formede når den ene halvdelen er trang på oversiden og den andre halvdelen er trang på undersiden.Alternativt kan du lage en sirkulær bøyebevegelse der bare hele ansiktet er begrenset.Et ensrettet flettet ark kan også gjøres til en kompresjonshylse ved å koble dens to ender til en rørformet struktur (fig. 6B).Hylsen bæres over en persons pekefinger for å gi kompresjon, en form for massasjeterapi for å lindre smerte eller forbedre sirkulasjonen.Den kan skaleres for å passe andre kroppsdeler som armer, hofter og ben.
Evne til å veve ark i én retning.(A) Oppretting av deformerbare strukturer på grunn av programmerbarheten til formen på sytrådene.(B) Fingerkompresjonshylse.(C) En annen versjon av det flettede arket og dets implementering som en underarmskompresjonshylse.(D) En annen kompresjonshylseprototype laget av AMF type M, akrylgarn og borrelåsremmer.Detaljerte spesifikasjoner finner du i metodedelen.
Figur 6C viser et annet eksempel på et enveis vevd ark laget av en enkelt AMF og bomullsgarn.Arket kan utvide seg med 45 % i areal (ved 1,2 MPa) eller forårsake sirkulær bevegelse under trykk.Vi har også innlemmet et ark for å lage en underarms kompresjonshylse ved å feste magnetiske stropper til enden av arket.En annen prototype underarms kompresjonshylse er vist i fig. 6D, hvor ensrettede flettede ark ble laget av Type M AMF (se Metoder) og akrylgarn for å generere sterkere kompresjonskrefter.Vi har utstyrt endene på lakenet med borrelåsbånd for enkel feste og for forskjellige håndstørrelser.
Begrensningsteknikken, som konverterer lineær forlengelse til bøyebevegelse, kan også brukes på toveis vevde ark.Vi vever bomullstrådene på den ene siden av renningen og veftvevde ark slik at de ikke utvider seg (fig. 7A).Således, når to AMF-er mottar hydraulisk trykk uavhengig av hverandre, gjennomgår arket en toveis bøyebevegelse for å danne en vilkårlig tredimensjonal struktur.I en annen tilnærming bruker vi ikke-utvidbare garn for å begrense én retning av toveis vevde ark (figur 7B).Dermed kan arket gjøre uavhengige bøye- og strekkbevegelser når den tilsvarende AMF er under trykk.På fig.7B viser et eksempel hvor et toveis flettet ark styres til å vikle rundt to tredjedeler av en menneskelig finger med en bøyende bevegelse og deretter utvide lengden for å dekke resten med en strekkbevegelse.Toveisbevegelsen av ark kan være nyttig for motedesign eller smart klesutvikling.
Toveis vevd ark, strikket ark og radielt utvidbare designmuligheter.(A) Toveis limte toveis flettepaneler for å lage en toveis bøyning.(B) Enveis begrensede toveis flettepaneler produserer bøyning og forlengelse.(C) Svært elastisk strikket ark, som kan tilpasse seg forskjellig overflatekrumning og til og med danne rørformede strukturer.(D) avgrensning av senterlinjen til en radielt ekspanderende struktur som danner en hyperbolsk parabolsk form (potetgull).
Vi koblet to tilstøtende løkker av den øvre og nedre raden av den strikkede delen med sytråd slik at den ikke ville løsne (fig. 7C).Dermed er det vevde arket fullt fleksibelt og tilpasser seg godt til ulike overflatekurver, slik som hudoverflaten på menneskelige hender og armer.Vi laget også en rørformet struktur (hylse) ved å koble endene på den strikkede delen i kjøreretningen.Hylsen vikler godt rundt personens pekefinger (fig. 7C).Det vevde stoffets sinusitet gir utmerket passform og deformerbarhet, noe som gjør det enkelt å bruke i smart slitasje (hansker, kompresjonsermer), gir komfort (gjennom passform) og terapeutisk effekt (gjennom kompresjon).
I tillegg til 2D radiell ekspansjon i flere retninger, kan sirkulære vevde ark også programmeres til å danne 3D-strukturer.Vi begrenset senterlinjen til den runde fletten med akrylgarn for å forstyrre dens jevne radielle ekspansjon.Som et resultat ble den opprinnelige flate formen til det runde vevde arket transformert til en hyperbolsk parabolsk form (eller potetgull) etter trykksetting (fig. 7D).Denne formskiftende evnen kan implementeres som en løftemekanisme, en optisk linse, mobile robotben, eller kan være nyttig i motedesign og bioniske roboter.
Vi har utviklet en enkel teknikk for å lage bøyningsdrev ved å lime AMF på en stripe av ikke-strekkbart stoff (Figur 3).Vi bruker dette konseptet til å lage formprogrammerbare tråder der vi strategisk kan distribuere flere aktive og passive seksjoner i en AMF for å lage ønskede former.Vi fremstilte og programmerte fire aktive filamenter som kunne endre form fra rett til bokstav (UNSW) etter hvert som trykket ble økt (tilleggsbilde S4).Denne enkle metoden gjør at deformerbarheten til AMF kan gjøre 1D-linjer til 2D-former og muligens til og med 3D-strukturer.
I en lignende tilnærming brukte vi en enkelt AMF for å rekonfigurere et stykke passivt normalt vev til en aktiv tetrapod (fig. 8A).Ruting- og programmeringskonsepter ligner de som er vist i figur 3C.Men i stedet for rektangulære ark, begynte de å bruke stoffer med et firkantet mønster (skilpadde, bomullsmuslin).Derfor er bena lengre og strukturen kan heves høyere.Høyden på strukturen øker gradvis under press til bena er vinkelrett på bakken.Hvis innløpstrykket fortsetter å stige, vil bena synke innover, og senke høyden på konstruksjonen.Tetrapoder kan utføre bevegelse hvis bena deres er utstyrt med ensrettede mønstre eller bruker flere AMF-er med bevegelsesmanipulasjonsstrategier.Myke bevegelsesroboter er nødvendig for en rekke oppgaver, inkludert redninger fra skogbranner, kollapsede bygninger eller farlige miljøer, og medisinske medisinleveringsroboter.
Stoffet er rekonfigurert for å skape formskiftende strukturer.(A) Lim AMF til kanten av det passive stoffarket, og gjør det til en styrbar firbeint struktur.(BD) To andre eksempler på rekonfigurering av vev, forvandling av passive sommerfugler og blomster til aktive.Ikke-strekkbart stoff: vanlig bomullsmuslin.
Vi drar også fordel av enkelheten og allsidigheten til denne vevsrekonfigurasjonsteknikken ved å introdusere ytterligere to bioinspirerte strukturer for omforming (figur 8B-D).Med en rutbar AMF blir disse formdeformerbare strukturene rekonfigurert fra ark med passivt vev til aktive og styrbare strukturer.Inspirert av monarksommerfuglen lagde vi en transformerende sommerfuglstruktur ved å bruke et stykke sommerfuglformet stoff (bomullsmuslin) og et langt stykke AMF festet under vingene.Når AMF er under press, foldes vingene opp.I likhet med Monarch Butterfly, klaffer sommerfuglrobotens venstre og høyre vinger på samme måte fordi de begge er kontrollert av AMF.Sommerfuglklaffer er kun for visningsformål.Den kan ikke fly som Smart Bird (Festo Corp., USA).Vi laget også en stoffblomst (Figur 8D) bestående av to lag med fem kronblader hver.Vi plasserte AMF under hvert lag etter ytterkanten av kronbladene.Til å begynne med er blomstene i full blomst, med alle kronbladene helt åpne.Under press forårsaker AMF en bøyebevegelse av kronbladene, noe som får dem til å lukke seg.De to AMF-ene kontrollerer uavhengig bevegelsen til de to lagene, mens de fem kronbladene i ett lag bøyer seg på samme tid.
Innleggstid: 26. desember 2022