Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liugurinuppe.
Tekstiilide ja tehislihaste kombineerimine nutikate tekstiilide loomiseks äratab suurt tähelepanu nii teadus- kui ka tööstusringkondades.Nutikad tekstiilid pakuvad palju eeliseid, sealhulgas kohanemismugavust ja kõrget vastavust objektidele, pakkudes samal ajal aktiivset käivitamist soovitud liikumise ja tugevuse saavutamiseks.See artikkel tutvustab uut klassi programmeeritavaid nutikaid kangaid, mis on valmistatud erinevatel vedelikku juhitavate tehislihaskiudude kudumis-, kudumis- ja liimimismeetoditel.Kootud ja kootud tekstiililehtede pikenemisjõu suhte kirjeldamiseks töötati välja matemaatiline mudel ning seejärel katsetati selle kehtivust eksperimentaalselt.Uuel "nutikal" tekstiilil on suur paindlikkus, konformaalsus ja mehaaniline programmeerimine, mis võimaldab mitmeliigilise liikumise ja deformatsioonivõimalusi laiemate rakenduste jaoks.Eksperimentaalse kontrollimise teel on loodud erinevaid nutikaid tekstiili prototüüpe, sealhulgas erinevaid kuju muutmise juhtumeid, nagu pikenemine (kuni 65%), pindala laiendamine (108%), radiaalne paisumine (25%) ja painutusliigutus.Samuti uuritakse kontseptsiooni passiivsete traditsiooniliste kudede ümberkonfigureerimiseks aktiivseteks struktuurideks biomimeetiliste vormimisstruktuuride jaoks.Kavandatavad nutikad tekstiilid peaksid hõlbustama nutikate kantavate seadmete, haptiliste süsteemide, biomimeetiliste pehmete robotite ja kantava elektroonika arendamist.
Jäigad robotid on tõhusad struktureeritud keskkondades töötamisel, kuid neil on probleeme muutuvate keskkondade tundmatu kontekstiga, mis piirab nende kasutamist otsingul või uurimisel.Loodus üllatab meid jätkuvalt paljude leidlike strateegiatega välistegurite ja mitmekesisusega toimetulemiseks.Näiteks teevad ronitaimede kõõlused multimodaalseid liigutusi, nagu painutamine ja spiraalimine, et uurida sobivat tuge otsides tundmatut keskkonda1.Veenuse kärbsepüünis (Dionaea muscipula) on lehtedel tundlikud karvad, mis käivitumisel klõpsavad saagi püüdmiseks2.Viimastel aastatel on huvitavaks uurimisteemaks kujunenud kehade deformeerumine või deformeerumine kahemõõtmelistest (2D) pindadest kolmemõõtmelisteks (3D) kujunditeks, mis matkivad bioloogilisi struktuure3,4.Need pehmed robotkonfiguratsioonid muudavad kuju, et kohaneda muutuva keskkonnaga, võimaldavad multimodaalset liikumist ja rakendavad jõudu mehaanilise töö tegemiseks.Nende haare on laienenud paljudele robootikarakendustele, sealhulgas juurutatavatele5, ümberkonfigureeritavatele ja isevolditavatele robotitele6,7, biomeditsiiniseadmetele8, sõidukitele9,10 ja laiendatavale elektroonikale11.
Programmeeritavate lamedate plaatide väljatöötamiseks on tehtud palju uuringuid, mis aktiveerimisel muutuvad keerukateks kolmemõõtmelisteks struktuurideks3.Lihtne idee deformeeritavate struktuuride loomiseks on kombineerida erinevate materjalide kihte, mis stiimulitega kokkupuutel painduvad ja kortsuvad12,13.Janbaz et al.14 ja Li et al.15 on selle kontseptsiooni rakendanud kuumustundlike multimodaalsete deformeeritavate robotite loomiseks.Origami-põhiseid struktuure, mis sisaldavad stiimulitele reageerivaid elemente, on kasutatud keerukate kolmemõõtmeliste struktuuride loomiseks 16, 17, 18.Bioloogiliste struktuuride morfogeneesist inspireerituna avaldasid Emmanuel et al.Kuju deformeeruvad elastomeerid luuakse õhukanalite korraldamisega kummipinna sees, mis rõhu all muutuvad keerukateks, suvalisteks kolmemõõtmelisteks kujunditeks.
Tekstiilide või kangaste integreerimine deformeeritavatesse pehmetesse robotitesse on veel üks uus kontseptsiooniprojekt, mis on tekitanud laialdast huvi.Tekstiil on pehmed ja elastsed materjalid, mis on valmistatud lõngast kudumistehnikate abil, nagu kudumine, kudumine, punumine või sõlmekudumine.Kangaste hämmastavad omadused, sealhulgas paindlikkus, sobivus, elastsus ja hingavus, muudavad need väga populaarseks kõiges alates rõivastest kuni meditsiiniliste rakendusteni20.Tekstiilide lisamiseks robootikasse on kolm laiapõhjalist lähenemisviisi21.Esimene lähenemisviis on kasutada tekstiili teiste komponentide passiivse aluse või alusena.Sel juhul tagavad passiivsed tekstiilid kasutajale mugava istuvuse jäikade komponentide (mootorid, andurid, toiteplokk) kandmisel.Enamik pehmeid kantavaid roboteid või pehmeid eksoskelette kuuluvad selle lähenemisviisi alla.Näiteks pehmed kantavad eksoskeletid kõndimisabivahendite 22 ja küünarnuki abivahendite jaoks 23, 24, 25, pehmed kantavad kindad 26 käte ja sõrmede abivahendite jaoks ning bioonilised pehmed robotid 27.
Teine lähenemisviis on kasutada tekstiili pehmete robotseadmete passiivsete ja piiratud komponentidena.Sellesse kategooriasse kuuluvad tekstiilipõhised täiturmehhanismid, kus kangas on tavaliselt valmistatud sisemise vooliku või kambri välise konteinerina, moodustades pehme kiuga tugevdatud ajam.Välise pneumaatilise või hüdraulilise allikaga kokkupuutel muutuvad nende pehmete ajamite kuju, sealhulgas pikenemine, painutamine või keerdumine, olenevalt nende algsest koostisest ja konfiguratsioonist.Näiteks Talman et al.Ortopeedilised pahkluu riided, mis koosnevad kangast taskutest, on kasutusele võetud, et hõlbustada jalatalla painutamist, et taastada kõnnakut28.Erineva venivusega tekstiilikihte saab kombineerida, et tekitada anisotroopne liikumine 29 .OmniSkins – mitmesugustest pehmetest täiturmehhanismidest ja alusmaterjalidest valmistatud pehmed robotnahad võivad muuta passiivsed objektid multifunktsionaalseteks aktiivseteks robotiteks, mis suudavad teostada mitmeliigseid liikumisi ja deformatsioone erinevate rakenduste jaoks.Zhu et al.on välja töötanud vedela koe lihaselehe31, mis võib tekitada pikenemist, painutust ja erinevaid deformatsiooniliigutusi.Buckner et al.Integreerige funktsionaalsed kiud tavapärastesse kudedesse, et luua robotkudesid, millel on mitu funktsiooni, nagu käivitamine, tuvastamine ja muutuv jäikus32.Selle kategooria muid meetodeid leiate nendest artiklitest 21, 33, 34, 35.
Hiljutine lähenemisviis tekstiilide parimate omaduste ärakasutamiseks pehme robootika valdkonnas on reaktiivsete või stiimulitele reageerivate filamentide kasutamine nutikate tekstiilide loomiseks, kasutades traditsioonilisi tekstiilitootmismeetodeid, nagu kudumine, kudumine ja kudumismeetodid21, 36, 37.Sõltuvalt materjali koostisest põhjustab reaktiivne lõng elektrilise, termilise või rõhu mõjul kuju muutumist, mis põhjustab kanga deformatsiooni.Selle lähenemisviisi puhul, kus traditsioonilised tekstiilid on integreeritud pehmesse robotsüsteemi, toimub tekstiili ümberkujundamine pigem sisemisel kihil (lõngal), mitte väliskihil.Sellisena pakuvad nutikad tekstiilid suurepärast juhitavust nii multimodaalse liikumise, programmeeritava deformatsiooni, venitatavuse kui ka jäikuse reguleerimise osas.Näiteks saab kangastesse lisada kujumälusulameid (SMA-sid) ja kujumälupolümeere (SMP-sid), et nende kuju termilise stimulatsiooni abil aktiivselt kontrollida, näiteks palistamine38, kortsude eemaldamine36,39, kombatav ja kombatav tagasiside40,41, samuti adaptiivne. kantavad riided.seadmed 42 .Soojusenergia kasutamine kütmiseks ja jahutamiseks põhjustab aga aeglase reaktsiooni ning raskendatud jahutamise ja juhtimise.Hiljuti avaldasid Hiramitsu et al.McKibbeni peeneid lihaseid43,44, pneumaatilisi tehislihaseid, kasutatakse lõimelõngadena, et luua koestruktuuri muutes erinevaid aktiivtekstiilide vorme45.Kuigi selline lähenemine annab suuri jõude, on McKibbeni lihase olemuse tõttu selle laienemiskiirus piiratud (< 50%) ja väikest suurust ei ole võimalik saavutada (läbimõõt < 0,9 mm).Lisaks on teravaid nurki nõudvatest kudumismeetoditest olnud keeruline moodustada nutikaid tekstiilimustreid.Nutikatekstiilide laiema valiku moodustamiseks koostasid Maziz et al.Elektroaktiivsed kantavad tekstiilid on välja töötatud elektritundlike polümeerniitide kudumise ja kudumise teel46.
Viimastel aastatel on esile kerkinud uut tüüpi termotundlik tehislihas, mis on valmistatud väga keerdunud ja odavatest polümeerkiududest47,48.Need kiud on kaubanduslikult saadaval ja neid saab hõlpsasti lisada kudumisse või kudumisse, et toota taskukohaseid nutikaid riideid.Hoolimata edusammudest on nendel uutel kuumustundlikel tekstiilidel piiratud reageerimisajad, kuna on vaja soojendada ja jahutada (nt reguleeritud temperatuuriga tekstiilid) või keeruliste kootud ja kootud mustrite valmistamise raskustest, mida saab programmeerida soovitud deformatsioonide ja liikumiste tekitamiseks. .Näited hõlmavad radiaalset laiendamist, 2D-vormingut 3D-vorminguks või kahesuunalist laiendamist, mida siin pakume.
Nendest ülalmainitud probleemidest ülesaamiseks tutvustatakse selles artiklis uut vedelikuga töötavat nutikat tekstiili, mis on valmistatud meie hiljuti kasutusele võetud pehmetest tehislihaskiududest (AMF)49,50,51.AMF-id on väga paindlikud, skaleeritavad ja neid saab vähendada 0,8 mm läbimõõduni ja suurte pikkusteni (vähemalt 5000 mm), pakkudes kõrget kuvasuhet (pikkus ja läbimõõt), samuti suurt pikenemist (vähemalt 245%) ja suurt energiat tõhusus, alla 20 Hz kiire reageerimine).Nutikate tekstiilide loomiseks kasutame AMF-i aktiivlõngana, et moodustada 2D aktiivseid lihaskihte läbi kudumis- ja kudumistehnikate.Oleme kvantitatiivselt uurinud nende "nutikate" kudede paisumiskiirust ja kokkutõmbumisjõudu vedeliku mahu ja tarnitud rõhu osas.Kootud ja kootud lehtede pikenemisjõu suhte kindlaksmääramiseks on välja töötatud analüütilised mudelid.Samuti kirjeldame mitmeid mehaanilisi programmeerimistehnikaid nutikate tekstiilide jaoks multimodaalseks liikumiseks, sealhulgas kahesuunaline pikendamine, painutamine, radiaalne laiendamine ja 2D-lt 3D-le ülemineku võimalus.Oma lähenemisviisi tugevuse demonstreerimiseks integreerime AMF-i ka kaubanduslikesse kangastesse või tekstiilidesse, et muuta nende konfiguratsioon passiivsest aktiivseks, mis põhjustab erinevaid deformatsioone.Oleme seda kontseptsiooni demonstreerinud ka mitmel eksperimentaalsel katsestendil, sealhulgas programmeeritav niitide painutamine soovitud tähtede ja kuju muutvate bioloogiliste struktuuride saamiseks selliste objektide nagu liblikad, neljajalgsed struktuurid ja lilled.
Tekstiilid on painduvad kahemõõtmelised struktuurid, mis on moodustatud läbipõimunud ühemõõtmelistest niitidest, nagu lõngad, niidid ja kiud.Tekstiil on üks inimkonna vanimaid tehnoloogiaid ja seda kasutatakse laialdaselt kõigis eluvaldkondades tänu oma mugavusele, kohanemisvõimele, hingavusele, esteetikale ja kaitsele.Nutikaid tekstiile (tuntud ka kui nutikad riided või robotkangad) kasutatakse teadusuuringutes üha enam, kuna neil on suur potentsiaal robotirakendustes20,52.Nutikad tekstiilid tõotavad parandada inimese kogemust pehmete objektidega suhtlemisel, tuues sisse paradigma muutuse valdkonnas, kus õhukese painduva kanga liikumist ja jõude saab kontrollida konkreetsete ülesannete täitmiseks.Selles artiklis uurime kahte lähenemisviisi nutikate tekstiilide tootmiseks, mis põhinevad meie hiljutisel AMF-il49: (1) kasutage AMF-i aktiivse lõngana nutikate tekstiilide loomiseks traditsiooniliste tekstiilitootmistehnoloogiate abil;(2) sisestage AMF otse traditsioonilistesse kangastesse, et stimuleerida soovitud liikumist ja deformatsiooni.
AMF koosneb sisemisest silikoontorust hüdraulika toiteks ja välisest spiraalsest mähisest, mis piirab selle radiaalset laienemist.Seega pikenevad AMF-id rõhu rakendamisel pikisuunas ja avaldavad seejärel kokkutõmbumisjõudu, et naasta rõhu vabastamisel oma algsele pikkusele.Neil on traditsiooniliste kiududega sarnased omadused, sealhulgas paindlikkus, väike läbimõõt ja pikk pikkus.Siiski on AMF liikumise ja tugevuse osas aktiivsem ja kontrollitavam kui tema tavalised kolleegid.Inspireerituna hiljutistest kiiretest edusammudest nutikate tekstiilide vallas, tutvustame siin nelja peamist lähenemisviisi nutikate tekstiilide tootmiseks, rakendades AMF-i kauaaegsele kangatootmistehnoloogiale (joonis 1).
Esimene viis on kudumine.Kasutame koekudumistehnoloogiat, et toota reaktiivset kootud kangast, mis hüdraulilisel käivitamisel avaneb ühes suunas.Kootud linad on väga venivad ja venivad, kuid kipuvad kergemini lahti harutama kui kootud linad.Sõltuvalt juhtimismeetodist võib AMF moodustada üksikuid ridu või terviklikke tooteid.Lisaks tasapinnalistele lehtedele sobivad AMF õõneskonstruktsioonide valmistamiseks ka torukujulised kudumismustrid.Teine meetod on kudumine, kus kasutame lõime ja koena kahte AMF-i, et moodustada ristkülikukujuline kootud leht, mis võib kahes suunas iseseisvalt laieneda.Kootud linad tagavad parema kontrolli (mõlemas suunas) kui silmkoelised linad.Kudusime ka traditsioonilisest lõngast AMF-i, et teha lihtsam kootud leht, mida saab lahti kerida ainult ühes suunas.Kolmas meetod – radiaalne paisumine – on kudumistehnika variant, mille puhul AMP-d paiknevad mitte ristkülikus, vaid spiraalis ning niidid annavad radiaalse piirangu.Sellisel juhul paisub punutis sisselaskerõhu all radiaalselt.Neljas lähenemine on kleepida AMF passiivse kangalehele, et tekitada painutusliikumine soovitud suunas.Oleme passiivse eraldusplaadi ümber seadistanud aktiivseks eraldusplaadiks, käivitades AMF-i ümber selle serva.See AMF-i programmeeritav olemus avab lugematuid võimalusi bioloogilisest inspireeritud kuju muutvate pehmete struktuuride jaoks, kus saame muuta passiivsed objektid aktiivseteks.See meetod on lihtne, lihtne ja kiire, kuid võib kahjustada prototüübi pikaealisust.Lugejale viidatakse kirjanduses muudele lähenemisviisidele, mis kirjeldavad üksikasjalikult iga koe omaduse tugevaid ja nõrku külgi21, 33, 34, 35.
Enamik traditsiooniliste kangaste valmistamiseks kasutatavaid niite või lõngasid sisaldavad passiivseid struktuure.Selles töös kasutame oma varem välja töötatud AMF-i, mis võib ulatuda meetripikkuse ja submillimeetrise läbimõõduni, et asendada traditsioonilised passiivsed tekstiillõngad AFM-iga, et luua intelligentseid ja aktiivseid kangaid laiemateks rakendusteks.Järgmistes osades kirjeldatakse üksikasjalikke meetodeid nutikate tekstiilprototüüpide valmistamiseks ning tutvustatakse nende peamisi funktsioone ja käitumist.
Me meisterdasime kolm AMF-särki, kasutades koekudumistehnikat (joonis 2A).Materjalivaliku ning AMF-ide ja prototüüpide üksikasjalikud spetsifikatsioonid leiate jaotisest Meetodid.Iga AMF järgib käänulist rada (nimetatakse ka marsruudiks), mis moodustab sümmeetrilise ahela.Iga rea silmused on fikseeritud nende kohal ja all olevate ridade silmustega.Rajaga risti oleva ühe kolonni rõngad ühendatakse võlliks.Meie silmkoeline prototüüp koosneb kolmest seitsmest silmusest (või seitsmest silmusest) igas reas.Ülemised ja alumised rõngad ei ole fikseeritud, seega saame need kinnitada vastavate metallvarraste külge.Kootud prototüübid hargnesid lahti lihtsamini kui tavalised silmkoekangad tänu AMF-i suuremale jäikusele võrreldes tavaliste lõngadega.Seetõttu sidusime külgnevate ridade aasad peenikeste elastsete nööridega.
Erinevate AMF-i konfiguratsioonidega rakendatakse erinevaid nutikaid tekstiiliprototüüpe.(A) Kolmest AMF-ist valmistatud silmkoeline leht.(B) Kahesuunaline kahe AMF-i kootud leht.(C) AMF-ist ja akrüüllõngast valmistatud ühesuunaline kootud leht talub 500 g koormust, mis on 192 korda suurem kui selle kaal (2,6 g).(D) Radiaalselt laienev struktuur ühe AMF-i ja puuvillase lõngaga radiaalse piiranguna.Üksikasjalikud spetsifikatsioonid leiate jaotisest Meetodid.
Kuigi kudumi siksakilised aasad võivad venida erinevatesse suundadesse, laieneb meie kudumi prototüüp liikumissuuna piirangute tõttu rõhu all eelkõige silmuse suunas.Iga AMF-i pikendamine aitab kaasa silmkoelise lehe kogupinna laienemisele.Sõltuvalt konkreetsetest nõuetest saame juhtida kolme AMF-i sõltumatult kolmest erinevast vedelikuallikast (joonis 2A) või samaaegselt ühest vedelikuallikast 1-3 vedelikujaoturi kaudu.Joonisel fig.2A on näide silmkoelisest prototüübist, mille esialgne pindala suurenes kolmele AMP-le (1,2 MPa) survet avaldades 35%.Eelkõige saavutab AMF suure pikenemise, vähemalt 250% oma algsest pikkusest49, nii et silmkoelised linad võivad venida isegi rohkem kui praegused versioonid.
Samuti lõime kahesuunalised kudumislehed, mis moodustati kahest AMF-ist, kasutades tavalise kudumise tehnikat (joonis 2B).AMF lõime ja kude on põimunud täisnurga all, moodustades lihtsa ristuva mustri.Meie prototüüpkoe klassifitseeriti tasakaalustatud tavaliseks kudumiseks, kuna nii lõimel- kui ka koelõngad valmistati samast suurusest (üksikasju vt jaotisest Meetodid).Erinevalt tavalistest niitidest, mis võivad moodustada teravaid volte, nõuab rakendatud AMF teatud painderaadiust, kui naaseb kudumismustri teise niidi juurde.Seetõttu on AMP-st valmistatud kootud lehtedel väiksem tihedus võrreldes tavaliste kootud tekstiilidega.AMF-tüüpi S (välisläbimõõt 1,49 mm) on minimaalne painderaadius 1,5 mm.Näiteks selles artiklis esitletud kudumi prototüübil on 7 × 7 niidi muster, kus iga ristmik on stabiliseeritud õhukese elastse nööri sõlmega.Sama kudumistehnikat kasutades saate rohkem kiude.
Kui vastav AMF saab vedeliku survet, laiendab kootud leht oma ala lõime või koe suunas.Seetõttu kontrollisime põimitud lehe mõõtmeid (pikkus ja laius), muutes sõltumatult kahele AMP-le rakendatud sisendrõhu suurust.Joonisel fig.2B kujutab kootud prototüüpi, mis laienes 44%-ni oma algsest pindalast, avaldades samal ajal survet ühele AMP-le (1,3 MPa).Kahe AMF-i samaaegsel survel suurenes pindala 108%.
Samuti valmistasime ühest AMF-ist ühesuunalise kootud lehe, mille koelõngaks olid lõimelõngad ja akrüüllõngad (joonis 2C).AMF-id on paigutatud seitsmesse siksakilisesse ritta ja niidid põimivad need AMF-ide read kokku, moodustades ristkülikukujulise kangalehe.See kootud prototüüp oli tihedam kui joonisel 2B, tänu pehmetele akrüülniitidele, mis täitsid hõlpsalt kogu lehe.Kuna me kasutame lõimena ainult ühte AMF-i, saab kootud leht laieneda ainult rõhu all lõime suunas.Joonisel 2C on näide kootud prototüübist, mille esialgne pindala suureneb rõhu suurenedes (1,3 MPa) 65%.Lisaks suudab see punutud tükk (kaaluga 2,6 grammi) tõsta 500 grammi raskust, mis on selle massist 192 korda suurem.
Selle asemel, et paigutada AMF ristkülikukujulise kootud lehe loomiseks siksakmustrisse, valmistasime AMF-i lameda spiraalse kuju, mis seejärel piirati radiaalselt puuvillase lõngaga, et luua ümmargune kootud leht (joonis 2D).AMF-i kõrge jäikus piirab selle täitmist plaadi keskosas.Selle polsterduse võib aga valmistada elastsest lõngast või elastsest kangast.Hüdraulilise rõhu saamisel muudab AMP oma pikisuunalise pikenemise lehe radiaalseks paisumiseks.Samuti väärib märkimist, et nii spiraalikujulise kuju välis- kui ka siseläbimõõt on suurenenud kiudude radiaalse piirangu tõttu.Joonisel 2D on näidatud, et rakendatud hüdraulilise rõhuga 1 MPa laieneb ümara lehe kuju 25% -ni selle algsest pindalast.
Tutvustame siin teist lähenemisviisi nutikate tekstiilide valmistamisele, kus liimime AMF-i tasasele kangatükile ja konfigureerime selle ümber passiivsest aktiivselt juhitavaks struktuuriks.Painutusajami konstruktsiooniskeem on näidatud joonisel fig.3A, kus AMP volditakse keskelt alla ja liimitakse mittevenivast kangaribale (puuvillane musliinriie), kasutades kleepainena kahepoolset teipi.Pärast tihendamist võib AMF-i ülaosa vabalt välja ulatuda, samas kui alumine osa on piiratud teibi ja kangaga, mistõttu riba paindub kanga poole.Me saame desaktiveerida paindeajami mis tahes osa kõikjal, kleepides sellele lihtsalt lindiriba.Deaktiveeritud segment ei saa liikuda ja muutub passiivseks segmendiks.
Kangad konfigureeritakse ümber, kleepides AMF-i traditsioonilistele kangastele.(A) Painutusajami disainikontseptsioon, mis on valmistatud volditud AMF-i liimimisel venimatule kangale.(B) Täiturmehhanismi prototüübi painutamine.(C) Ristkülikukujulise riide ümberkonfigureerimine aktiivseks neljajalgseks robotiks.Mitteelastne kangas: puuvillane jersey.Stretch kangas: polüester.Üksikasjalikud spetsifikatsioonid leiate jaotisest Meetodid.
Valmistasime mitu erineva pikkusega painutusajami prototüüpi ja survestasime need hüdraulika abil, et tekitada painutusliikumine (joonis 3B).Oluline on see, et AMF-i saab paigutada sirgjooneliselt või kokku voltida, et moodustada mitu niiti, ja seejärel liimida kangale, et luua sobiva arvu keermetega painutusajam.Teisendasime ka passiivse koe lehe aktiivseks tetrapoodi struktuuriks (joonis 3C), kus kasutasime AMF-i ristkülikukujulise venitamatu koe (puuvillase musliinriie) piiride suunamiseks.AMP kinnitatakse kangale kahepoolse teibiga.Iga serva keskosa teibitakse passiivseks, samas kui neli nurka jäävad aktiivseks.Stretch kangast pealiskate (polüester) on valikuline.Kanga neli nurka painduvad (näeb välja nagu jalad) vajutamisel.
Ehitasime katsestendi, et kvantitatiivselt uurida väljatöötatud nutikate tekstiilide omadusi (vt jaotist Meetodid ja täiendavat joonist S1).Kuna kõik proovid olid valmistatud AMF-st, on katsetulemuste üldine suundumus (joonis 4) kooskõlas AMF-i põhiomadustega, nimelt on sisselaskerõhk otseselt võrdeline väljalaskeava pikenemisega ja pöördvõrdeline survejõuga.Nendel nutikatel kangastel on aga ainulaadsed omadused, mis peegeldavad nende spetsiifilist konfiguratsiooni.
Sisaldab nutikaid tekstiilikonfiguratsioone.(A, B) Hüstereesikõverad sisendrõhu ja väljalaskeava pikenemise ning kootud lehtede jõu jaoks.(C) Kootud lehe pindala laiendamine.(D,E) Sisendrõhu ja väljundi pikenemise ning jõu seos kudumite puhul.(F) Radiaalselt laienevate struktuuride pindala laienemine.(G) Kolme erineva pikkusega painutusajami painutusnurgad.
Iga kootud lehe AMF allutati sisselaskerõhule 1 MPa, et tekitada ligikaudu 30% pikenemine (joonis 4A).Valisime selle läve kogu katse jaoks mitmel põhjusel: (1) märkimisväärse pikenemise loomiseks (ligikaudu 30%), et rõhutada nende hüstereesikõveraid, (2) et vältida erinevatest katsetest ja korduvkasutatavate prototüüpide tsüklit, mis põhjustab juhuslikku kahju või ebaõnnestumist..kõrge vedeliku rõhu all.Surnud tsoon on selgelt nähtav ja punutis jääb liikumatuks, kuni sisendrõhk jõuab 0,3 MPa-ni.Rõhu pikenemise hüstereesi graafik näitab suurt vahet pumpamise ja vabastamise faasi vahel, mis näitab, et kootud lehe liikumisel paisumisest kokkutõmbumisele tekib märkimisväärne energiakadu.(joonis 4A).Pärast 1 MPa sisendrõhu saavutamist võib kootud leht avaldada kokkutõmbumisjõudu 5,6 N (joonis 4B).Rõhu-jõu hüstereesi graafik näitab ka, et lähtestuskõver peaaegu kattub rõhu suurenemise kõveraga.Kootud lehe pindala laienemine sõltus mõlemale kahele AMF-ile rakendatud rõhu suurusest, nagu on näidatud 3D-pinna graafikul (joonis 4C).Katsed näitavad ka, et kootud leht võib tekitada 66% pindala laienemist, kui selle lõime ja koe AMF-idele allutatakse samaaegselt hüdrauliline rõhk 1 MPa.
Silmkoelise lehe katsetulemused näitavad kootud lehega sarnast mustrit, sealhulgas laia hüstereesivahet tõmbe-rõhu diagrammil ja kattuvaid surve-jõu kõveraid.Kootud leht pikenes 30%, misjärel oli survejõud 9 N sisselaskerõhul 1 MPa (joonis 4D, E).
Ümmarguse kootud lehe puhul suurenes selle esialgne pindala 25% võrreldes esialgse pindalaga pärast kokkupuudet vedeliku rõhuga 1 MPa (joonis 4F).Enne kui proov hakkab paisuma, on suur sisselaskerõhu surnud tsoon kuni 0,7 MPa.Seda suurt surnud tsooni oodati, kuna proovid tehti suurematest AMF-idest, mis nõudsid esialgsest pingest ülesaamiseks suuremat rõhku.Joonisel fig.4F näitab ka, et vabastamiskõver langeb peaaegu kokku rõhu suurenemise kõveraga, mis näitab väikest energiakadu, kui ketta liikumine on lülitatud.
Kolme painutusajami katsetulemused (koe ümberkonfigureerimine) näitavad, et nende hüstereesikõveratel on sarnane muster (joonis 4G), kus nende sisselaskerõhu surnud tsoon on enne tõstmist kuni 0,2 MPa.Kandsime kolmele painutusajamile (L20, L30 ja L50 mm) sama koguse vedelikku (0,035 ml).Kuid igal täiturmehhanismil tekkisid erinevad rõhu tipud ja erinevad paindenurgad.L20 ja L30 mm täiturmehhanismide sisselaskerõhk oli 0,72 ja 0,67 MPa, saavutades paindenurgad vastavalt 167° ja 194°.Pikim painutusajam (pikkus 50 mm) talus rõhku 0,61 MPa ja saavutas maksimaalse paindenurga 236°.Survenurga hüstereesi graafikud näitasid ka suhteliselt suuri lünki survestamise ja vabastamise kõverate vahel kõigi kolme painutusajami puhul.
Ülaltoodud nutikate tekstiilikonfiguratsioonide sisendmahu ja väljundomaduste (pikenemine, jõud, pindala laienemine, paindenurk) vahelise seose leiate lisajoonisel S2.
Eelmise jaotise katsetulemused näitavad selgelt proportsionaalset seost rakendatud sisselaske rõhu ja AMF-proovide väljalaske pikenemise vahel.Mida tugevamalt AMB on pingutatud, seda suuremat venivust see arendab ja seda rohkem elastset energiat see akumuleerib.Seega, mida suuremat survejõudu see avaldab.Tulemused näitasid ka, et proovid saavutasid maksimaalse survejõu, kui sisselaskerõhk oli täielikult eemaldatud.Selle jaotise eesmärk on luua analüütilise modelleerimise ja eksperimentaalse kontrolli abil otsene seos silmkoeliste ja kootud lehtede pikenemise ja maksimaalse kokkutõmbumisjõu vahel.
Ühe AMF-i maksimaalne kokkutõmbumisjõud Fout (sisendrõhul P = 0) esitati viites 49 ja taaskehtestati järgmiselt:
Nende hulgas on α, E ja A0 vastavalt venitustegur, Youngi moodul ja silikoontoru ristlõikepindala;k on spiraalse mähise jäikuse koefitsient;x ja li on nihe ja algpikkus.AMP vastavalt.
õige võrrand.(1) Võtke näiteks silmkoelised ja kootud linad (joonis 5A, B).Kootud toote Fkv ja kootud toote Fwh kokkutõmbumisjõudu väljendatakse võrranditega (2) ja (3).
kus mk on silmuste arv, φp on silmkoekanga silmuse nurk süstimise ajal (joonis 5A), mh on niitide arv, θhp on silmkoekanga haardumisnurk süstimise ajal (joonis 5B), εkv εwh on silmkoeline leht ja kootud lehe deformatsioon, F0 on spiraalpooli algpinge.Võrrandi üksikasjalik tuletamine.(2) ja (3) leiate täiendavast teabest.
Loo pikenemisjõu suhte analüütiline mudel.(A, B) Analüütilised mudeli illustratsioonid vastavalt kootud ja kootud lehtede jaoks.(C,D) Kootud ja kootud lehtede analüütiliste mudelite ja katseandmete võrdlus.RMSE Root keskmine ruutviga.
Väljatöötatud mudeli testimiseks viisime läbi pikenemise katsed, kasutades joonisel 2A näidatud silmkoemustreid ja joonisel fig. 2B kujutatud punutud proove.Kokkutõmbumisjõudu mõõdeti 5% sammuga iga lukustatud pikendusega vahemikus 0% kuni 50%.Viie katse keskmine ja standardhälve on esitatud joonistel 5C (kudum) ja joonisel 5D (kudum).Analüütilise mudeli kõveraid kirjeldatakse võrranditega.Parameetrid (2) ja (3) on toodud tabelis.1. Tulemused näitavad, et analüütiline mudel ühtib hästi kogu pikenemisvahemiku katseandmetega, kudumite puhul ruutkeskmise veaga (RMSE) 0,34 N, kootud AMF H puhul 0,21 N (horisontaalne suund) ja 0,17 N. kootud AMF-i jaoks.V (vertikaalne suund).
Lisaks põhiliigutustele saab pakutavaid nutitekstiile mehaaniliselt programmeerida, et võimaldada keerukamaid liigutusi, nagu S-pain, radiaalne kokkutõmbumine ja 2D kuni 3D deformatsioon.Tutvustame siin mitmeid meetodeid lamedate nutikate tekstiilide programmeerimiseks soovitud struktuuridesse.
Lisaks domeeni laiendamisele lineaarses suunas saab ühesuunalisi kootud lehti mehaaniliselt programmeerida, et luua multimodaalne liikumine (joonis 6A).Konfigureerime põimitud lehe pikendamise ümber painutusliigutusena, piirates selle ühte külge (ülemine või alumine) õmblusniidiga.Lehed kipuvad surve all painduma piirdepinna poole.Joonisel fig.Joonisel 6A on kujutatud kaks näidet kootud paneelidest, mis muutuvad S-kujuliseks, kui üks pool on ülemisel küljel kitsas ja teine pool alumisel küljel kitsas.Teise võimalusena saate luua ringikujulise painutusliigutuse, kus ainult kogu nägu on piiratud.Ühesuunalisest punutud lehest saab valmistada ka survehülsi, ühendades selle kaks otsa torukujuliseks konstruktsiooniks (joonis 6B).Varrukat kantakse inimese nimetissõrme kohal, et pakkuda kompressiooni, mis on massaažiteraapia vorm valu leevendamiseks või vereringe parandamiseks.Seda saab skaleerida, et see sobiks teiste kehaosadega, nagu käed, puusad ja jalad.
Võimalus kududa lehti ühes suunas.(A) Deformeeritavate struktuuride loomine õmblusniidi kuju programmeeritavuse tõttu.(B) Sõrmega survehülss.(C) Põimitud lehe teine versioon ja selle rakendamine küünarvarre survehülsina.(D) Teine survehülsi prototüüp, mis on valmistatud AMF-tüüpi M, akrüüllõngast ja takjapaeladest.Üksikasjalikud spetsifikatsioonid leiate jaotisest Meetodid.
Joonisel fig 6C on näha veel üks näide ühesuunalisest kootud lehest, mis on valmistatud ühest AMF-ist ja puuvillasest lõngast.Leht võib pindalalt laieneda 45% (1,2 MPa juures) või põhjustada rõhu all ringliikumist.Oleme lisanud ka lina, et luua küünarvarre survehülss, kinnitades lehe otsa magnetrihmad.Veel üks prototüüp küünarvarre survehülss on näidatud joonisel 6D, milles ühesuunalised põimitud lehed valmistati M-tüüpi AMF-ist (vt meetodid) ja akrüüllõngadest, et tekitada tugevamaid survejõude.Linade otsad oleme varustanud takjapaeltega, et neid oleks lihtne kinnitada ja erinevate käesuuruste jaoks.
Piiramistehnika, mis muudab lineaarse pikenemise painutusliikumiseks, on rakendatav ka kahesuunaliste kootud lehtede puhul.Kudume puuvillased niidid lõime ja koe kootud lehtede ühele küljele, et need ei laieneks (joonis 7A).Seega, kui kaks AMF-i saavad hüdraulilist survet üksteisest sõltumatult, läbib leht kahesuunalise painutusliigutuse, moodustades suvalise kolmemõõtmelise struktuuri.Teise lähenemisviisi korral kasutame kahesuunaliste kootud lehtede ühe suuna piiramiseks venimatuid lõngasid (joonis 7B).Seega saab leht teha iseseisvaid painutus- ja venitusliigutusi, kui vastav AMF on surve all.Joonisel fig.7B on näide, kus kahesuunaline põimitud leht mähitakse painutusliigutusega ümber kahe kolmandiku inimese sõrmest ja seejärel pikendatakse selle pikkust, et katta ülejäänud osa venitusliigutusega.Linade kahesuunaline liikumine võib olla kasulik moedisaini või nutika rõivaarenduse jaoks.
Kahesuunaline kootud leht, silmkoeline leht ja radiaalselt laiendatavad disainivõimalused.(A) Kahesuunaliselt ühendatud kahesuunalised vitstest paneelid kahesuunalise painde loomiseks.(B) Ühesuunaliselt piiratud kahesuunalised vitstest paneelid tekitavad painde ja pikenemise.(C) Väga elastne silmkoeline leht, mis võib vastata erinevatele pinnakõverustele ja moodustada isegi torukujulisi struktuure.(D) hüperboolse paraboolse kujundi (kartulikrõpsud) moodustava radiaalselt laieneva struktuuri keskjoone piiritlemine.
Ühendasime kootud osa ülemise ja alumise rea kaks kõrvuti asetsevat silmust õmblusniidiga, et see lahti ei haruneks (joonis 7C).Seega on kootud leht täielikult painduv ja kohandub hästi erinevate pinnakõveratega, näiteks inimese käte ja käte nahapinnaga.Samuti lõime torukujulise konstruktsiooni (varruka), ühendades kootud osa sõidusuunalised otsad.Varrukas keerdub hästi ümber inimese nimetissõrme (joonis 7C).Kootud kanga kõverus tagab suurepärase sobivuse ja deformeeritavuse, muutes selle hõlpsaks kasutamiseks nutikas kandmises (kindad, kompressioonvarrukad), pakkudes mugavust (läbi sobivuse) ja terapeutilise efekti (läbi kompressiooni).
Lisaks 2D-radiaalsele laienemisele mitmes suunas saab ümmargused kootud lehed programmeerida ka 3D-struktuuride moodustamiseks.Piirasime ümmarguse punutise keskjoone akrüüllõngaga, et häirida selle ühtlast radiaalset laienemist.Selle tulemusena muudeti ümmarguse kootud lehe esialgne tasane kuju pärast survestamist hüperboolseks paraboolseks kujuks (või kartulikrõpsudeks) (joonis 7D).Seda kuju muutvat võimet saab rakendada tõstemehhanismina, optilise läätsena, mobiilsete roboti jalgadena või see võib olla kasulik moedisainis ja bioonilistes robotites.
Oleme välja töötanud lihtsa tehnika paindeajamite loomiseks, liimides AMF-i mittevenivast kangaribale (joonis 3).Kasutame seda kontseptsiooni kujuga programmeeritavate lõimede loomiseks, kus saame soovitud kujundite loomiseks strateegiliselt jaotada mitu aktiivset ja passiivset sektsiooni ühes AMF-is.Valmistasime ja programmeerisime neli aktiivset hõõgniiti, mis võivad rõhu suurenemisel muuta oma kuju sirgest täheks (UNSW) (täiendav joonis S4).See lihtne meetod võimaldab AMF-i deformeeritavust muuta 1D-jooned 2D-kujunditeks ja võib-olla isegi 3D-struktuurideks.
Sarnase lähenemisviisi korral kasutasime passiivse normaalse koe tüki aktiivseks tetrapoodiks ümberkonfigureerimiseks ühte AMF-i (joonis 8A).Marsruutimise ja programmeerimise kontseptsioonid on sarnased joonisel 3C kujutatutega.Kuid ristkülikukujuliste linade asemel hakati kasutama neljajalgse mustriga kangaid (kilpkonn, puuvillane musliin).Seetõttu on jalad pikemad ja konstruktsiooni saab kõrgemale tõsta.Konstruktsiooni kõrgus suureneb järk-järgult surve all, kuni selle jalad on maapinnaga risti.Kui sisselaskerõhk tõuseb jätkuvalt, vajuvad jalad sissepoole, vähendades konstruktsiooni kõrgust.Tetrajalgsed võivad liikuda, kui nende jalad on varustatud ühesuunaliste mustritega või kasutavad mitut AMF-i liikumisega manipuleerimise strateegiatega.Pehmeid liikumisroboteid on vaja mitmesuguste ülesannete täitmiseks, sealhulgas päästmiseks metsatulekahjudest, varisenud hoonetest või ohtlikest keskkondadest ning meditsiiniliste ravimite kohaletoimetamise roboteid.
Kangas on ümber konfigureeritud, et luua kuju muutvaid struktuure.(A) Liimige AMF passiivse kanga lehe serva külge, muutes selle juhitavaks neljajalgseks struktuuriks.(BD) Veel kaks näidet kudede ümberkonfigureerimisest, muutes passiivsed liblikad ja lilled aktiivseteks.Mitteveniv kangas: tavaline puuvillane musliin.
Samuti kasutame ära selle koe ümberkonfigureerimise tehnika lihtsuse ja mitmekülgsuse, lisades ümberkujundamiseks kaks täiendavat bioinspireeritud struktuuri (joonised 8B-D).Suunatava AMF-iga konfigureeritakse need vormiliselt deformeeruvad struktuurid passiivse koe lehtedest ümber aktiivseteks ja juhitavateks struktuurideks.Monarhliblikast inspireerituna tegime liblikakujulise kangatüki (puuvillane musliin) ja selle tiibade alla torgatud pika AMF-i tüki abil transformeeriva liblikastruktuuri.Kui AMF on rõhu all, voldivad tiivad üles.Nagu Monarch Butterfly, nii ka Butterfly Roboti vasak ja parem tiib klapivad ühtemoodi, kuna neid mõlemat juhib AMF.Liblikaklapid on mõeldud ainult kuvamiseks.See ei saa lennata nagu Smart Bird (Festo Corp., USA).Tegime ka riidest lille (joonis 8D), mis koosneb kahest kihist, kummaski viiest kroonlehest.Asetasime AMF-i iga kihi alla pärast kroonlehtede välisserva.Esialgu on õied täies õitsengus, kõik kroonlehed on täielikult avatud.Surve all põhjustab AMF kroonlehtede painutusliigutust, mille tulemusena need sulguvad.Kaks AMF-i juhivad iseseisvalt kahe kihi liikumist, samas kui ühe kihi viis kroonlehte painduvad samaaegselt.
Postitusaeg: 26. detsember 2022