Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Комбинирането на текстил и изкуствени мускули за създаване на интелигентен текстил привлича много внимание както от научните, така и от индустриалните общности.Интелигентният текстил предлага много предимства, включително адаптивен комфорт и висока степен на съответствие с обектите, като същевременно осигурява активно задействане за желаното движение и сила.Тази статия представя нов клас програмируеми интелигентни тъкани, направени с помощта на различни методи за тъкане, тъкане и залепване на изкуствени мускулни влакна, задвижвани от течности.Разработен е математически модел за описание на съотношението на силата на удължаване на плетени и тъкани текстилни листове и след това неговата валидност е тествана експериментално.Новият „интелигентен“ текстил се отличава с висока гъвкавост, конформност и механично програмиране, позволявайки мултимодални възможности за движение и деформация за по-широк спектър от приложения.Различни интелигентни текстилни прототипи са създадени чрез експериментална проверка, включително различни случаи на промяна на формата, като удължение (до 65%), разширение на площта (108%), радиално разширение (25%) и движение на огъване.Концепцията за преконфигуриране на пасивни традиционни тъкани в активни структури за биомиметични оформящи структури също се изследва.Предложеният интелигентен текстил се очаква да улесни разработването на интелигентни носими устройства, хаптични системи, биомиметични меки роботи и носима електроника.
Твърдите роботи са ефективни, когато работят в структурирани среди, но имат проблеми с непознатия контекст на променящите се среди, което ограничава използването им при търсене или изследване.Природата продължава да ни изненадва с много изобретателни стратегии за справяне с външни фактори и разнообразие.Например, пипалата на увивните растения извършват мултимодални движения, като огъване и спирала, за да изследват непозната среда в търсене на подходяща опора1.Венерината мухоловка (Dionaea muscipula) има чувствителни власинки по листата си, които при задействане щракват на място, за да уловят плячка2.През последните години деформацията или деформацията на тела от двуизмерни (2D) повърхности до триизмерни (3D) форми, които имитират биологични структури, се превърна в интересна изследователска тема3,4.Тези меки роботизирани конфигурации променят формата си, за да се адаптират към променящите се среди, позволяват мултимодално придвижване и прилагат сили за извършване на механична работа.Техният обхват се разшири до широк спектър от приложения за роботика, включително разгръщащи се5, преконфигурируеми и самосгъваеми роботи6,7, биомедицински устройства8, превозни средства9,10 и разширяема електроника11.
Направени са много изследвания за разработване на програмируеми плоски плочи, които, когато се активират, се трансформират в сложни триизмерни структури3.Една проста идея за създаване на деформируеми структури е да се комбинират слоеве от различни материали, които се огъват и набръчкват, когато са изложени на стимули12,13.Janbaz и др.14 и Li et al.15 са приложили тази концепция за създаване на чувствителни към топлина мултимодални деформируеми роботи.Базирани на оригами структури, включващи реагиращи на стимули елементи, са използвани за създаване на сложни триизмерни структури16,17,18.Вдъхновени от морфогенезата на биологичните структури, Emmanuel et al.Еластомери с деформируема форма се създават чрез организиране на въздушни канали в гумена повърхност, които под налягане се трансформират в сложни произволни триизмерни форми.
Интегрирането на текстил или тъкани в деформируеми меки роботи е друг нов концептуален проект, който предизвика широк интерес.Текстилът е мек и еластичен материал, изработен от прежда чрез техники на тъкане като плетене, тъкане, сплитане или тъкане на възли.Удивителните свойства на тъканите, включително гъвкавост, прилепване, еластичност и дишане, ги правят много популярни във всичко - от дрехи до медицински приложения20.Има три широки подхода за включване на текстила в роботиката21.Първият подход е да се използва текстилът като пасивна подложка или основа за други компоненти.В този случай пасивният текстил осигурява удобно прилягане на потребителя при носене на твърди компоненти (мотори, сензори, захранване).Повечето меки носими роботи или меки екзоскелети попадат в този подход.Например, меки носими екзоскелети за помощни средства при ходене 22 и помощни средства за лактите 23, 24, 25, меки носещи се ръкавици 26 за помощни средства за ръце и пръсти и бионични меки роботи 27.
Вторият подход е да се използва текстил като пасивни и ограничени компоненти на меки роботизирани устройства.Задвижващите механизми на основата на текстил попадат в тази категория, където тъканта обикновено е конструирана като външен контейнер, който да съдържа вътрешния маркуч или камера, образувайки задвижващ механизъм, подсилен с меки влакна.Когато са подложени на външен пневматичен или хидравличен източник, тези меки задвижващи механизми претърпяват промени във формата, включително удължаване, огъване или усукване, в зависимост от техния първоначален състав и конфигурация.Например Talman et al.Въведено е ортопедично облекло за глезена, състоящо се от серия джобове от плат, за да се улесни плантарната флексия за възстановяване на походката28.Текстилни слоеве с различна степен на разтегливост могат да се комбинират, за да се създаде анизотропно движение 29 .OmniSkins – меки роботизирани кожи, направени от различни меки задвижващи механизми и субстратни материали, могат да трансформират пасивни обекти в многофункционални активни роботи, които могат да извършват мултимодални движения и деформации за различни приложения.Zhu и др.са разработили течен тъканен мускулен лист31, който може да генерира удължаване, огъване и различни деформационни движения.Buckner и др.Интегрирайте функционални влакна в конвенционални тъкани, за да създадете роботизирани тъкани с множество функции като задействане, усещане и променлива твърдост32.Други методи в тази категория могат да бъдат намерени в тези статии 21, 33, 34, 35.
Неотдавнашен подход за овладяване на превъзходните свойства на текстила в областта на меката роботика е използването на реактивни или реагиращи на стимул нишки за създаване на интелигентни текстилни изделия, като се използват традиционни методи за производство на текстил, като методи на тъкане, плетене и тъкане21,36,37.В зависимост от състава на материала, реактивната прежда предизвиква промяна във формата, когато е подложена на електрическо, термично или натиск, което води до деформация на тъканта.При този подход, при който традиционните текстилни изделия са интегрирани в мека роботизирана система, преформатирането на текстила се извършва на вътрешния слой (прежда), а не на външния слой.Като такъв, интелигентният текстил предлага отлично управление по отношение на мултимодално движение, програмируема деформация, разтегливост и възможност за регулиране на твърдостта.Например, сплави с памет на формата (SMAs) и полимери с памет на формата (SMPs) могат да бъдат включени в тъканите за активно контролиране на тяхната форма чрез термична стимулация, като подгъване38, премахване на бръчки36,39, тактилна и тактилна обратна връзка40,41, както и адаптивна облекло за носене.устройства 42 .Използването на топлинна енергия за отопление и охлаждане обаче води до бавна реакция и трудно охлаждане и управление.Съвсем наскоро Hiramitsu et al.Фините мускули на McKibben43,44, пневматичните изкуствени мускули, се използват като нишки за основа за създаване на различни форми на активен текстил чрез промяна на структурата на тъкане45.Въпреки че този подход осигурява високи сили, поради естеството на мускула McKibben, неговата скорост на разширяване е ограничена (< 50%) и не може да се постигне малък размер (диаметър < 0,9 mm).В допълнение, беше трудно да се формират интелигентни текстилни модели от методи на тъкане, които изискват остри ъгли.За да формират по-широка гама от интелигентни текстилни изделия, Maziz et al.Електроактивните носими текстилни изделия са разработени чрез плетене и тъкане на електрочувствителни полимерни нишки46.
През последните години се появи нов тип термочувствителен изкуствен мускул, изграден от силно усукани, евтини полимерни влакна47,48.Тези влакна са налични в търговската мрежа и лесно се включват в тъкане или тъкане за производство на достъпни умни дрехи.Въпреки напредъка, тези нови термочувствителни текстилни изделия имат ограничено време за реакция поради необходимостта от нагряване и охлаждане (напр. текстил с контролирана температура) или трудността при изработването на сложни плетени и тъкани модели, които могат да бъдат програмирани да генерират желаните деформации и движения .Примерите включват радиално разширение, 2D към 3D трансформация на формата или двупосочно разширение, което предлагаме тук.
За да се преодолеят тези гореспоменати проблеми, тази статия представя нов интелигентен текстил, задвижван от течности, направен от нашите наскоро въведени меки изкуствени мускулни влакна (AMF)49,50,51.AMFs са много гъвкави, мащабируеми и могат да бъдат намалени до диаметър от 0,8 mm и големи дължини (най-малко 5000 mm), предлагайки високо аспектно съотношение (дължина към диаметър), както и голямо удължение (най-малко 245%), висока енергия ефективност, по-малко от 20Hz бърза реакция).За да създадем интелигентен текстил, ние използваме AMF като активна прежда за формиране на 2D активни мускулни слоеве чрез техники на плетене и тъкане.Изследвахме количествено скоростта на разширяване и силата на свиване на тези „умни“ тъкани по отношение на обема на течността и доставяното налягане.Разработени са аналитични модели за установяване на зависимостта на силата на удължение за плетени и тъкани листове.Ние също така описваме няколко техники за механично програмиране за интелигентни текстилни изделия за мултимодално движение, включително двупосочно разширение, огъване, радиално разширение и възможност за преход от 2D към 3D.За да демонстрираме силата на нашия подход, ние също ще интегрираме AMF в търговски тъкани или текстил, за да променим тяхната конфигурация от пасивни към активни структури, които причиняват различни деформации.Ние също така демонстрирахме тази концепция на няколко експериментални тестови стенда, включително програмируемо огъване на нишки за производство на желани букви и променящи формата си биологични структури във формата на обекти като пеперуди, четирикраки структури и цветя.
Текстилът е гъвкави двуизмерни структури, образувани от преплетени едноизмерни нишки като прежди, нишки и влакна.Текстилът е една от най-старите технологии на човечеството и се използва широко във всички аспекти на живота поради своя комфорт, адаптивност, дишане, естетика и защита.Интелигентният текстил (известен също като интелигентни дрехи или роботизирани тъкани) все повече се използва в научните изследвания поради големия им потенциал в роботизираните приложения20,52.Интелигентният текстил обещава да подобри човешкото изживяване при взаимодействие с меки предмети, давайки началото на промяна на парадигмата в областта, където движението и силите на тънката, гъвкава тъкан могат да бъдат контролирани за изпълнение на специфични задачи.В тази статия ние изследваме два подхода за производство на интелигентни текстилни изделия, базирани на нашия неотдавнашен AMF49: (1) използване на AMF като активна прежда за създаване на интелигентни текстилни изделия, използвайки традиционни технологии за производство на текстил;(2) вмъкнете AMF директно в традиционните тъкани, за да стимулирате желаното движение и деформация.
AMF се състои от вътрешна силиконова тръба за подаване на хидравлична мощност и външна спирална намотка за ограничаване на нейното радиално разширение.По този начин AMFs се удължават надлъжно, когато се прилага натиск и впоследствие проявяват контрактилни сили, за да се върнат към първоначалната си дължина, когато налягането се освободи.Те имат свойства, подобни на традиционните влакна, включително гъвкавост, малък диаметър и голяма дължина.Въпреки това, AMF е по-активен и контролиран по отношение на движение и сила от конвенционалните си събратя.Вдъхновени от скорошния бърз напредък в интелигентния текстил, тук представяме четири основни подхода за производство на интелигентен текстил чрез прилагане на AMF към отдавна установена технология за производство на тъкани (Фигура 1).
Първият начин е тъкането.Използваме технология за плетене на вътък, за да произведем реактивна плетена тъкан, която се разгъва в една посока при хидравлично задействане.Плетените чаршафи са много еластични и разтегливи, но са склонни да се разплитат по-лесно от тъканите чаршафи.В зависимост от метода на управление, AMF може да формира отделни редове или цели продукти.В допълнение към плоските листове, тръбните модели за плетене също са подходящи за производството на AMF кухи структури.Вторият метод е тъкане, където използваме две AMF като основа и вътък, за да образуваме правоъгълен тъкан лист, който може да се разширява независимо в две посоки.Тъканите чаршафи осигуряват повече контрол (и в двете посоки) от плетените чаршафи.Ние също изтъкахме AMF от традиционна прежда, за да направим по-опростен тъкан лист, който може да се развива само в една посока.Третият метод - радиално разширяване - е вариант на техниката на тъкане, при който AMPs са разположени не в правоъгълник, а в спирала, а нишките осигуряват радиално ограничение.В този случай оплетката се разширява радиално под налягането на входа.Четвъртият подход е да се залепи AMF върху лист пасивна тъкан, за да се създаде огъващо движение в желаната посока.Ние преконфигурирахме пасивната дъска за прекъсване в активна платка за прекъсване, като прокарахме AMF около нейния ръб.Тази програмируема природа на AMF отваря безброй възможности за био-вдъхновени меки структури, трансформиращи формата, където можем да превърнем пасивни обекти в активни.Този метод е прост, лесен и бърз, но може да компрометира дълготрайността на прототипа.Читателят се насочва към други подходи в литературата, които подробно описват силните и слабите страни на всяко тъканно свойство21,33,34,35.
Повечето конци или прежди, използвани за направата на традиционни тъкани, съдържат пасивни структури.В тази работа ние използваме нашия предварително разработен AMF, който може да достигне метри дължини и субмилиметрови диаметри, за да замени традиционните пасивни текстилни прежди с AFM, за да създадем интелигентни и активни тъкани за по-широк спектър от приложения.Следващите раздели описват подробни методи за създаване на интелигентни текстилни прототипи и представят основните им функции и поведение.
Изработихме ръчно три фланелки AMF, използвайки техниката на плетене на вътък (фиг. 2A).Изборът на материал и подробните спецификации за AMF и прототипите могат да бъдат намерени в раздела Методи.Всеки AMF следва криволичещ път (наричан още маршрут), който образува симетричен кръг.Бримките на всеки ред са фиксирани с бримки на редовете над и под тях.Пръстените на една колона, перпендикулярна на хода, се комбинират в вал.Нашият плетен прототип се състои от три реда по седем бримки (или седем бримки) във всеки ред.Горният и долният пръстен не са фиксирани, така че можем да ги закрепим към съответните метални пръти.Плетените прототипи се разплитаха по-лесно от конвенционалните трикотажни платове поради по-голямата твърдост на AMF в сравнение с конвенционалните прежди.Затова завързахме бримките на съседните редове с тънки еластични въжета.
Внедряват се различни интелигентни текстилни прототипи с различни AMF конфигурации.(A) Плетено платно, направено от три AMF.(B) Двупосочен тъкан лист от два AMF.(C) Еднопосочен тъкан лист, направен от AMF и акрилна прежда, може да понесе натоварване от 500 g, което е 192 пъти теглото му (2,6 g).(D) Радиално разширяваща се структура с един AMF и памучна прежда като радиално ограничение.Подробни спецификации можете да намерите в раздела Методи.
Въпреки че зигзагообразните бримки на една плетка могат да се разтягат в различни посоки, нашата прототипна плетка се разширява основно в посоката на бримката под натиск поради ограничения в посоката на движение.Удължаването на всеки AMF допринася за разширяването на общата площ на плетения лист.В зависимост от специфичните изисквания, ние можем да управляваме три AMF независимо от три различни източника на течност (Фигура 2A) или едновременно от един източник на течност чрез разпределител на течност 1 към 3.На фиг.2А показва пример на плетен прототип, чиято първоначална площ се увеличи с 35%, докато се прилага натиск върху три AMP (1,2 MPa).Трябва да се отбележи, че AMF постига голямо удължение от поне 250% от първоначалната си дължина49, така че плетените чаршафи могат да се разтягат дори повече от сегашните версии.
Ние също така създадохме двупосочни тъкачни листове, образувани от две AMF, използвайки техниката на обикновена тъкан (Фигура 2B).AMF основата и вътъкът са преплетени под прав ъгъл, образувайки прост модел на кръстосване.Нашата прототипна тъкан беше класифицирана като балансирана обикновена тъкан, тъй като и основата, и вътъкът бяха направени от еднакъв размер на преждата (вижте раздела Методи за подробности).За разлика от обикновените нишки, които могат да образуват остри гънки, приложената AMF изисква определен радиус на огъване при връщане към друга нишка от тъкачната схема.Следователно тъканите листове, направени от AMP, имат по-ниска плътност в сравнение с конвенционалните тъкани текстилни изделия.AMF-тип S (външен диаметър 1,49 mm) има минимален радиус на огъване от 1,5 mm.Например, прототипът на тъкане, който представяме в тази статия, има модел на нишка 7×7, където всяко пресичане е стабилизирано с възел от тънък еластичен шнур.Използвайки същата техника на тъкане, можете да получите повече нишки.
Когато съответният AMF получи налягане на течността, тъканият лист разширява площта си в посока на основата или вътъка.Следователно, ние контролирахме размерите на плетения лист (дължина и ширина) чрез независима промяна на количеството входно налягане, приложено към двата AMP.На фиг.2B показва тъкан прототип, който се разширява до 44% от първоначалната си площ, докато прилага натиск до един AMP (1,3 MPa).При едновременно действие на натиск върху две AMF, площта се увеличава със 108%.
Ние също така направихме еднопосочен тъкан лист от един AMF с основа и акрилни прежди като вътък (Фигура 2C).AMF са подредени в седем зигзагообразни реда и нишките сплитат тези редове AMF заедно, за да образуват правоъгълен лист плат.Този изтъкан прототип беше по-плътен, отколкото на фиг. 2B, благодарение на меките акрилни нишки, които лесно изпълниха целия лист.Тъй като използваме само един AMF като основа, тъканият лист може да се разшири към основата само под натиск.Фигура 2C показва пример на тъкан прототип, чиято първоначална площ се увеличава с 65% с увеличаване на налягането (1,3 MPa).В допълнение, това плетено парче (с тегло 2,6 грама) може да повдигне товар от 500 грама, което е 192 пъти по-голямо от неговата маса.
Вместо да подредим AMF в зигзагообразен модел, за да създадем правоъгълен тъкан лист, ние изработихме плоска спирална форма на AMF, която след това беше радиално ограничена с памучна прежда, за да създадем кръгъл тъкан лист (Фигура 2D).Високата твърдост на AMF ограничава запълването на централната област на плочата.Тази подплата обаче може да бъде направена от еластични прежди или еластични тъкани.При получаване на хидравлично налягане, AMP преобразува своето надлъжно удължение в радиално разширение на листа.Също така си струва да се отбележи, че както външният, така и вътрешният диаметър на спиралната форма са увеличени поради радиалното ограничение на нишките.Фигура 2D показва, че с приложено хидравлично налягане от 1 MPa, формата на кръгъл лист се разширява до 25% от първоначалната си площ.
Тук представяме втори подход за създаване на интелигентен текстил, при който залепваме AMF към плоско парче плат и го преконфигурираме от пасивна към активно контролирана структура.Конструктивната схема на задвижването за огъване е показана на фиг.3A, където AMP е сгънат по средата и залепен към лента от неразтеглив плат (памучен плат от муселин) с помощта на двустранна лента като лепило.Веднъж запечатана, горната част на AMF може свободно да се разширява, докато долната част е ограничена от лентата и тъканта, което кара лентата да се огъва към тъканта.Можем да деактивираме всяка част от задвижващия механизъм за огъване навсякъде, като просто залепим лента от лента върху нея.Деактивиран сегмент не може да се движи и става пасивен сегмент.
Тъканите се преконфигурират чрез залепване на AMF върху традиционни тъкани.(A) Дизайнерска концепция за задвижване за огъване, направено чрез залепване на сгънат AMF върху неразтеглива тъкан.(B) Огъване на прототипа на задвижващия механизъм.(C) Преконфигуриране на правоъгълен плат в активен четириног робот.Нееластична материя: памучно трико.Еластичен плат: полиестер.Подробни спецификации можете да намерите в раздела Методи.
Направихме няколко прототипа на задвижки за огъване с различни дължини и ги херметизирахме с хидравлика, за да създадем огъващо движение (Фигура 3B).Важно е, че AMF може да бъде разположен в права линия или сгънат, за да образува множество нишки и след това да бъде залепен към тъкан, за да се създаде задвижване за огъване с подходящия брой нишки.Ние също така преобразувахме пасивния лист тъкан в активна тетраподна структура (Фигура 3C), където използвахме AMF, за да прокараме границите на правоъгълна неразтеглива тъкан (памучен плат от муселин).AMP се закрепва към плата с парче двойнозалепваща лента.Средата на всеки ръб е залепена, за да стане пасивна, докато четирите ъгъла остават активни.Горен капак от еластична материя (полиестер) е по избор.Четирите ъгъла на тъканта се огъват (приличат на крака) при натиск.
Изградихме тестов стенд за количествено изследване на свойствата на разработения интелигентен текстил (вижте раздела Методи и допълнителна фигура S1).Тъй като всички проби са направени от AMF, общата тенденция на експерименталните резултати (фиг. 4) е в съответствие с основните характеристики на AMF, а именно, входното налягане е право пропорционално на изходното удължение и обратно пропорционално на силата на компресия.Тези интелигентни тъкани обаче имат уникални характеристики, които отразяват техните специфични конфигурации.
Разполага с интелигентни текстилни конфигурации.(A, B) Хистерезисни криви за входно налягане и изходно удължение и сила за тъкани листове.(C) Разширяване на площта на тъкания лист.(D,E) Връзка между входното налягане и изходното удължение и сила за трикотаж.(F) Разширение на площта на радиално разширяващи се структури.(G) Ъгли на огъване на три различни дължини на задвижвания за огъване.
Всеки AMF от тъкания лист беше подложен на входно налягане от 1 МРа, за да се генерира приблизително 30% удължение (фиг. 4А).Избрахме този праг за целия експеримент по няколко причини: (1) да създадем значително удължение (приблизително 30%), за да подчертаем техните криви на хистерезис, (2) да предотвратим цикличност от различни експерименти и прототипи за многократна употреба, което води до случайна повреда или повреда..под високо налягане на течността.Мъртвата зона е ясно видима и оплетката остава неподвижна, докато входното налягане достигне 0,3 MPa.Графиката на хистерезис на удължаване на налягането показва голяма празнина между фазите на изпомпване и освобождаване, което показва, че има значителна загуба на енергия, когато тъканият лист промени движението си от разширяване към свиване.(Фигура 4А).След получаване на входно налягане от 1 MPa, тъканият лист може да упражнява сила на свиване от 5,6 N (фиг. 4B).Графиката на хистерезис налягане-сила също така показва, че кривата на нулиране почти се припокрива с кривата на натрупване на налягане.Разширяването на площта на тъкания лист зависи от количеството на налягането, приложено към всеки от двата AMF, както е показано на 3D графиката на повърхността (Фигура 4C).Експериментите показват също, че тъканият лист може да доведе до разширяване на площта от 66%, когато AMF на основата и вътъка са подложени едновременно на хидравлично налягане от 1 MPa.
Експерименталните резултати за плетения лист показват подобен модел на тъкания лист, включително широк хистерезис в диаграмата опън-налягане и припокриващи се криви на налягане-сила.Плетеният лист показа удължение от 30%, след което силата на натиск беше 9 N при входно налягане от 1 MPa (фиг. 4D, E).
В случай на кръгъл тъкан лист, първоначалната му площ се увеличава с 25% в сравнение с първоначалната площ след излагане на налягане на течността от 1 MPa (фиг. 4F).Преди пробата да започне да се разширява, има голяма мъртва зона на входното налягане до 0,7 MPa.Тази голяма мъртва зона се очакваше, тъй като пробите бяха направени от по-големи AMF, които изискваха по-високи налягания, за да преодолеят първоначалното си напрежение.На фиг.4F също показва, че кривата на освобождаване почти съвпада с кривата на увеличаване на налягането, което показва малка загуба на енергия, когато движението на диска се превключи.
Експерименталните резултати за трите задвижващи механизма за огъване (преконфигуриране на тъканите) показват, че техните криви на хистерезис имат подобен модел (Фигура 4G), където изпитват мъртва зона на входно налягане до 0,2 MPa преди повдигане.Приложихме същия обем течност (0,035 ml) към три задвижвания за огъване (L20, L30 и L50 mm).Въпреки това, всеки задвижващ механизъм изпитва различни пикове на налягане и развива различни ъгли на огъване.Задвижващите механизми L20 и L30 mm изпитват входно налягане от 0,72 и 0,67 MPa, достигайки ъгли на огъване съответно от 167° и 194°.Най-дългото устройство за огъване (дължина 50 mm) издържа на налягане от 0,61 MPa и достига максимален ъгъл на огъване от 236°.Графиките на хистерезиса на ъгъла на налягане също разкриха относително големи пропуски между кривите на налягане и освобождаване за всичките три задвижвания за огъване.
Връзката между входния обем и изходните свойства (удължение, сила, разширяване на площта, ъгъл на огъване) за горните интелигентни текстилни конфигурации може да се намери в допълнителна фигура S2.
Експерименталните резултати в предишния раздел ясно показват пропорционалната връзка между приложеното входно налягане и изходното удължение на AMF проби.Колкото по-силно е опъната AMB, толкова по-голямо удължение развива и толкова повече еластична енергия натрупва.Следователно, толкова по-голяма е силата на натиск, която упражнява.Резултатите показват също, че образците достигат максималната си сила на компресия, когато входното налягане е напълно премахнато.Този раздел има за цел да установи пряка връзка между удължението и максималната сила на свиване на плетени и тъкани листове чрез аналитично моделиране и експериментална проверка.
Максималната контрактилна сила Fout (при входно налягане P = 0) на един AMF е дадена в реф. 49 и е въведена отново, както следва:
Сред тях α, E и A0 са съответно факторът на разтягане, модулът на Young и площта на напречното сечение на силиконовата тръба;k е коефициентът на твърдост на спиралната намотка;x и li са отместване и начална дължина.AMP, съответно.
правилното уравнение.(1) Вземете за пример плетени и тъкани чаршафи (фиг. 5A, B).Силите на свиване на плетения продукт Fkv и тъкания продукт Fwh се изразяват съответно с уравнение (2) и (3).
където mk е броят на бримките, φp е ъгълът на бримката на трикотажната тъкан по време на инжектиране (фиг. 5A), mh е броят на нишките, θhp е ъгълът на захващане на трикотажната тъкан по време на инжектирането (фиг. 5B), εkv εwh е плетеният лист и деформацията на тъкания лист, F0 е първоначалното напрежение на спиралната намотка.Подробно извеждане на уравнението.(2) и (3) могат да бъдат намерени в подкрепящата информация.
Създайте аналитичен модел за връзката удължение-сила.(A, B) Илюстрации на аналитични модели съответно за плетени и тъкани листове.(C, D) Сравнение на аналитични модели и експериментални данни за плетени и тъкани листове.RMSE Средна квадратична грешка.
За да тестваме разработения модел, ние проведохме експерименти за удължаване, използвайки плетените модели на Фиг. 2A и плетените проби на Фиг. 2B.Силата на свиване се измерва на стъпки от 5% за всяко заключено разширение от 0% до 50%.Средната стойност и стандартното отклонение на петте опита са представени на Фигура 5C (плетена) и Фигура 5D (плетена).Кривите на аналитичния модел се описват с уравнения.Параметри (2) и (3) са дадени в табл.1. Резултатите показват, че аналитичният модел е в добро съответствие с експерименталните данни за целия диапазон на удължение със средна квадратична грешка (RMSE) от 0,34 N за трикотаж, 0,21 N за тъкани AMF H (хоризонтална посока) и 0,17 N за тъкани AMF .V (вертикална посока).
В допълнение към основните движения, предложените интелигентни текстили могат да бъдат механично програмирани, за да осигурят по-сложни движения като S-образно огъване, радиално свиване и 2D до 3D деформация.Тук представяме няколко метода за програмиране на плоски интелигентни текстилни изделия в желани структури.
В допълнение към разширяването на домейна в линейна посока, еднопосочните тъкани листове могат да бъдат механично програмирани, за да създадат мултимодално движение (фиг. 6A).Ние преконфигурираме удължаването на плетения лист като движение на огъване, ограничавайки една от страните му (отгоре или отдолу) с конец за шиене.Листовете са склонни да се огъват към свързващата повърхност под натиск.На фиг.6А показва два примера на тъкани панели, които стават S-образни, когато едната половина е стегната от горната страна, а другата половина е тясна от долната страна.Като алтернатива можете да създадете кръгово движение на огъване, при което само цялото лице е ограничено.Еднопосочен плетен лист може също да бъде направен в компресионна втулка чрез свързване на двата му края в тръбна структура (фиг. 6B).Ръкавът се носи върху показалеца на човек, за да осигури компресия, форма на масажна терапия за облекчаване на болката или подобряване на кръвообращението.Може да се мащабира, за да пасне на други части на тялото като ръце, бедра и крака.
Възможност за тъкане на чаршафи в една посока.(A) Създаване на деформируеми структури поради програмируемостта на формата на шевните конци.(B) Ръкав за компресиране на пръстите.(C) Друга версия на плетения чаршаф и прилагането му като компресионен ръкав за предмишницата.(D) Друг прототип на компресионен ръкав, направен от AMF тип M, акрилна прежда и велкро ленти.Подробни спецификации можете да намерите в раздела Методи.
Фигура 6C показва друг пример на еднопосочен тъкан лист, направен от един AMF и памучна прежда.Листът може да се разшири с 45% по площ (при 1,2 MPa) или да предизвика кръгово движение под натиск.Ние също така включихме лист, за да създадем компресионен ръкав за предмишницата, като прикрепихме магнитни ленти към края на листа.Друг прототип на ръкав за компресиране на предмишницата е показан на Фиг. 6D, в който еднопосочни плетени листове са направени от тип M AMF (вижте Методи) и акрилни нишки за генериране на по-силни сили на компресия.Оборудвали сме краищата на чаршафите с велкро ленти за лесно закрепване и за различни размери на ръцете.
Техниката на задържане, която превръща линейното удължаване в движение на огъване, е приложима и за двупосочни тъкани листове.Вплитаме памучните нишки от едната страна на платната от основата и вътъка, така че да не се разширяват (фиг. 7A).По този начин, когато два AMF получават хидравлично налягане независимо един от друг, листът претърпява двупосочно огъващо движение, за да образува произволна триизмерна структура.При друг подход използваме неразтегливи прежди, за да ограничим една посока на двупосочни тъкани листове (Фигура 7B).По този начин листът може да прави независими движения на огъване и разтягане, когато съответният AMF е под налягане.На фиг.7В показва пример, в който двупосочно плетено платно се контролира да обвие около две трети от човешки пръст с огъващо движение и след това да удължи дължината му, за да покрие останалата част с разтягащо движение.Двупосочното движение на чаршафите може да бъде полезно за моден дизайн или разработка на интелигентно облекло.
Двупосочни тъкани листове, плетени чаршафи и радиално разширяващи се възможности за дизайн.(A) Двупосочно свързани двупосочни плетени панели за създаване на двупосочна чупка.(B) Еднопосочно ограничените двупосочни плетени панели произвеждат гъвкавост и удължение.(C) Високоеластичен плетен лист, който може да се приспособи към различни повърхностни извивки и дори да образува тръбни структури.(D) ограничаване на централната линия на радиално разширяваща се структура, образуваща хиперболична параболична форма (картофен чипс).
Две съседни бримки от горния и долния ред на изплетената част съединихме с конец, за да не се разплита (фиг. 7В).По този начин тъканият лист е напълно гъвкав и се адаптира добре към различни повърхностни извивки, като повърхността на кожата на човешките ръце и ръце.Създадохме и тръбна конструкция (ръкав), като съединихме краищата на плетената част по посока на движението.Ръкавът се увива добре около показалеца на човека (фиг. 7C).Извивката на тъканата материя осигурява отлично прилягане и деформируемост, което я прави лесна за използване при интелигентно носене (ръкавици, компресионни ръкави), осигурявайки комфорт (чрез прилягане) и терапевтичен ефект (чрез компресия).
В допълнение към 2D радиално разширяване в множество посоки, кръглите тъкани листове могат също да бъдат програмирани да образуват 3D структури.Ограничихме централната линия на кръглата плитка с акрилна прежда, за да нарушим нейното равномерно радиално разширение.В резултат на това оригиналната плоска форма на кръглия тъкан лист се трансформира в хиперболична параболична форма (или картофен чипс) след херметизиране (фиг. 7D).Тази способност за промяна на формата може да бъде приложена като повдигащ механизъм, оптична леща, крака на мобилни роботи или може да бъде полезна в модния дизайн и бионичните роботи.
Ние разработихме проста техника за създаване на гъвкави задвижвания чрез залепване на AMF върху лента от неразтеглив плат (Фигура 3).Използваме тази концепция, за да създадем нишки с програмируема форма, където можем стратегически да разпределим множество активни и пасивни секции в един AMF, за да създадем желани форми.Изработихме и програмирахме четири активни нишки, които могат да променят формата си от права на буква (UNSW), когато налягането се увеличи (допълнителна фигура S4).Този прост метод позволява деформируемостта на AMF да превърне 1D линиите в 2D форми и евентуално дори в 3D структури.
При подобен подход използвахме единична AMF, за да преконфигурираме част от пасивна нормална тъкан в активен тетрапод (фиг. 8A).Концепциите за маршрутизиране и програмиране са подобни на тези, показани на фигура 3C.Въпреки това, вместо правоъгълни листове, те започнаха да използват тъкани с четирикрак модел (костенурка, памучен муселин).Поради това краката са по-дълги и конструкцията може да се повдигне по-високо.Височината на конструкцията постепенно се увеличава под натиск, докато краката й станат перпендикулярни на земята.Ако входното налягане продължи да се повишава, краката ще се увиснат навътре, намалявайки височината на конструкцията.Тетраподите могат да извършват придвижване, ако краката им са оборудвани с еднопосочни модели или използват множество AMF със стратегии за манипулиране на движението.Меките роботи за придвижване са необходими за различни задачи, включително спасяване от горски пожари, срутени сгради или опасни среди, както и роботи за доставка на медицински лекарства.
Платът е преконфигуриран, за да създаде променящи формата си структури.(A) Залепете AMF към границата на пасивния плат, превръщайки го в управляема конструкция с четири крака.(BD) Два други примера за преконфигуриране на тъкани, превръщащи пасивни пеперуди и цветя в активни.Неразтеглив плат: обикновен памучен муселин.
Ние също така се възползваме от простотата и гъвкавостта на тази техника за преконфигуриране на тъкани, като въвеждаме две допълнителни биовдъхновени структури за преоформяне (Фигури 8B-D).С AMF, който може да се насочва, тези деформируеми структури се преконфигурират от листове пасивна тъкан в активни и управляеми структури.Вдъхновени от пеперудата монарх, ние направихме трансформираща се структура на пеперуда, използвайки парче плат с форма на пеперуда (памучен муселин) и дълго парче AMF, залепено под крилата му.Когато AMF е под натиск, крилата се сгъват.Подобно на Monarch Butterfly, лявото и дясното крило на Butterfly Robot махат по същия начин, защото и двете се контролират от AMF.Капаците на пеперудата са само за показване.Не може да лети като Smart Bird (Festo Corp., САЩ).Направихме и цвете от плат (Фигура 8D), състоящо се от два слоя по пет листенца всеки.Поставихме AMF под всеки слой след външния ръб на венчелистчетата.Първоначално цветята са в пълен разцвет, като всички венчелистчета са напълно отворени.Под натиск AMF предизвиква огъващо движение на венчелистчетата, което ги кара да се затворят.Двата AMF независимо контролират движението на двата слоя, докато петте венчелистчета на един слой се огъват едновременно.
Време на публикуване: 26 декември 2022 г