Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Näyttää kolmen dian karusellin kerralla.Käytä Edellinen- ja Seuraava-painikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan tai käytä lopussa olevia liukusäädinpainikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan.
Tekstiilien ja tekolihasten yhdistäminen älykkäiden tekstiilien luomiseksi herättää paljon huomiota sekä tiede- että teollisuusyhteisössä.Älykkäät tekstiilit tarjoavat monia etuja, mukaan lukien mukautuvan mukavuuden ja suuren mukavuuden esineisiin samalla kun ne tarjoavat aktiivisen toiminnan halutun liikkeen ja voiman saavuttamiseksi.Tämä artikkeli esittelee uuden luokan ohjelmoitavia älykankaita, jotka on valmistettu erilaisilla nestemäisten keinotekoisten lihaskuitujen kudonta-, kudonta- ja liimausmenetelmillä.Neulottujen ja kudottujen tekstiiliarkkien venymävoiman suhteen kuvaamiseksi kehitettiin matemaattinen malli, jonka pätevyyttä testattiin kokeellisesti.Uudessa "älykkäässä" tekstiilissä on korkea joustavuus, mukavuus ja mekaaninen ohjelmointi, mikä mahdollistaa multimodaalisen liikkeen ja muodonmuutoskyvyn laajempiin sovelluksiin.Kokeellisella todennuksella on luotu erilaisia älykkäitä tekstiiliprototyyppejä, mukaan lukien erilaiset muodonmuutostapaukset, kuten venymä (jopa 65 %), pintalaajeneminen (108 %), säteittäinen laajeneminen (25 %) ja taivutusliike.Myös passiivisten perinteisten kudosten uudelleenkonfigurointia biomimeettisten muotoilurakenteiden aktiivisiksi rakenteiksi tutkitaan.Ehdotettujen älytekstiilien odotetaan helpottavan älykkäiden puettavien laitteiden, haptisten järjestelmien, biomimeettisten pehmeiden robottien ja puettavan elektroniikan kehitystä.
Jäykät robotit ovat tehokkaita työskennellessään strukturoiduissa ympäristöissä, mutta niillä on ongelmia muuttuvien ympäristöjen tuntemattoman kontekstin kanssa, mikä rajoittaa niiden käyttöä etsinnässä tai etsinnässä.Luonto yllättää meidät edelleen monilla kekseliäisillä strategioilla käsitellä ulkoisia tekijöitä ja monimuotoisuutta.Esimerkiksi kiipeilykasvien jänteet suorittavat multimodaalisia liikkeitä, kuten taipumista ja spiraalia, tutkiakseen tuntematonta ympäristöä etsiessään sopivaa tukea1.Venus-kärpäsloukun (Dionaea muscipula) lehdissä on herkkiä karvoja, jotka laukeaessaan napsahtavat paikoilleen saadakseen saaliin2.Viime vuosina kappaleiden muodonmuutos tai muodonmuutos kaksiulotteisista (2D) pinnoista kolmiulotteisiksi (3D) muotoiksi, jotka matkivat biologisia rakenteita, on noussut mielenkiintoiseksi tutkimusaiheeksi3,4.Nämä pehmeät robottikokoonpanot muuttavat muotoaan mukautuakseen muuttuviin ympäristöihin, mahdollistavat multimodaalisen liikkumisen ja kohdistavat voimia mekaanisen työn suorittamiseen.Niiden ulottuvuus on laajentunut monenlaisiin robotiikkasovelluksiin, mukaan lukien käyttöönotettavat5, uudelleenkonfiguroitavat ja itsestään taittuvat robotit6,7, biolääketieteelliset laitteet8, ajoneuvot9,10 ja laajennettavissa oleva elektroniikka11.
Paljon tutkimusta on tehty ohjelmoitavien litteiden levyjen kehittämiseksi, jotka aktivoituessaan muuttuvat monimutkaisiksi kolmiulotteisiksi rakenteiksi3.Yksinkertainen idea muotoaan muuttavien rakenteiden luomiseksi on yhdistää eri materiaalikerroksia, jotka taipuvat ja rypistyvät altistuessaan ärsykkeille12,13.Janbaz et ai.14 ja Li et ai.15 on toteuttanut tämän konseptin luodakseen lämpöherkkiä multimodaalisia muotoaan muuttavia robotteja.Origami-pohjaisia rakenteita, jotka sisältävät ärsykkeisiin reagoivia elementtejä, on käytetty monimutkaisten kolmiulotteisten rakenteiden luomiseen16,17,18.Biologisten rakenteiden morfogeneesin innoittamana Emmanuel et al.Muotoa muotoilevat elastomeerit luodaan järjestämällä kumipinnan sisään ilmakanavia, jotka muuttuvat paineen alaisena monimutkaisiksi, mielivaltaisiksi kolmiulotteisiksi muodoiksi.
Tekstiilien tai kankaiden integrointi muotoutuviin pehmeisiin robotteihin on toinen uusi konseptiprojekti, joka on herättänyt laajaa kiinnostusta.Tekstiilit ovat pehmeitä ja joustavia materiaaleja, jotka on valmistettu langasta kudontatekniikoilla, kuten neulomalla, kutomalla, punomalla tai solmukutomalla.Kankaiden hämmästyttävät ominaisuudet, mukaan lukien joustavuus, istuvuus, joustavuus ja hengittävyys, tekevät niistä erittäin suosittuja kaikessa vaatteista lääketieteellisiin sovelluksiin20.Tekstiilien sisällyttämiseen robotiikkaan on kolme laajaa lähestymistapaa21.Ensimmäinen lähestymistapa on käyttää tekstiiliä passiivisena taustana tai pohjana muille komponenteille.Tässä tapauksessa passiiviset tekstiilit tarjoavat mukavan istuvuuden käyttäjälle kannetessaan jäykkiä komponentteja (moottorit, anturit, virtalähde).Useimmat pehmeät puettavat robotit tai pehmeät eksoskeletonit kuuluvat tämän lähestymistavan piiriin.Esimerkiksi pehmeät puettavat eksoskeletonit kävelyapuvälineille 22 ja kyynärpään apuvälineille 23, 24, 25, pehmeät puettavat käsineet 26 käsien ja sormien apuvälineille ja bioniset pehmeät robotit 27.
Toinen lähestymistapa on käyttää tekstiilejä pehmeiden robottilaitteiden passiivisina ja rajoitettuina komponentteina.Tekstiilipohjaiset toimilaitteet kuuluvat tähän luokkaan, jossa kangas on yleensä rakennettu ulommaksi säiliöksi sisäletkun tai -kammion sisältäväksi muodostaen pehmeäkuituvahvisteisen toimilaitteen.Kun nämä pehmeät toimilaitteet altistetaan ulkoiselle pneumaattiselle tai hydrauliselle lähteelle, niiden muoto muuttuu, mukaan lukien venyminen, taipuminen tai vääntyminen, riippuen niiden alkuperäisestä koostumuksesta ja konfiguraatiosta.Esimerkiksi Talman et ai.Ortopediset nilkkavaatteet, jotka koostuvat sarjasta kangastaskuja, on otettu käyttöön helpottamaan jalkapohjan taivutusta kävelyn palauttamiseksi28.Tekstiilikerroksia, joilla on eri venyvyys, voidaan yhdistää anisotrooppiseksi liikeksi 29 .OmniSkins – pehmeät robottipinnat, jotka on valmistettu erilaisista pehmeistä toimilaitteista ja substraattimateriaaleista, voivat muuttaa passiivisia esineitä monitoimisiksi aktiivisiksi roboteiksi, jotka voivat suorittaa multimodaalisia liikkeitä ja muodonmuutoksia eri sovelluksissa.Zhu et ai.ovat kehittäneet nestemäisen kudoksen lihaslevyn31, joka voi tuottaa venymistä, taipumista ja erilaisia muodonmuutosliikkeitä.Buckner et ai.Integroi toiminnallisia kuituja tavanomaisiin kudoksiin luodaksesi robottikudoksia, joilla on useita toimintoja, kuten aktivointi, tunnistus ja vaihteleva jäykkyys32.Muita tämän kategorian menetelmiä löytyy näistä papereista 21, 33, 34, 35.
Viimeaikainen lähestymistapa tekstiilien ylivertaisten ominaisuuksien hyödyntämiseen pehmeän robotiikan alalla on käyttää reaktiivisia tai ärsykkeisiin reagoivia filamentteja älykkäiden tekstiilien luomiseen perinteisillä tekstiilien valmistusmenetelmillä, kuten kudonta-, neulonta- ja kudontamenetelmillä21,36,37.Materiaalin koostumuksesta riippuen reaktiivinen lanka muuttaa muotoaan joutuessaan sähkö-, lämpö- tai painevaikutukseen, mikä johtaa kankaan muodonmuutokseen.Tässä lähestymistavassa, jossa perinteiset tekstiilit integroidaan pehmeäksi robottijärjestelmäksi, tekstiilin uudelleenmuotoilu tapahtuu sisäkerroksessa (langassa) ulkokerroksen sijaan.Sellaisenaan älytekstiilit tarjoavat erinomaisen käsiteltävyyden multimodaalisen liikkeen, ohjelmoitavan muodonmuutoksen, venytyksen ja jäykkyyden säätämisen suhteen.Esimerkiksi muodon muistiseoksia (SMA) ja muotomuistipolymeerejä (SMP) voidaan sisällyttää kankaisiin niiden muodon aktiivisen säätelemiseksi lämpöstimulaation avulla, kuten reunustamalla38, ryppyjen poistamisella36,39, tunto- ja kosketuspalautuksella40,41 sekä adaptiivisella. puettavat vaatteet.laitteet 42 .Lämpöenergian käyttö lämmitykseen ja jäähdytykseen johtaa kuitenkin hitaaseen vasteeseen ja vaikeaan jäähdytykseen ja hallintaan.Äskettäin Hiramitsu et ai.McKibbenin hienoja lihaksia43,44, pneumaattisia tekolihaksia, käytetään loimilankoina luomaan erilaisia aktiivisia tekstiilejä kudosrakennetta muuttamalla45.Vaikka tämä lähestymistapa tarjoaa suuria voimia, McKibben-lihaksen luonteesta johtuen sen laajenemisnopeus on rajoitettu (< 50 %) eikä pientä kokoa voida saavuttaa (halkaisija < 0,9 mm).Lisäksi älykkäitä tekstiilikuvioita on ollut vaikea muodostaa teräviä kulmia vaativista kudontamenetelmistä.Muodostaakseen laajemman valikoiman älykkäitä tekstiilejä Maziz et al.Sähköaktiivisia puettavia tekstiilejä on kehitetty neulomalla ja kutomalla sähköherkkiä polymeerilankoja46.
Viime vuosina on ilmaantunut uudenlainen lämpöherkkä tekolihas, joka on valmistettu erittäin kiertetyistä, edullisista polymeerikuiduista47,48.Näitä kuituja on kaupallisesti saatavilla, ja ne voidaan helposti liittää kutomiseen tai kutomiseen edullisia älykkäitä vaatteita varten.Edistyksistä huolimatta näillä uusilla lämpöherkillä tekstiileillä on rajoitetut vasteajat johtuen lämmityksen ja jäähdytyksen tarpeesta (esim. lämpötilasäädellyt tekstiilit) tai monimutkaisten neulottujen ja kudottujen kuvioiden tekemisen vaikeuksista, jotka voidaan ohjelmoida tuottamaan haluttuja muodonmuutoksia ja liikkeitä. .Esimerkkejä ovat säteittäinen laajennus, 2D-muodon muunnos 3D:ksi tai kaksisuuntainen laajennus, joita tarjoamme täällä.
Näiden edellä mainittujen ongelmien voittamiseksi tässä artikkelissa esitellään uusi nestekäyttöinen älykäs tekstiili, joka on valmistettu hiljattain lanseeratuista pehmeistä keinotekoisista lihaskuiduista (AMF)49,50,51.AMF:t ovat erittäin joustavia, skaalautuvia ja ne voidaan pienentää halkaisijaltaan 0,8 mm ja suuriin pituuksiin (vähintään 5 000 mm), ja ne tarjoavat korkean kuvasuhteen (pituus-halkaisija) sekä suuren venymän (vähintään 245 %) ja korkean energian. tehokkuus, alle 20 Hz nopea vaste).Älykkäiden tekstiilien luomiseksi käytämme AMF:ää aktiivilangana muodostamaan 2D-aktiivisia lihaskerroksia neulonta- ja kudontatekniikoilla.Olemme kvantitatiivisesti tutkineet näiden "älykkäiden" kudosten laajenemisnopeutta ja supistumisvoimaa nestemäärän ja toimitetun paineen suhteen.Neulottujen ja kudottujen arkkien venymävoimasuhteen määrittämiseksi on kehitetty analyyttisiä malleja.Kuvaamme myös useita mekaanisia ohjelmointitekniikoita älykkäille tekstiileille multimodaalista liikettä varten, mukaan lukien kaksisuuntainen laajennus, taivutus, säteittäinen laajennus ja mahdollisuus siirtyä 2D:stä 3D:hen.Osoittaaksemme lähestymistapamme vahvuutta integroimme myös AMF:n kaupallisiin kankaisiin tai tekstiileihin muuttaaksemme niiden konfiguraation passiivisista aktiivisiksi rakenteiksi, jotka aiheuttavat erilaisia muodonmuutoksia.Olemme myös demonstroineet tätä konseptia useissa kokeellisissa testipenkeissä, mukaan lukien ohjelmoitava lankojen taivutus haluttujen kirjainten tuottamiseksi ja muotoa muuttavat biologiset rakenteet esineiden, kuten perhosten, nelijalkaisten rakenteiden ja kukkien muotoon.
Tekstiilit ovat joustavia kaksiulotteisia rakenteita, jotka on muodostettu yhteen kudotuista yksiulotteisista langoista, kuten langoista, langoista ja kuiduista.Tekstiilit ovat yksi ihmiskunnan vanhimmista teknologioista, ja sitä käytetään laajasti kaikilla elämänalueilla sen mukavuuden, mukautumiskyvyn, hengittävyyden, esteettisyyden ja suojan ansiosta.Älytekstiilejä (tunnetaan myös nimellä älyvaatteet tai robottikankaat) käytetään yhä enemmän tutkimuksessa, koska niillä on suuri potentiaali robotisovelluksissa20,52.Älykkäät tekstiilit lupaavat parantaa ihmisen kokemusta vuorovaikutuksesta pehmeiden esineiden kanssa ja käynnistää paradigman muutoksen alalla, jossa ohuen, joustavan kankaan liikettä ja voimia voidaan hallita tiettyjen tehtävien suorittamiseksi.Tässä artikkelissa tutkimme kahta lähestymistapaa älykkäiden tekstiilien tuotantoon äskettäiseen AMF49:ään perustuen: (1) käytä AMF:ää aktiivisena langana älykkäiden tekstiilien luomiseen perinteisten tekstiilien valmistustekniikoiden avulla;(2) Aseta AMF suoraan perinteisiin kankaisiin stimuloidaksesi haluttua liikettä ja muodonmuutosta.
AMF koostuu sisäisestä silikoniputkesta hydraulisen tehon syöttämiseksi ja ulkoisesta kierteisestä kelasta, joka rajoittaa sen radiaalista laajenemista.Siten AMF:t venyvät pituussuunnassa, kun painetta kohdistetaan, ja sen jälkeen niillä on supistumisvoimia palatakseen alkuperäiseen pituuteensa, kun paine vapautetaan.Niillä on perinteisten kuitujen kaltaisia ominaisuuksia, kuten joustavuus, pieni halkaisija ja pitkä pituus.AMF on kuitenkin aktiivisempi ja kontrolloidumpi liikkeen ja voiman suhteen kuin perinteiset vastineensa.Älytekstiilien viimeaikaisen nopean kehityksen inspiroimana esittelemme tässä neljä suurta lähestymistapaa älykkäiden tekstiilien valmistukseen soveltamalla AMF:ää pitkään vakiintuneeseen kankaanvalmistustekniikkaan (kuva 1).
Ensimmäinen tapa on kudonta.Käytämme kudeneulontateknologiaa tuottaaksemme reaktiivisen neulekankaan, joka avautuu yhteen suuntaan hydraulisesti ohjattaessa.Neulotut lakanat ovat erittäin joustavia ja venyviä, mutta taipumus purkautua helpommin kuin kudotut lakanat.Ohjausmenetelmästä riippuen AMF voi muodostaa yksittäisiä rivejä tai kokonaisia tuotteita.Tasaisten arkkien lisäksi putkimaiset neulekuviot sopivat myös AMF-onttojen rakenteiden valmistukseen.Toinen menetelmä on kudonta, jossa käytämme kahta AMF:ää loimena ja kudena muodostamaan suorakaiteen muotoinen kudottu arkki, joka voi laajentua itsenäisesti kahteen suuntaan.Kudotut lakanat tarjoavat enemmän hallintaa (molempiin suuntiin) kuin neulotut lakanat.Kudotimme myös AMF:n perinteisestä langasta tehdäksemme yksinkertaisemman kudotun arkin, joka voidaan kelata auki vain yhteen suuntaan.Kolmas menetelmä – säteittäinen laajennus – on muunnos kudontatekniikasta, jossa AMP:t eivät sijaitse suorakulmiossa, vaan spiraalissa ja langat muodostavat säteittäisen rajoituksen.Tässä tapauksessa punos laajenee radiaalisesti tulopaineen alaisena.Neljäs lähestymistapa on kiinnittää AMF passiivisen kankaan arkkiin taivutusliikkeen luomiseksi haluttuun suuntaan.Olemme konfiguroineet passiivisen purkukortin uudelleen aktiiviseksi purkulevyksi ajamalla AMF:n sen reunan ympäri.Tämä AMF:n ohjelmoitava luonne avaa lukemattomia mahdollisuuksia biovaikutteisille muotoa muuntaville pehmeille rakenteille, joissa voimme muuttaa passiiviset kohteet aktiivisiksi.Tämä menetelmä on yksinkertainen, helppo ja nopea, mutta voi vaarantaa prototyypin pitkäikäisyyden.Lukijalle viitataan muihin kirjallisuuden lähestymistapoihin, joissa esitetään yksityiskohtaisesti kunkin kudoksen ominaisuuden vahvuudet ja heikkoudet21,33,34,35.
Useimmat perinteisten kankaiden valmistukseen käytetyt langat sisältävät passiivisia rakenteita.Tässä työssä käytämme aiemmin kehitettyä AMF:amme, joka voi saavuttaa metrin pituisen ja alimillimetrin halkaisijan, korvaamaan perinteiset passiiviset tekstiililangat AFM:llä luodaksemme älykkäitä ja aktiivisia kankaita laajempiin sovelluksiin.Seuraavissa osioissa kuvataan yksityiskohtaisia menetelmiä älykkäiden tekstiiliprototyyppien tekemiseen ja esitellään niiden päätoiminnot ja käyttäytyminen.
Teimme kolme AMF-paitaa käsin kudeneulontatekniikalla (kuva 2A).Materiaalin valinta ja yksityiskohtaiset tekniset tiedot AMF:ille ja prototyypeille löytyvät Menetelmät-osiosta.Jokainen AMF seuraa käämitysreittiä (kutsutaan myös reitiksi), joka muodostaa symmetrisen silmukan.Kunkin rivin silmukat on kiinnitetty niiden ylä- ja alapuolella olevien rivien silmukoilla.Yhden pilarin renkaat, jotka ovat kohtisuorassa rataa vastaan, yhdistetään akseliksi.Neulottu prototyyppimme koostuu kolmesta seitsemän silmukan rivistä (tai seitsemän ommelta) jokaisessa rivissä.Ylä- ja alarenkaat eivät ole kiinteät, joten voimme kiinnittää ne vastaaviin metallitankoihin.Neulotut prototyypit purkautuvat helpommin kuin perinteiset neulotut kankaat, koska AMF:n jäykkyys on suurempi kuin perinteisissä langoissa.Siksi sidoimme vierekkäisten rivien silmukat ohuilla elastisilla nauhoilla.
Erilaisia älytekstiiliprototyyppejä toteutetaan erilaisilla AMF-kokoonpanoilla.(A) Kolmesta AMF:stä valmistettu neulottu lakana.(B) Kahden AMF:n kaksisuuntainen kudottu arkki.(C) AMF:stä ja akryylilangasta valmistettu yksisuuntainen kudottu arkki kestää 500 g:n kuorman, mikä on 192 kertaa sen paino (2,6 g).(D) Säteittäisesti laajeneva rakenne yhdellä AMF:llä ja puuvillalangalla säteittäisenä rajoitteena.Yksityiskohtaiset tiedot löytyvät Menetelmät-osiosta.
Vaikka neuleen siksak-silmukat voivat venyä eri suuntiin, prototyyppineulemme laajenee ensisijaisesti silmukan suuntaan paineen alaisena kulkusuunnan rajoitusten vuoksi.Kunkin AMF:n pidentäminen myötävaikuttaa neulotun arkin kokonaispinta-alan laajentamiseen.Erityisvaatimuksista riippuen voimme ohjata kolmea AMF:ää itsenäisesti kolmesta eri nestelähteestä (kuva 2A) tai samanaikaisesti yhdestä nestelähteestä 1-3 nesteenjakelijan kautta.KuvassaKuvassa 2A on esimerkki neulotusta prototyypistä, jonka alkupinta-ala kasvoi 35 % painettaessa kolmea AMP:ta (1,2 MPa).Erityisesti AMF saavuttaa suuren venymän, joka on vähintään 250 % alkuperäisestä pituudestaan49, joten neulotut lakanat voivat venyä jopa enemmän kuin nykyiset versiot.
Teimme myös kaksisuuntaisia kudosarkkeja, jotka oli muodostettu kahdesta AMF:stä pelkällä kudostekniikalla (kuva 2B).AMF-loimi ja kude kietoutuvat toisiinsa suorassa kulmassa muodostaen yksinkertaisen ristiinkuvion.Prototyyppikudosmme luokiteltiin tasapainoiseksi sileäksi kudoksiksi, koska sekä loimi- että kudelangat valmistettiin samasta langakoosta (katso lisätietoja kohdasta Menetelmät).Toisin kuin tavalliset langat, jotka voivat muodostaa teräviä taitoksia, käytetty AMF vaatii tietyn taivutussäteen palatessaan toiseen kudontakuvion lankaan.Siksi AMP:sta valmistetuilla kudotuilla arkeilla on pienempi tiheys verrattuna tavanomaisiin kudottuihin tekstiileihin.AMF-tyypin S (ulkohalkaisija 1,49 mm) taivutussäde on vähintään 1,5 mm.Esimerkiksi tässä artikkelissa esittelemällämme prototyyppikudoksella on 7 × 7 lankakuvio, jossa jokainen leikkauskohta on stabiloitu ohuella joustavalla nauhalla.Samaa kudontatekniikkaa käyttämällä voit saada lisää säikeitä.
Kun vastaava AMF vastaanottaa nestepaineen, kudottu arkki laajentaa aluettaan loimen tai kuteen suuntaan.Siksi kontrolloimme punotun levyn mittoja (pituus ja leveys) muuttamalla itsenäisesti kahteen AMP:hen kohdistetun sisääntulopaineen määrää.KuvassaKuvassa 2B on kudottu prototyyppi, joka laajeni 44 %:iin alkuperäisestä pinta-alastaan kohdistaen painetta yhteen AMP:hen (1,3 MPa).Kun paine vaikutti samanaikaisesti kahteen AMF:ään, pinta-ala kasvoi 108 %.
Teimme myös yksisuuntaisen kudotun arkin yhdestä AMF:stä, jossa loimi- ja akryylilangat kuteena (kuva 2C).AMF:t on järjestetty seitsemään siksak-riviin, ja langat kutovat nämä AMF-rivit yhteen muodostaen suorakaiteen muotoisen kangasarkin.Tämä kudottu prototyyppi oli tiheämpi kuin kuvassa 2B, kiitos pehmeiden akryylilankojen, jotka täyttivät helposti koko arkin.Koska käytämme vain yhtä AMF:ää loimena, kudottu arkki voi laajentua vain loimia kohti paineen alaisena.Kuvassa 2C on esimerkki kudotusta prototyypistä, jonka alkupinta-ala kasvaa 65 % paineen noustessa (1,3 MPa).Lisäksi tämä punottu kappale (paino 2,6 grammaa) pystyy nostamaan 500 gramman kuorman, joka on 192 kertaa sen massa.
Sen sijaan, että olisimme järjestäneet AMF:n siksak-kuvioon suorakaiteen muotoisen kudotun arkin luomiseksi, valmistimme AMF:stä litteän spiraalin muodon, joka sitten rajoitettiin säteittäisesti puuvillalangalla pyöreän kudotun arkin luomiseksi (kuva 2D).AMF:n korkea jäykkyys rajoittaa sen täyttöä levyn keskeisestä alueesta.Tämä pehmuste voidaan kuitenkin tehdä joustavista langoista tai elastisista kankaista.Vastaanotettuaan hydraulisen paineen AMP muuntaa pituussuuntaisen venymyksensä levyn säteittäiseksi laajenemiseksi.On myös syytä huomata, että spiraalin muodon sekä ulko- että sisähalkaisijat ovat kasvaneet filamenttien säteittäisen rajoituksen vuoksi.Kuvassa 2D näkyy, että 1 MPa:n hydraulipaineella pyöreän levyn muoto laajenee 25 %:iin alkuperäisestä pinta-alastaan.
Esittelemme tässä toisen lähestymistavan älykkäiden tekstiilien valmistukseen, jossa liimaamme AMF:n tasaiseen kangaspalaan ja konfiguroimme sen uudelleen passiivisesta aktiivisesti ohjattuun rakenteeseen.Taivutuskäytön suunnittelukaavio on esitetty kuvassa.3A, jossa AMP taitetaan alas keskeltä ja liimataan venymättömän kankaan nauhaan (puuvillamusliinikangas) käyttämällä kaksipuolista teippiä liimana.Suljettuaan AMF:n yläosa voi ulottua vapaasti, kun taas teippi ja kangas rajoittavat alaosaa, mikä saa nauhan taipumaan kangasta kohti.Voimme deaktivoida minkä tahansa taivutustoimilaitteen osan missä tahansa kiinnittämällä siihen teippinauhan.Deaktivoitu segmentti ei voi liikkua ja siitä tulee passiivinen segmentti.
Kankaat muotoillaan uudelleen kiinnittämällä AMF perinteisiin kankaisiin.(A) Suunnittelukonsepti taivutuskäytölle, joka on tehty liimaamalla taitettu AMF venymättömään kankaaseen.(B) Toimilaitteen prototyypin taivutus.(C) Suorakaiteen muotoisen kankaan uudelleenkonfigurointi aktiiviseksi nelijalkaiseksi robotiksi.Joustamaton kangas: puuvillajersey.Stretch kangas: polyesteri.Yksityiskohtaiset tiedot löytyvät Menetelmät-osiosta.
Teimme useita eripituisia taivutustoimilaitteita prototyyppejä ja paineistimme ne hydrauliikan avulla taivutusliikkeen aikaansaamiseksi (kuva 3B).Tärkeää on, että AMF voidaan asettaa suoraksi tai taittaa muodostamaan useita lankoja ja liimata sitten kankaaseen taivutusvoiman luomiseksi sopivalla määrällä lankoja.Muutimme myös passiivisen pehmopaperiarkin aktiiviseksi tetrapodirakenteeksi (kuva 3C), jossa käytimme AMF:ää suorakaiteen muotoisen venymättömän kudoksen (puuvillamusliinikankaan) reunojen reitittämiseen.AMP kiinnitetään kankaaseen kaksipuolisella teipillä.Kunkin reunan keskiosa teipataan passiiviseksi, kun taas neljä kulmaa pysyvät aktiivisina.Stretch-kangaspäällinen (polyesteri) on valinnainen.Kankaan neljä kulmaa taipuvat (näyttää jaloista) painettaessa.
Rakensimme testipenkin kvantitatiivisesti tutkimaan kehitettyjen älytekstiilien ominaisuuksia (katso Menetelmät-osio ja lisäkuva S1).Koska kaikki näytteet tehtiin AMF:stä, koetulosten yleinen suuntaus (kuvio 4) on yhdenmukainen AMF:n pääominaisuuksien kanssa, nimittäin tulopaine on suoraan verrannollinen ulostulon venymään ja kääntäen verrannollinen puristusvoimaan.Näillä älykkäillä kankailla on kuitenkin ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka kuvastavat niiden erityisiä kokoonpanoja.
Sisältää älykkäät tekstiilikokoonpanot.(A, B) Hystereesikäyrät tulopaineelle ja ulostulon venymälle ja voimalle kudotuille levyille.(C) Kudotun arkin alueen laajentaminen.(D,E) Tulopaineen ja lähtövenymän sekä voiman suhde neuleille.(F) Säteittäisesti laajenevien rakenteiden pinta-alan laajennus.(G) Kolmen eripituisen taivutuskäytön taivutuskulmat.
Kukin kudotun levyn AMF altistettiin 1 MPa:n sisääntulopaineelle noin 30 % venymän tuottamiseksi (kuvio 4A).Valitsimme tämän kynnyksen koko kokeelle useista syistä: (1) luodaksemme merkittävä venymä (noin 30 %) korostaaksemme niiden hystereesikäyriä, (2) estääksemme eri kokeiden ja uudelleenkäytettävien prototyyppien pyörähtämisen, joka johtaa vahingossa tapahtuvaan vaurioitumiseen tai epäonnistumiseen..korkeassa nestepaineessa.Kuollut alue on selvästi näkyvissä ja punos pysyy liikkumattomana, kunnes tulopaine saavuttaa 0,3 MPa.Painevenymähystereesikäyrä näyttää suuren eron pumppaus- ja irrotusvaiheiden välillä, mikä osoittaa, että on olemassa merkittävä energian menetys, kun kudottu levy muuttaa liikettä laajenemisesta supistukseen.(kuvio 4A).Saavutettuaan 1 MPa:n sisääntulopaineen kudottu arkki saattoi kohdistaa 5,6 N:n supistusvoiman (kuvio 4B).Paine-voima-hystereesikäyrä osoittaa myös, että nollauskäyrä on melkein päällekkäinen paineen muodostumiskäyrän kanssa.Kudotun arkin pinta-alan laajeneminen riippui molempiin kahdesta AMF:stä kohdistetusta paineesta, kuten 3D-pintakaaviossa (kuva 4C) näkyy.Kokeet osoittavat myös, että kudottu arkki voi tuottaa 66 %:n pintalaajenemisen, kun sen loimi- ja kude-AMF:t altistetaan samanaikaisesti 1 MPa:n hydrauliselle paineelle.
Neulotun levyn kokeelliset tulokset osoittavat samanlaisen kuvion kuin kudotulla levyllä, mukaan lukien leveä hystereesirako jännitys-painekaaviossa ja päällekkäiset paine-voimakäyrät.Neulottu levy osoitti 30 %:n venymää, jonka jälkeen puristusvoima oli 9 N 1 MPa:n tulopaineella (kuva 4D, E).
Pyöreän kudotun arkin tapauksessa sen alkupinta-ala kasvoi 25 % verrattuna alkuperäiseen pinta-alaan 1 MPa:n nestepaineelle altistumisen jälkeen (kuvio 4F).Ennen kuin näyte alkaa laajentua, sisääntulopaineen kuollut alue on suuri, jopa 0,7 MPa.Tämä suuri kuollut alue oli odotettavissa, koska näytteet tehtiin suuremmista AMF:istä, jotka vaativat korkeampia paineita alkurasitusnsa voittamiseksi.KuvassaKuvassa 4F näkyy myös, että vapautuskäyrä on melkein sama kuin paineen nousukäyrä, mikä osoittaa vähän energiahäviötä, kun kiekon liikettä vaihdetaan.
Kokeelliset tulokset kolmelle taivutustoimilaitteelle (kudoksen uudelleenkonfigurointi) osoittavat, että niiden hystereesikäyrät ovat samankaltaisia (kuva 4G), joissa tulopaineen kuollut alue on jopa 0,2 MPa ennen nostamista.Annostimme saman määrän nestettä (0,035 ml) kolmeen taivutuskoneeseen (L20, L30 ja L50 mm).Jokaisella toimilaitteella oli kuitenkin erilaiset painehuiput ja erilaiset taivutuskulmat.L20 ja L30 mm:n toimilaitteiden sisääntulopaine oli 0,72 ja 0,67 MPa, ja ne saavuttivat taivutuskulmat 167° ja 194°.Pisin taivutuskoneisto (pituus 50 mm) kesti 0,61 MPa painetta ja saavutti maksimitaivutuskulman 236°.Painekulman hystereesikäyrät paljastivat myös suhteellisen suuret raot paineistus- ja vapautuskäyrien välillä kaikille kolmelle taivutuskäytölle.
Syöttötilavuuden ja lähtöominaisuuksien (venymä, voima, alueen laajeneminen, taivutuskulma) välinen suhde yllä oleville älytekstiilikokoonpanoille löytyy lisäkuvasta S2.
Edellisen osan koetulokset osoittavat selvästi AMF-näytteiden käytetyn tulopaineen ja ulostulon venymän välisen suhteellisen suhteen.Mitä voimakkaammin AMB on jännittynyt, sitä suurempi venymä se kehittää ja sitä enemmän elastista energiaa se kerää.Siksi mitä suurempi puristusvoima se kohdistaa.Tulokset osoittivat myös, että näytteet saavuttivat suurimman puristusvoimansa, kun tulopaine oli poistettu kokonaan.Tämän osan tarkoituksena on luoda suora yhteys neulottujen ja kudottujen arkkien venymän ja suurimman kutistumisvoiman välillä analyyttisen mallinnuksen ja kokeellisen todentamisen avulla.
Yhden AMF:n suurin supistusvoima Fout (tulopaineella P = 0) annettiin viitteessä 49 ja lisättiin uudelleen seuraavasti:
Niiden joukossa α, E ja A0 ovat vastaavasti silikoniputken venytystekijä, Youngin moduuli ja poikkileikkauspinta-ala;k on spiraalikelan jäykkyyskerroin;x ja li ovat siirtymä ja alkupituus.AMP, vastaavasti.
oikea yhtälö.(1) Otetaan esimerkkinä neulotut ja kudotut lakanat (kuva 5A, B).Neuletuotteen Fkv ja kudotun tuotteen Fwh kutistumisvoimat ilmaistaan yhtälöillä (2) ja (3).
missä mk on silmukoiden lukumäärä, φp on neuloksen silmukkakulma ruiskutuksen aikana (kuva 5A), mh on lankojen lukumäärä, θhp on neuloksen tarttumiskulma ruiskutuksen aikana (kuva 5B), εkv εwh on neulottu levy ja kudotun levyn muodonmuutos, F0 on spiraalikelan alkujännitys.Yhtälön yksityiskohtainen johtaminen.Kohdat (2) ja (3) löytyvät tukitiedoista.
Luo analyyttinen malli venymä-voimasuhteelle.(A,B) Analyyttiset mallikuvat neulotuille ja kudotuille arkkeille, vastaavasti.(C,D) Neulottujen ja kudottujen arkkien analyyttisten mallien ja kokeellisten tietojen vertailu.RMSE:n keskimääräinen neliövirhe.
Kehitetyn mallin testaamiseksi suoritimme venymäkokeita käyttämällä kuvan 2A neulekuvioita ja kuvion 2B punottuja näytteitä.Supistusvoima mitattiin 5 %:n välein jokaiselle lukitulle jatkeelle 0 %:sta 50 %:iin.Viiden kokeen keskiarvo ja keskihajonta on esitetty kuvassa 5C (neulos) ja kuvassa 5D (neulos).Analyyttisen mallin käyrät kuvataan yhtälöillä.Parametrit (2) ja (3) on annettu taulukossa.1. Tulokset osoittavat, että analyyttinen malli on hyvin sopusoinnussa kokeellisten tietojen kanssa koko venymäalueella neliökeskiarvon (RMSE) ollessa 0,34 N neuleille, 0,21 N kudottulle AMF H (vaakasuunnassa) ja 0,17 N kudotulle AMF:lle.V (pystysuunta).
Perusliikkeiden lisäksi ehdotetut älytekstiilit voidaan ohjelmoida mekaanisesti tarjoamaan monimutkaisempia liikkeitä, kuten S-taivutus, radiaalinen supistuminen ja 2D-3D-muodonmuutos.Esittelemme tässä useita menetelmiä litteiden älytekstiilien ohjelmointiin haluttuihin rakenteisiin.
Sen lisäksi, että laajennetaan aluetta lineaarisessa suunnassa, yksisuuntaiset kudotut levyt voidaan ohjelmoida mekaanisesti luomaan multimodaalista liikettä (kuva 6A).Muokkaamme punotun arkin jatkeen taivutusliikkeeksi, rajoittaen yhden sen sivuista (ylä- tai alaosa) ompelulangalla.Levyillä on taipumus taipua kohti rajapintaa paineen alaisena.KuvassaKuvassa 6A on kaksi esimerkkiä kudotuista paneeleista, jotka muuttuvat S-muotoisiksi, kun toinen puolisko on ahtaassa yläpuolella ja toinen puolisko on ahtaassa pohjapuolella.Vaihtoehtoisesti voit luoda pyöreän taivutusliikkeen, jossa vain koko kasvo on rajoitettu.Yksisuuntaisesta punotusta levystä voidaan tehdä myös puristusholkki yhdistämällä sen kaksi päätä putkimaiseksi rakenteeksi (kuva 6B).Hihaa pidetään henkilön etusormen päällä kompression aikaansaamiseksi, joka on eräänlainen hierontahoito, joka lievittää kipua tai parantaa verenkiertoa.Se voidaan skaalata sopimaan muihin kehon osiin, kuten käsiin, lantioon ja jalkoihin.
Kyky kutoa lakanoita yhteen suuntaan.(A) Muovaavien rakenteiden luominen ompelulankojen muodon ohjelmoitavuuden vuoksi.(B) Sormipuristusholkki.(C) Toinen versio punotusta levystä ja sen toteutus kyynärvarren puristusholkina.(D) Toinen puristusholkin prototyyppi, joka on valmistettu AMF-tyypistä M, akryylilangasta ja tarranauhasta.Yksityiskohtaiset tiedot löytyvät Menetelmät-osiosta.
Kuvio 6C esittää toista esimerkkiä yksisuuntaisesta kudotusta arkista, joka on valmistettu yhdestä AMF:stä ja puuvillalangasta.Levy voi laajentua pinta-alaltaan 45 % (1,2 MPa:lla) tai aiheuttaa pyöreäliikettä paineen alaisena.Olemme myös sisällyttäneet arkin kyynärvarren puristusholkin luomiseksi kiinnittämällä magneettinauhat arkin päähän.Toinen kyynärvarren puristusholkin prototyyppi on esitetty kuvassa 6D, jossa yksisuuntaiset punotut levyt valmistettiin tyypin M AMF:stä (katso menetelmät) ja akryylilangoista vahvempien puristusvoimien luomiseksi.Olemme varustaneet lakanoiden päät tarranauhalla kiinnityksen helpottamiseksi ja erikokoisille käsille.
Kiinnitystekniikka, joka muuttaa lineaarisen venymisen taivutusliikkeeksi, soveltuu myös kaksisuuntaisiin kudottuihin levyihin.Kudomme puuvillalangat loimi- ja kudekudottujen arkkien toiselle puolelle, jotta ne eivät laajene (kuva 7A).Siten, kun kaksi AMF:ää vastaanottaa hydraulista painetta toisistaan riippumatta, levy käy läpi kaksisuuntaisen taivutusliikkeen mielivaltaisen kolmiulotteisen rakenteen muodostamiseksi.Toisessa lähestymistavassa käytämme venymättömiä lankoja kaksisuuntaisten kudottujen arkkien yhden suunnan rajoittamiseen (kuva 7B).Siten levy voi tehdä itsenäisiä taivutus- ja venytysliikkeitä, kun vastaava AMF on paineen alaisena.KuvassaKuvassa 7B on esimerkki, jossa kaksisuuntainen punottu arkki ohjataan kietoutumaan kahden kolmasosan ympärille ihmisen sormesta taivutusliikkeellä ja sitten pidentää sen pituutta peittämään loput venytysliikkeellä.Lakanoiden kaksisuuntainen liike voi olla hyödyllinen muotisuunnittelussa tai älykkäiden vaatteiden kehittämisessä.
Kaksisuuntainen kudottu arkki, neulottu arkki ja säteittäisesti laajennettavat suunnitteluominaisuudet.(A) Kaksisuuntaisesti sidotut kaksisuuntaiset pajupaneelit kaksisuuntaisen mutkan luomiseksi.(B) Yksisuuntaisesti pakotetut kaksisuuntaiset pajupaneelit tuottavat joustavuutta ja venymistä.(C) Erittäin elastinen neulottu levy, joka voi mukautua erilaisiin pinnan kaareviin ja jopa muodostaa putkimaisia rakenteita.(D) säteittäisesti laajenevan rakenteen keskilinjan rajaaminen, joka muodostaa hyperbolisen parabolisen muodon (perunalastut).
Yhdisimme neulotun osan ylemmän ja alemman rivin kaksi vierekkäistä silmukkaa ompelulangalla, jotta se ei purkaudu (kuva 7C).Siten kudottu arkki on täysin joustava ja mukautuu hyvin erilaisiin pintakaareihin, kuten ihmisen käsien ja käsivarsien ihon pintaan.Teimme myös putkimaisen rakenteen (hihan) yhdistämällä neulotun osan päät kulkusuunnassa.Hiha kietoutuu hyvin henkilön etusormen ympärille (kuva 7C).Kudotun kankaan mutkaisuus tarjoaa erinomaisen istuvuuden ja muotoutuvuuden, mikä tekee siitä helpon käyttää älykkäässä kulutuksessa (hanskat, puristushihat), mikä tarjoaa mukavuutta (sovituksen kautta) ja terapeuttisen vaikutuksen (kompression kautta).
2D-säteittäisen useisiin suuntiin laajentamisen lisäksi pyöreät kudotut levyt voidaan myös ohjelmoida muodostamaan 3D-rakenteita.Rajoitimme pyöreän punoksen keskilinjan akryylilangalla häiritsemään sen tasaista säteittäistä laajenemista.Tämän seurauksena pyöreän kudotun levyn alkuperäinen litteä muoto muuttui hyperboliseksi paraboliseksi muotoksi (tai perunalastuksi) paineistuksen jälkeen (kuvio 7D).Tämä muodonmuutoskyky voitaisiin toteuttaa nostomekanismina, optisena linssinä, mobiilirobotin jaloina tai se voisi olla hyödyllinen muotisuunnittelussa ja bionisissa roboteissa.
Olemme kehittäneet yksinkertaisen tekniikan taivutuskäytön luomiseksi liimaamalla AMF joustamattomaan kangasnauhaan (kuva 3).Käytämme tätä konseptia luodaksemme ohjelmoitavia muotoja, joissa voimme strategisesti jakaa useita aktiivisia ja passiivisia osia yhdessä AMF:ssä haluttujen muotojen luomiseksi.Valmistimme ja ohjelmoimme neljä aktiivista filamenttia, jotka voivat muuttaa muotoaan suoraan kirjaimeen (UNSW), kun painetta nostettiin (lisäkuva S4).Tämä yksinkertainen menetelmä mahdollistaa AMF:n muodonmuutoskyvyn muuttaa 1D-viivat 2D-muodoiksi ja mahdollisesti jopa 3D-rakenteiksi.
Samanlaisessa lähestymistavassa käytimme yhtä AMF:ää passiivisen normaalikudoksen osan uudelleenkonfiguroimiseksi aktiiviseksi tetrapodiksi (kuva 8A).Reititys- ja ohjelmointikonseptit ovat samanlaisia kuin kuvassa 3C.Suorakaiteen muotoisten arkkien sijaan he alkoivat kuitenkin käyttää kankaita, joissa oli nelijalkainen kuvio (kilpikonna, puuvillamusliini).Siksi jalat ovat pidemmät ja rakennetta voidaan nostaa korkeammalle.Rakenteen korkeus kasvaa asteittain paineen alaisena, kunnes sen jalat ovat kohtisuorassa maahan.Jos tulopaine jatkaa nousuaan, jalat painuvat sisäänpäin, mikä laskee rakenteen korkeutta.Tetrapodit voivat liikkua, jos niiden jalat on varustettu yksisuuntaisilla kuvioilla tai jos ne käyttävät useita AMF:itä liikkeenkäsittelystrategioilla.Pehmeitä liikkumisrobotteja tarvitaan monenlaisiin tehtäviin, kuten pelastukseen maastopaloista, romahtaneista rakennuksista tai vaarallisista ympäristöistä sekä lääketieteellisten lääkkeiden jakelurobotteja.
Kangas on muotoiltu uudelleen muotoa muuttavien rakenteiden luomiseksi.(A) Liimaa AMF passiivisen kangasarkin reunaan ja tee siitä ohjattava nelijalkainen rakenne.(BD) Kaksi muuta esimerkkiä kudosten uudelleenkonfiguroinnista, passiivisten perhosten ja kukkien muuttamisesta aktiivisiksi.Joustamaton kangas: tavallinen puuvillamusliini.
Hyödynnämme myös tämän kudosten uudelleenkonfigurointitekniikan yksinkertaisuutta ja monipuolisuutta ottamalla käyttöön kaksi muuta bioinspiroitua rakennetta uudelleenmuotoilua varten (kuvat 8B-D).Reitettävän AMF:n avulla nämä muotoaan muuttavat rakenteet konfiguroidaan uudelleen passiivikudoslevyistä aktiivisiksi ja ohjattaviksi rakenteiksi.Monarkkiperhosen inspiroimana teimme muuntavan perhosrakenteen käyttämällä perhosen muotoista kangasta (puuvillamusliinia) ja pitkää AMF-palaa, joka oli kiinnitetty sen siipien alle.Kun AMF on paineen alaisena, siivet taittuvat ylös.Kuten Monarch Butterfly, Butterfly Robotin vasen ja oikea siipi läpäisevät samalla tavalla, koska niitä molempia ohjaa AMF.Perhosläpät on tarkoitettu vain esittelytarkoituksiin.Se ei voi lentää kuin Smart Bird (Festo Corp., USA).Teimme myös kangaskukan (kuva 8D), joka koostui kahdesta viiden terälehden kerroksesta.Sijoitimme AMF:n jokaisen kerroksen alle terälehtien ulkoreunan jälkeen.Aluksi kukat ovat täydessä kukassa, ja kaikki terälehdet ovat täysin auki.Paineen alaisena AMF aiheuttaa terälehtien taipuvan liikkeen, jolloin ne sulkeutuvat.Kaksi AMF:ää ohjaavat itsenäisesti kahden kerroksen liikettä, kun taas yhden kerroksen viisi terälehteä taipuvat samanaikaisesti.
Postitusaika: 26.12.2022