Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Viser en karrusel med tre dias på én gang.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
At kombinere tekstiler og kunstige muskler for at skabe smarte tekstiler tiltrækker stor opmærksomhed fra både det videnskabelige og industrielle miljø.Smarte tekstiler tilbyder mange fordele, herunder adaptiv komfort og en høj grad af overensstemmelse med genstande, samtidig med at de giver aktiv aktivering for ønsket bevægelse og styrke.Denne artikel præsenterer en ny klasse af programmerbare smarte stoffer fremstillet ved hjælp af forskellige metoder til vævning, vævning og limning af væskedrevne kunstige muskelfibre.En matematisk model blev udviklet til at beskrive forholdet mellem forlængelseskraften af strikkede og vævede tekstilplader, og derefter blev dens gyldighed testet eksperimentelt.Det nye "smarte" tekstil har høj fleksibilitet, overensstemmelse og mekanisk programmering, hvilket muliggør multimodale bevægelses- og deformationsmuligheder til en bredere vifte af applikationer.Forskellige smarte tekstilprototyper er blevet skabt gennem eksperimentel verifikation, herunder forskellige tilfælde af formændring, såsom forlængelse (op til 65%), arealudvidelse (108%), radial ekspansion (25%) og bøjningsbevægelse.Konceptet med rekonfiguration af passive traditionelle væv til aktive strukturer til biomimetiske formningsstrukturer er også ved at blive udforsket.De foreslåede smarte tekstiler forventes at lette udviklingen af smarte wearables, haptiske systemer, biomimetiske bløde robotter og bærbar elektronik.
Stive robotter er effektive, når de arbejder i strukturerede miljøer, men har problemer med den ukendte kontekst af skiftende miljøer, hvilket begrænser deres brug i søgning eller udforskning.Naturen fortsætter med at overraske os med mange opfindsomme strategier til at håndtere eksterne faktorer og mangfoldighed.For eksempel udfører klatreplanters ranker multimodale bevægelser, såsom bøjning og spiral, for at udforske et ukendt miljø på jagt efter en passende støtte1.Venus-fluefælden (Dionaea muscipula) har følsomme hår på bladene, der, når den udløses, klikker på plads for at fange bytte2.I de senere år er deformation eller deformation af kroppe fra todimensionelle (2D) overflader til tredimensionelle (3D) former, der efterligner biologiske strukturer, blevet et interessant forskningsemne3,4.Disse bløde robotkonfigurationer ændrer form for at tilpasse sig skiftende miljøer, muliggøre multimodal bevægelse og anvende kræfter til at udføre mekanisk arbejde.Deres rækkevidde har udvidet sig til en bred vifte af robotapplikationer, herunder deployables5, rekonfigurerbare og selvfoldende robotter6,7, biomedicinske enheder8, køretøjer9,10 og udvidelig elektronik11.
Der er forsket meget i at udvikle programmerbare flade plader, der, når de aktiveres, forvandles til komplekse tredimensionelle strukturer3.En simpel idé til at skabe deformerbare strukturer er at kombinere lag af forskellige materialer, der bøjer og rynker, når de udsættes for stimuli12,13.Janbaz et al.14 og Li et al.15 har implementeret dette koncept for at skabe varmefølsomme multimodale deformerbare robotter.Origami-baserede strukturer, der inkorporerer stimulus-responsive elementer, er blevet brugt til at skabe komplekse tredimensionelle strukturer16,17,18.Inspireret af morfogenesen af biologiske strukturer, Emmanuel et al.Formdeformerbare elastomerer skabes ved at organisere luftkanaler inden for en gummioverflade, der under tryk omdannes til komplekse, vilkårlige tredimensionelle former.
Integreringen af tekstiler eller stoffer i deformerbare bløde robotter er endnu et nyt konceptprojekt, der har skabt stor interesse.Tekstiler er bløde og elastiske materialer fremstillet af garn ved vævningsteknikker såsom strikning, vævning, fletning eller knudevævning.Stoffers fantastiske egenskaber, herunder fleksibilitet, pasform, elasticitet og åndbarhed, gør dem meget populære i alt fra tøj til medicinske anvendelser20.Der er tre brede tilgange til at inkorporere tekstiler i robotteknologi21.Den første tilgang er at bruge tekstilet som en passiv bagside eller base for andre komponenter.I dette tilfælde giver passive tekstiler en behagelig pasform for brugeren, når de bærer stive komponenter (motorer, sensorer, strømforsyning).De fleste bløde bærbare robotter eller bløde eksoskeletter falder ind under denne tilgang.For eksempel bløde, bærbare eksoskeletter til ganghjælpemidler 22 og albuehjælpemidler 23, 24, 25, bløde, bærbare handsker 26 til hånd- og fingerhjælpemidler og bioniske bløde robotter 27.
Den anden tilgang er at bruge tekstiler som passive og begrænsede komponenter i bløde robotanordninger.Tekstilbaserede aktuatorer falder ind under denne kategori, hvor stoffet normalt er konstrueret som en ydre beholder til at indeholde den indre slange eller kammer, der danner en blød fiberforstærket aktuator.Når de udsættes for en ekstern pneumatisk eller hydraulisk kilde, undergår disse bløde aktuatorer ændringer i form, herunder forlængelse, bøjning eller vridning, afhængigt af deres oprindelige sammensætning og konfiguration.For eksempel har Talman et al.Ortopædisk ankelbeklædning, bestående af en række stoflommer, er blevet introduceret for at lette plantarfleksion for at genoprette gangart28.Tekstillag med forskellig strækbarhed kan kombineres for at skabe anisotropisk bevægelse 29 .OmniSkins – bløde robotskin fremstillet af en række bløde aktuatorer og substratmaterialer kan transformere passive objekter til multifunktionelle aktive robotter, der kan udføre multimodale bevægelser og deformationer til forskellige applikationer.Zhu et al.har udviklet et flydende vævsmuskelark31, der kan generere forlængelse, bøjning og forskellige deformationsbevægelser.Buckner et al.Integrer funktionelle fibre i konventionelt væv for at skabe robotvæv med flere funktioner såsom aktivering, sansning og variabel stivhed32.Andre metoder i denne kategori kan findes i disse artikler 21, 33, 34, 35.
En nyere tilgang til at udnytte tekstilers overlegne egenskaber inden for blød robotteknologi er at bruge reaktive eller stimulus-responsive filamenter til at skabe smarte tekstiler ved hjælp af traditionelle tekstilfremstillingsmetoder såsom vævning, strikning og vævningsmetoder21,36,37.Afhængigt af materialets sammensætning forårsager reaktivt garn en formændring, når det udsættes for elektrisk, termisk eller trykpåvirkning, hvilket fører til deformation af stoffet.I denne tilgang, hvor traditionelle tekstiler er integreret i et blødt robotsystem, sker omformningen af tekstilet på det indre lag (garn) frem for det ydre lag.Som sådan tilbyder smarte tekstiler fremragende håndtering i form af multimodal bevægelse, programmerbar deformation, strækbarhed og evnen til at justere stivheden.For eksempel kan formhukommelseslegeringer (SMA'er) og formhukommelsespolymerer (SMP'er) inkorporeres i stoffer for aktivt at kontrollere deres form gennem termisk stimulering, såsom hæmming38, fjernelse af rynker36,39, taktil og taktil feedback40,41 såvel som adaptiv bærbart tøj.enheder 42.Brugen af termisk energi til opvarmning og afkøling resulterer imidlertid i langsom respons og vanskelig afkøling og kontrol.For nylig har Hiramitsu et al.McKibbens fine muskler43,44, pneumatiske kunstige muskler, bruges som kædegarn til at skabe forskellige former for aktive tekstiler ved at ændre vævningsstrukturen45.Selvom denne tilgang giver høje kræfter, er dens ekspansionshastighed begrænset (< 50%) på grund af McKibben-muskelens natur, og lille størrelse kan ikke opnås (diameter < 0,9 mm).Derudover har det været svært at danne smarte tekstilmønstre ud fra vævningsmetoder, der kræver skarpe hjørner.For at danne et bredere udvalg af smarte tekstiler har Maziz et al.Elektroaktive bærbare tekstiler er blevet udviklet ved at strikke og væve elektrofølsomme polymertråde46.
I de senere år er en ny type termofølsomme kunstige muskler dukket op, konstrueret af stærkt snoede, billige polymerfibre47,48.Disse fibre er kommercielt tilgængelige og er let inkorporeret i vævning eller vævning for at producere smart tøj til en overkommelig pris.På trods af fremskridtene har disse nye varmefølsomme tekstiler begrænsede responstider på grund af behovet for opvarmning og afkøling (f.eks. temperaturkontrollerede tekstiler) eller vanskeligheden ved at lave komplekse strikkede og vævede mønstre, der kan programmeres til at generere de ønskede deformationer og bevægelser .Eksempler omfatter radial ekspansion, 2D til 3D formtransformation eller tovejsudvidelse, som vi tilbyder her.
For at overvinde disse førnævnte problemer præsenterer denne artikel et nyt væskedrevet smart tekstil lavet af vores nyligt introducerede bløde kunstige muskelfibre (AMF)49,50,51.AMF'er er meget fleksible, skalerbare og kan reduceres til en diameter på 0,8 mm og store længder (mindst 5000 mm), hvilket giver et højt billedformat (længde til diameter) samt høj forlængelse (mindst 245 %), høj energi effektivitet, mindre end 20Hz hurtig respons).For at skabe smarte tekstiler bruger vi AMF som et aktivt garn til at danne 2D aktive muskellag gennem strikke- og væveteknikker.Vi har kvantitativt undersøgt ekspansionshastigheden og kontraktionskraften af disse "smarte" væv i form af væskevolumen og leveret tryk.Analytiske modeller er blevet udviklet til at fastslå forlængelseskraftforholdet for strikkede og vævede plader.Vi beskriver også flere mekaniske programmeringsteknikker for smarte tekstiler til multimodal bevægelse, herunder tovejs forlængelse, bøjning, radial ekspansion og evnen til at skifte fra 2D til 3D.For at demonstrere styrken af vores tilgang vil vi også integrere AMF i kommercielle stoffer eller tekstiler for at ændre deres konfiguration fra passive til aktive strukturer, der forårsager forskellige deformationer.Vi har også demonstreret dette koncept på flere eksperimentelle testbænke, herunder programmerbar bøjning af tråde for at producere ønskede bogstaver og formskiftende biologiske strukturer i form af objekter som sommerfugle, firbenede strukturer og blomster.
Tekstiler er fleksible todimensionelle strukturer dannet af sammenvævede endimensionelle tråde såsom garn, tråde og fibre.Tekstil er en af menneskehedens ældste teknologier og er meget udbredt i alle livets aspekter på grund af dets komfort, tilpasningsevne, åndbarhed, æstetik og beskyttelse.Smarte tekstiler (også kendt som smart tøj eller robotstoffer) bliver i stigende grad brugt i forskning på grund af deres store potentiale i robotapplikationer20,52.Smarte tekstiler lover at forbedre den menneskelige oplevelse af at interagere med bløde genstande og indlede et paradigmeskifte i feltet, hvor bevægelsen og kræfterne af tyndt, fleksibelt stof kan kontrolleres til at udføre specifikke opgaver.I dette papir undersøger vi to tilgange til produktion af smarte tekstiler baseret på vores seneste AMF49: (1) brug AMF som et aktivt garn til at skabe smarte tekstiler ved hjælp af traditionelle tekstilfremstillingsteknologier;(2) indsæt AMF direkte i traditionelle stoffer for at stimulere den ønskede bevægelse og deformation.
AMF'en består af et internt silikonerør til at levere hydraulisk kraft og en ekstern spiralformet spole for at begrænse dens radiale udvidelse.Således forlænges AMF'er i længderetningen, når tryk påføres, og udviser efterfølgende kontraktile kræfter for at vende tilbage til deres oprindelige længde, når trykket frigives.De har egenskaber svarende til traditionelle fibre, herunder fleksibilitet, lille diameter og lang længde.AMF er dog mere aktiv og kontrolleret med hensyn til bevægelse og styrke end dens konventionelle modparter.Inspireret af de seneste hurtige fremskridt inden for smarte tekstiler præsenterer vi her fire hovedtilgange til fremstilling af smarte tekstiler ved at anvende AMF til en veletableret stoffremstillingsteknologi (figur 1).
Den første måde er vævning.Vi bruger skudstrikteknologi til at fremstille et reaktivt strikket stof, der folder sig ud i én retning, når det aktiveres hydraulisk.Strikkede lagner er meget strækbare og strækbare, men har en tendens til at optrevle lettere end vævede lagner.Afhængigt af kontrolmetoden kan AMF danne individuelle rækker eller komplette produkter.Ud over flade plader er rørformede strikkemønstre også velegnede til fremstilling af AMF hule strukturer.Den anden metode er vævning, hvor vi bruger to AMF'er som kæde og skud til at danne et rektangulært vævet ark, der kan udvide sig uafhængigt i to retninger.Vævede plader giver mere kontrol (i begge retninger) end strikkede plader.Vi vævede også AMF af traditionelt garn for at lave et mere enkelt vævet ark, der kun kan vikles af i én retning.Den tredje metode - radial ekspansion - er en variant af væveteknikken, hvor AMP'erne ikke er placeret i et rektangel, men i en spiral, og trådene giver radial begrænsning.I dette tilfælde udvider fletningen radialt under indløbstrykket.En fjerde fremgangsmåde er at klæbe AMF'en på et ark passivt stof for at skabe en bøjebevægelse i den ønskede retning.Vi har omkonfigureret det passive breakout board til et aktivt breakout board ved at køre AMF'en rundt om dens kant.Denne programmerbare karakter af AMF åbner for utallige muligheder for bio-inspirerede formtransformerende bløde strukturer, hvor vi kan omdanne passive objekter til aktive.Denne metode er enkel, nem og hurtig, men kan kompromittere prototypens levetid.Læseren henvises til andre tilgange i litteraturen, der beskriver styrkerne og svaghederne ved hver vævsegenskab21,33,34,35.
De fleste tråde eller garner, der bruges til at fremstille traditionelle stoffer, indeholder passive strukturer.I dette arbejde bruger vi vores tidligere udviklede AMF, som kan nå meterlængder og submillimeter diametre, til at erstatte traditionelle passive tekstilgarner med AFM for at skabe intelligente og aktive stoffer til en bredere vifte af anvendelser.De følgende afsnit beskriver detaljerede metoder til fremstilling af smarte tekstilprototyper og præsenterer deres vigtigste funktioner og adfærd.
Vi håndlavede tre AMF-trøjer ved hjælp af skudstrikketeknikken (fig. 2A).Materialevalg og detaljerede specifikationer for AMF'er og prototyper kan findes i afsnittet Metoder.Hver AMF følger en snoet sti (også kaldet en rute), der danner en symmetrisk løkke.Løkkerne i hver række er fastgjort med løkker af rækkerne over og under dem.Ringene på en søjle vinkelret på banen er kombineret til en aksel.Vores strikkede prototype består af tre rækker med syv masker (eller syv masker) i hver række.De øverste og nederste ringe er ikke faste, så vi kan fastgøre dem til de tilsvarende metalstænger.Strikkede prototyper optrevledes lettere end konventionelle strikstoffer på grund af den højere stivhed af AMF sammenlignet med konventionelt garn.Derfor bandt vi løkkerne af tilstødende rækker med tynde elastiske snore.
Forskellige smarte tekstilprototyper implementeres med forskellige AMF-konfigurationer.(A) Strikket ark lavet af tre AMF'er.(B) Tovejs vævet ark af to AMF'er.(C) Et ensrettet vævet ark fremstillet af AMF og akrylgarn kan bære en belastning på 500 g, hvilket er 192 gange dets vægt (2,6 g).(D) Radialt ekspanderende struktur med en AMF og bomuldsgarn som radial begrænsning.Detaljerede specifikationer kan findes i afsnittet Metoder.
Selvom zigzag-løkkerne på en strik kan strække sig i forskellige retninger, udvider vores prototypestrik sig primært i retning af løkken under tryk på grund af begrænsninger i kørselsretningen.Forlængelsen af hver AMF bidrager til udvidelsen af det samlede areal af det strikkede ark.Afhængigt af specifikke krav kan vi styre tre AMF'er uafhængigt af tre forskellige væskekilder (Figur 2A) eller samtidigt fra en væskekilde via en 1-til-3 væskefordeler.På fig.2A viser et eksempel på en strikket prototype, hvis oprindelige areal steg med 35%, mens der blev påført tryk på tre AMP'er (1,2 MPa).Især opnår AMF en høj forlængelse på mindst 250 % af sin oprindelige længde49, så strikkede plader kan strække sig endnu mere end nuværende versioner.
Vi skabte også tovejsvævede ark dannet af to AMF'er ved hjælp af almindelig vævningsteknikken (figur 2B).AMF kæde og skud er flettet sammen i rette vinkler og danner et enkelt mønster på kryds og tværs.Vores prototypevævning blev klassificeret som en afbalanceret almindelig vævning, fordi både kæde- og skudgarn var lavet af samme garnstørrelse (se afsnittet Metoder for detaljer).I modsætning til almindelige tråde, der kan danne skarpe folder, kræver den påførte AMF en vis bøjningsradius, når man vender tilbage til en anden tråd af vævemønsteret.Derfor har vævede plader lavet af AMP en lavere tæthed sammenlignet med konventionelle vævede tekstiler.AMF-type S (ydre diameter 1,49 mm) har en minimum bøjningsradius på 1,5 mm.For eksempel har den prototypevævning, vi præsenterer i denne artikel, et 7×7 trådmønster, hvor hvert kryds er stabiliseret med en knude af tynd elastisk snor.Ved at bruge den samme væveteknik kan du få flere tråde.
Når den tilsvarende AMF modtager væsketryk, udvider det vævede ark sit område i kæde- eller skudretningen.Derfor kontrollerede vi dimensionerne af det flettede ark (længde og bredde) ved uafhængigt at ændre mængden af indløbstryk påført de to AMP'er.På fig.2B viser en vævet prototype, der udvidede sig til 44% af dets oprindelige areal, mens der blev påført tryk på en AMP (1,3 MPa).Med den samtidige påvirkning af tryk på to AMF'er steg arealet med 108%.
Vi lavede også et ensrettet vævet ark fra en enkelt AMF med kæde- og akrylgarn som skud (figur 2C).AMF'erne er arrangeret i syv zigzag-rækker, og trådene væver disse rækker af AMF'er sammen for at danne et rektangulært ark stof.Denne vævede prototype var tættere end i fig. 2B, takket være bløde akryltråde, der nemt fyldte hele arket.Fordi vi kun bruger én AMF som kædetråd, kan den vævede plade kun udvide sig mod kædetråden under tryk.Figur 2C viser et eksempel på en vævet prototype, hvis indledende areal øges med 65% med stigende tryk (1,3 MPa).Derudover kan dette flettede stykke (vejer 2,6 gram) løfte en belastning på 500 gram, hvilket er 192 gange dets masse.
I stedet for at arrangere AMF i et zigzag-mønster for at skabe et rektangulært vævet ark, fremstillede vi en flad spiralform af AMF, som derefter blev radialt begrænset med bomuldsgarn for at skabe et rundt vævet ark (figur 2D).Den høje stivhed af AMF begrænser dens fyldning af det meget centrale område af pladen.Denne polstring kan dog være lavet af elastiske garner eller elastiske stoffer.Efter at have modtaget hydraulisk tryk, konverterer AMP sin langsgående forlængelse til en radial udvidelse af pladen.Det er også værd at bemærke, at både de ydre og indre diametre af spiralformen øges på grund af den radiale begrænsning af filamenterne.Figur 2D viser, at med et påført hydraulisk tryk på 1 MPa udvides formen af et rundt ark til 25 % af dets oprindelige areal.
Vi præsenterer her en anden tilgang til at lave smarte tekstiler, hvor vi limer en AMF til et fladt stykke stof og omkonfigurerer det fra en passiv til en aktivt styret struktur.Designdiagrammet for bukkedrevet er vist i fig.3A, hvor AMP'en er foldet ned på midten og limet til en strimmel af uudvidelig stof (bomuldsmuslinstof) ved hjælp af dobbeltsidet tape som klæbemiddel.Når den er forseglet, kan toppen af AMF frit strække sig, mens bunden er begrænset af tapen og stoffet, hvilket får strimlen til at bøje mod stoffet.Vi kan deaktivere enhver del af bøjningsaktuatoren hvor som helst ved blot at klæbe en strimmel tape på den.Et deaktiveret segment kan ikke bevæge sig og bliver et passivt segment.
Stoffer omkonfigureres ved at klæbe AMF på traditionelle stoffer.(A) Designkoncept for et bukkedrev fremstillet ved at lime en foldet AMF på et ikke-udvideligt stof.(B) Bøjning af aktuatorprototypen.(C) Omkonfiguration af en rektangulær klud til en aktiv firbenet robot.Uelastisk stof: bomuldsjersey.Strækstof: polyester.Detaljerede specifikationer kan findes i afsnittet Metoder.
Vi lavede flere prototype-bøjningsaktuatorer af forskellig længde og tryksatte dem med hydraulik for at skabe en bøjningsbevægelse (figur 3B).Vigtigt er det, at AMF kan lægges ud i en lige linje eller foldes for at danne flere tråde og derefter limes til stoffet for at skabe et bøjningsdrev med det passende antal tråde.Vi konverterede også det passive vævsark til en aktiv tetrapod-struktur (figur 3C), hvor vi brugte AMF til at dirigere grænserne af et rektangulært uudvideligt væv (bomuldsmuslinstof).AMP fastgøres til stoffet med et stykke dobbeltklæbende tape.Midten af hver kant er tapet for at blive passiv, mens de fire hjørner forbliver aktive.Topbetræk af strækstof (polyester) er valgfrit.De fire hjørner af stoffet bøjes (ligner ben), når de trykkes ned.
Vi byggede en testbænk til kvantitativt at studere egenskaberne af de udviklede smarte tekstiler (se afsnittet Metoder og supplerende figur S1).Da alle prøver var lavet af AMF, er den generelle tendens for de eksperimentelle resultater (fig. 4) i overensstemmelse med hovedkarakteristikaene for AMF, nemlig indgangstrykket er direkte proportionalt med udløbsforlængelsen og omvendt proportional med kompressionskraften.Disse smarte stoffer har dog unikke egenskaber, der afspejler deres specifikke konfigurationer.
Har smarte tekstilkonfigurationer.(A, B) Hysteresekurver for indløbstryk og udløbsforlængelse og kraft for vævede plader.(C) Udvidelse af området af det vævede ark.(D,E) Sammenhæng mellem inputtryk og outputforlængelse og kraft for strikvarer.(F) Områdeudvidelse af radialt ekspanderende strukturer.(G) Bøjningsvinkler af tre forskellige længder af bøjningsdrev.
Hver AMF af det vævede ark blev udsat for et indløbstryk på 1 MPa for at generere ca. 30% forlængelse (fig. 4A).Vi valgte denne tærskel for hele eksperimentet af flere grunde: (1) for at skabe en betydelig forlængelse (ca. 30%) for at understrege deres hysteresekurver, (2) for at forhindre cykling fra forskellige eksperimenter og genanvendelige prototyper, der resulterer i utilsigtet skade eller fejl..under højt væsketryk.Den døde zone er tydeligt synlig, og fletningen forbliver ubevægelig, indtil indgangstrykket når 0,3 MPa.Trykforlængelsehysterese-plottet viser et stort mellemrum mellem pumpe- og frigivelsesfaserne, hvilket indikerer, at der er et betydeligt tab af energi, når det vævede ark ændrer sin bevægelse fra ekspansion til sammentrækning.(Fig. 4A).Efter opnåelse af et indløbstryk på 1 MPa kunne det vævede ark udøve en sammentrækningskraft på 5,6 N (fig. 4B).Tryk-kraft-hysterese-plottet viser også, at nulstillingskurven næsten overlapper med trykopbygningskurven.Arealudvidelsen af det vævede ark afhang af mængden af tryk, der blev påført hver af de to AMF'er, som vist i 3D-overfladeplottet (figur 4C).Eksperimenter viser også, at en vævet plade kan producere en arealudvidelse på 66%, når dens kæde- og skud-AMF'er samtidigt udsættes for et hydraulisk tryk på 1 MPa.
Forsøgsresultaterne for det strikkede ark viser et lignende mønster som det vævede ark, herunder et stort hysteresegab i træk-trykdiagrammet og overlappende tryk-kraftkurver.Det strikkede ark udviste en forlængelse på 30 %, hvorefter kompressionskraften var 9 N ved et indløbstryk på 1 MPa (fig. 4D, E).
I tilfælde af en rund vævet plade steg dets indledende areal med 25 % sammenlignet med det oprindelige areal efter udsættelse for et væsketryk på 1 MPa (fig. 4F).Før prøven begynder at ekspandere, er der et stort indløbstryk død zone op til 0,7 MPa.Denne store døde zone var forventet, da prøverne blev lavet af større AMF'er, som krævede højere tryk for at overvinde deres indledende stress.På fig.4F viser også, at udløsningskurven næsten falder sammen med trykstigningskurven, hvilket indikerer et lille energitab, når skivebevægelsen skiftes.
Eksperimentelle resultater for de tre bøjningsaktuatorer (vævsrekonfiguration) viser, at deres hysteresekurver har et lignende mønster (Figur 4G), hvor de oplever en indgangstryksdødzone på op til 0,2 MPa før løft.Vi påførte det samme volumen væske (0,035 ml) på tre bukkedrev (L20, L30 og L50 mm).Imidlertid oplevede hver aktuator forskellige trykspidser og udviklede forskellige bøjningsvinkler.L20 og L30 mm aktuatorerne oplevede et indgangstryk på 0,72 og 0,67 MPa og nåede bøjningsvinkler på henholdsvis 167° og 194°.Det længste bukkedrev (længde 50 mm) modstod et tryk på 0,61 MPa og nåede en maksimal bukkevinkel på 236°.Trykvinkelhysterese-plottene afslørede også relativt store mellemrum mellem tryk- og frigivelseskurverne for alle tre bøjningsdrev.
Forholdet mellem inputvolumen og outputegenskaber (forlængelse, kraft, arealudvidelse, bøjningsvinkel) for ovennævnte smarte tekstilkonfigurationer kan findes i Supplerende Figur S2.
De eksperimentelle resultater i det foregående afsnit demonstrerer klart det proportionelle forhold mellem påført indløbstryk og udløbsforlængelse af AMF-prøver.Jo stærkere AMB er belastet, jo større forlængelse udvikler det sig, og jo mere elastisk energi akkumuleres det.Derfor er den større trykkraft, den udøver.Resultaterne viste også, at prøverne nåede deres maksimale kompressionskraft, når indgangstrykket var fuldstændigt fjernet.Dette afsnit har til formål at etablere et direkte forhold mellem forlængelse og maksimal krympekraft af strikkede og vævede plader gennem analytisk modellering og eksperimentel verifikation.
Den maksimale kontraktile kraft Fout (ved indgangstryk P = 0) af en enkelt AMF blev givet i ref 49 og genindført som følger:
Blandt dem er α, E og A0 henholdsvis strækfaktoren, Youngs modul og tværsnitsarealet af silikonerøret;k er stivhedskoefficienten for spiralspolen;x og li er offset og initial længde.AMP, henholdsvis.
den rigtige ligning.(1) Tag strikkede og vævede plader som et eksempel (fig. 5A, B).Krympekræfterne for det strikkede produkt Fkv og det vævede produkt Fwh er udtrykt ved henholdsvis ligning (2) og (3).
hvor mk er antallet af løkker, φp er løkkevinklen for det strikkede stof under injektion (fig. 5A), mh er antallet af tråde, θhp er indgrebsvinklen for det strikkede stof under injektion (fig. 5B), εkv εwh er det strikkede ark og deformationen af det vævede ark, F0 er spiralspolens begyndelsesspænding.Detaljeret udledning af ligningen.(2) og (3) kan findes i de understøttende oplysninger.
Skab en analytisk model for forlængelse-kraft-forholdet.(A,B) Analytiske modelillustrationer for henholdsvis strikkede og vævede plader.(C,D) Sammenligning af analytiske modeller og eksperimentelle data for strikkede og vævede plader.RMSE Root mean square error.
For at teste den udviklede model udførte vi forlængelseseksperimenter ved at bruge de strikkede mønstre i fig. 2A og flettede prøver i fig. 2B.Kontraktionskraften blev målt i intervaller på 5 % for hver låst forlængelse fra 0 % til 50 %.Middelværdien og standardafvigelsen for de fem forsøg er vist i figur 5C (strik) og figur 5D (strik).Den analytiske models kurver er beskrevet med ligninger.Parametrene (2) og (3) er angivet i tabel.1. Resultaterne viser, at den analytiske model er i god overensstemmelse med de eksperimentelle data over hele forlængelsesområdet med en root mean square error (RMSE) på 0,34 N for strik, 0,21 N for vævet AMF H (horisontal retning) og 0,17 N til vævet AMF.V (lodret retning).
Ud over de grundlæggende bevægelser kan de foreslåede smarte tekstiler programmeres mekanisk til at give mere komplekse bevægelser såsom S-bøjning, radial kontraktion og 2D til 3D deformation.Vi præsenterer her flere metoder til programmering af flade smarte tekstiler til ønskede strukturer.
Ud over at udvide domænet i den lineære retning, kan ensrettede vævede ark programmeres mekanisk til at skabe multimodal bevægelse (fig. 6A).Vi omkonfigurerer forlængelsen af det flettede ark som en bøjningsbevægelse, der begrænser en af dens ansigter (top eller bund) med sytråd.Arkene har en tendens til at bøje mod afgrænsningsfladen under tryk.På fig.6A viser to eksempler på vævede paneler, der bliver S-formede, når den ene halvdel er trang på oversiden og den anden halvdel er trang på undersiden.Alternativt kan du lave en cirkulær bøjningsbevægelse, hvor kun hele ansigtet er begrænset.Et ensrettet flettet ark kan også laves om til en kompressionsmuffe ved at forbinde dets to ender til en rørformet struktur (fig. 6B).Ærmet bæres over en persons pegefinger for at give kompression, en form for massageterapi for at lindre smerter eller forbedre cirkulationen.Den kan skaleres til at passe til andre kropsdele såsom arme, hofter og ben.
Evne til at væve ark i én retning.(A) Oprettelse af deformerbare strukturer på grund af programmerbarheden af formen på sytråde.(B) Fingerkompressionsmuffe.(C) En anden version af det flettede ark og dets implementering som en underarms kompressionsmuffe.(D) Endnu en kompressionshylsterprototype lavet af AMF type M, akrylgarn og velcrostropper.Detaljerede specifikationer kan findes i afsnittet Metoder.
Figur 6C viser et andet eksempel på et ensrettet vævet ark fremstillet af en enkelt AMF og bomuldsgarn.Arket kan udvide sig med 45 % i areal (ved 1,2 MPa) eller forårsage cirkulær bevægelse under tryk.Vi har også indbygget et lag for at skabe en underarms kompressionshylster ved at fastgøre magnetiske stropper til enden af arket.En anden prototype underarms kompressionsmuffe er vist i fig. 6D, hvor ensrettede flettede plader blev fremstillet af Type M AMF (se Metoder) og akrylgarn for at generere stærkere kompressionskræfter.Vi har udstyret enderne af lagenerne med velcrostropper for nem fastgørelse og til forskellige håndstørrelser.
Fastholdelsesteknikken, som konverterer lineær forlængelse til bøjningsbevægelse, er også anvendelig til tovejsvævede plader.Vi væver bomuldstrådene på den ene side af kædetråden og vævet vævede ark, så de ikke udvider sig (fig. 7A).Når to AMF'er således modtager hydraulisk tryk uafhængigt af hinanden, gennemgår arket en tovejs bøjningsbevægelse for at danne en vilkårlig tredimensionel struktur.I en anden tilgang bruger vi uudvidelige garner til at begrænse en retning af tovejsvævede plader (figur 7B).Således kan pladen lave uafhængige bøjnings- og strækbevægelser, når den tilsvarende AMF er under pres.På fig.7B viser et eksempel, hvori et tovejs flettet ark styres til at vikle omkring to tredjedele af en menneskelig finger med en bøjelig bevægelse og derefter forlænge sin længde for at dække resten med en strækbevægelse.Tovejsbevægelsen af lagner kan være nyttig til modedesign eller smart tøjudvikling.
Tovejs vævet ark, strikket ark og radialt udvidelige designmuligheder.(A) Tovejs bundne tovejs flettede paneler for at skabe en tovejs bøjning.(B) Ensrettede tovejs flettede paneler producerer bøjning og forlængelse.(C) Meget elastisk strikket ark, som kan tilpasse sig forskellige overfladekrumninger og endda danne rørformede strukturer.(D) afgrænsning af midterlinjen af en radialt ekspanderende struktur, der danner en hyperbolsk parabolsk form (kartoffelchips).
Vi forbandt to tilstødende løkker af den øverste og nederste række af den strikkede del med sytråd, så den ikke ville optrevle (fig. 7C).Det vævede lag er således fuldt fleksibelt og tilpasser sig godt til forskellige overfladekurver, såsom hudoverfladen på menneskelige hænder og arme.Vi skabte også en rørformet struktur (ærme) ved at forbinde enderne af den strikkede del i kørselsretningen.Ærmet vikler godt rundt om personens pegefinger (fig. 7C).Det vævede stofs sinuositet giver fremragende pasform og deformerbarhed, hvilket gør det nemt at bruge i smart slid (handsker, kompressionsærmer), hvilket giver komfort (gennem pasform) og terapeutisk effekt (gennem kompression).
Ud over 2D radial ekspansion i flere retninger kan cirkulære vævede plader også programmeres til at danne 3D-strukturer.Vi begrænsede midterlinjen af den runde fletning med akrylgarn for at forstyrre dens ensartede radiale ekspansion.Som et resultat blev den oprindelige flade form af det rundvævede ark transformeret til en hyperbolsk parabolsk form (eller kartoffelchips) efter tryksætning (fig. 7D).Denne formskiftende evne kunne implementeres som en løftemekanisme, en optisk linse, mobile robotben eller kunne være nyttig i modedesign og bioniske robotter.
Vi har udviklet en simpel teknik til at skabe bøjningsdrev ved at lime AMF på en strimmel af ikke-strækstof (Figur 3).Vi bruger dette koncept til at skabe formprogrammerbare tråde, hvor vi strategisk kan fordele flere aktive og passive sektioner i én AMF for at skabe ønskede former.Vi fremstillede og programmerede fire aktive filamenter, der kunne ændre deres form fra lige til bogstav (UNSW), efterhånden som trykket blev øget (Supplerende Fig. S4).Denne enkle metode gør det muligt for AMF'ens deformerbarhed at omdanne 1D-linjer til 2D-former og muligvis endda 3D-strukturer.
I en lignende tilgang brugte vi en enkelt AMF til at omkonfigurere et stykke passivt normalt væv til en aktiv tetrapod (fig. 8A).Routing- og programmeringskoncepter ligner dem, der er vist i figur 3C.Men i stedet for rektangulære ark begyndte de at bruge stoffer med et firbenet mønster (skildpadde, bomuldsmuslin).Derfor er benene længere, og strukturen kan hæves højere.Højden af strukturen øges gradvist under tryk, indtil dens ben er vinkelret på jorden.Hvis indløbstrykket fortsætter med at stige, vil benene synke indad, hvilket sænker konstruktionens højde.Tetrapoder kan udføre bevægelse, hvis deres ben er udstyret med ensrettede mønstre eller bruger flere AMF'er med bevægelsesmanipulationsstrategier.Bløde bevægelsesrobotter er nødvendige til en række forskellige opgaver, herunder redninger fra skovbrande, kollapsede bygninger eller farlige miljøer og medicinske lægemiddelleveringsrobotter.
Stoffet er omkonfigureret til at skabe formskiftende strukturer.(A) Lim AMF til kanten af det passive stofark, og gør det til en styrbar firbenet struktur.(BD) To andre eksempler på vævsrekonfiguration, forvandling af passive sommerfugle og blomster til aktive.Ikke-strækstof: almindelig bomuldsmuslin.
Vi drager også fordel af enkelheden og alsidigheden af denne vævsrekonfigurationsteknik ved at introducere to yderligere bioinspirerede strukturer til omformning (figur 8B-D).Med en routbar AMF omkonfigureres disse formdeformerbare strukturer fra ark af passivt væv til aktive og styrbare strukturer.Inspireret af monarksommerfuglen lavede vi en transformerende sommerfuglestruktur ved hjælp af et stykke sommerfugleformet stof (bomuldsmuslin) og et langt stykke AMF sat fast under vingerne.Når AMF er under pres, foldes vingerne op.Ligesom monarksommerfuglen klapper sommerfuglerobottens venstre og højre vinger på samme måde, fordi de begge styres af AMF.Sommerfugleflapper er kun til udstillingsformål.Den kan ikke flyve som Smart Bird (Festo Corp., USA).Vi lavede også en stofblomst (figur 8D) bestående af to lag med fem kronblade hver.Vi placerede AMF under hvert lag efter den yderste kant af kronbladene.Til at begynde med er blomsterne i fuldt flor, med alle kronblade helt åbne.Under tryk forårsager AMF en bøjningsbevægelse af kronbladene, hvilket får dem til at lukke.De to AMF'er styrer uafhængigt bevægelsen af de to lag, mens de fem kronblade i et lag bøjer sig på samme tid.
Indlægstid: 26. december 2022