Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Kombiniranje tekstila i umjetnih mišića za stvaranje pametnog tekstila privlači veliku pozornost i znanstvene i industrijske zajednice.Pametni tekstil nudi mnoge prednosti, uključujući prilagodljivu udobnost i visok stupanj usklađenosti s objektima, dok istovremeno pruža aktivno pokretanje za željeno kretanje i snagu.Ovaj članak predstavlja novu klasu programabilnih pametnih tkanina izrađenih različitim metodama tkanja, tkanja i lijepljenja tekućinom pokretanih umjetnih mišićnih vlakana.Razvijen je matematički model za opisivanje omjera sile istezanja pletenih i tkanih tekstilnih ploča, a zatim je eksperimentalno ispitana njegova valjanost.Novi "pametni" tekstil ima visoku fleksibilnost, konformalnost i mehaničko programiranje, omogućujući multimodalne mogućnosti kretanja i deformacije za širi raspon primjena.Eksperimentalnom provjerom stvoreni su različiti prototipovi pametnog tekstila, uključujući različite slučajeve promjene oblika kao što su produljenje (do 65%), širenje površine (108%), radijalno širenje (25%) i kretanje savijanja.Također se istražuje koncept rekonfiguracije pasivnih tradicionalnih tkiva u aktivne strukture za biomimetičko oblikovanje struktura.Očekuje se da će predloženi pametni tekstili olakšati razvoj pametnih nosivih uređaja, haptičkih sustava, biomimetičkih mekih robota i nosive elektronike.
Kruti roboti su učinkoviti kada rade u strukturiranim okruženjima, ali imaju problema s nepoznatim kontekstom promjenjivih okruženja, što ograničava njihovu upotrebu u potrazi ili istraživanju.Priroda nas nastavlja iznenađivati mnogim inventivnim strategijama za suočavanje s vanjskim čimbenicima i raznolikošću.Na primjer, vitice biljaka penjačica izvode multimodalne pokrete, kao što su savijanje i spiralno, kako bi istražile nepoznato okruženje u potrazi za odgovarajućim osloncem1.Venerina muholovka (Dionaea muscipula) ima osjetljive dlačice na listovima koje, kad se okidaju, škljocnu na mjesto kako bi uhvatile plijen2.Posljednjih godina deformacija ili deformacija tijela iz dvodimenzionalnih (2D) površina u trodimenzionalne (3D) oblike koji oponašaju biološke strukture postala je zanimljiva tema istraživanja3,4.Ove meke robotske konfiguracije mijenjaju oblik kako bi se prilagodile promjenjivim okruženjima, omogućile multimodalno kretanje i primijenile sile za izvođenje mehaničkog rada.Njihov se doseg proširio na širok raspon robotskih aplikacija, uključujući razmjestive5, rekonfigurabilne i samosklopive robote6,7, biomedicinske uređaje8, vozila9,10 i proširivu elektroniku11.
Provedeno je mnogo istraživanja kako bi se razvile programabilne ravne ploče koje se, kada se aktiviraju, pretvaraju u složene trodimenzionalne strukture3.Jednostavna ideja za stvaranje deformabilnih struktura je kombiniranje slojeva različitih materijala koji se savijaju i gužvaju kada su izloženi podražajima12,13.Janbaz i sur.14 i Li et al.15 implementiralo je ovaj koncept za stvaranje multimodalnih deformabilnih robota osjetljivih na toplinu.Strukture temeljene na origamiju koje uključuju elemente koji reagiraju na podražaj korištene su za stvaranje složenih trodimenzionalnih struktura16,17,18.Nadahnuti morfogenezom bioloških struktura, Emmanuel et al.Elastomeri koji se deformiraju u obliku nastaju organiziranjem zračnih kanala unutar gumene površine koji se pod pritiskom pretvaraju u složene proizvoljne trodimenzionalne oblike.
Integracija tekstila ili tkanina u deformabilne mekane robote još je jedan novi konceptualni projekt koji je izazvao veliki interes.Tekstili su mekani i elastični materijali izrađeni od pređe tehnikama tkanja kao što su pletenje, tkanje, pletenica ili tkanje u čvorove.Nevjerojatna svojstva tkanina, uključujući fleksibilnost, pristajanje, elastičnost i prozračnost, čine ih vrlo popularnima u svemu, od odjeće do medicinske primjene20.Postoje tri široka pristupa uključivanju tekstila u robotiku21.Prvi pristup je korištenje tekstila kao pasivne podloge ili baze za druge komponente.U ovom slučaju, pasivni tekstil omogućuje udobno pristajanje korisniku prilikom nošenja krutih komponenti (motori, senzori, napajanje).Većina mekanih nosivih robota ili mekanih egzoskeleta spada u ovaj pristup.Na primjer, mekani nosivi egzoskeleti za pomagala pri hodanju 22 i pomagala za laktove 23, 24, 25, mekane nosive rukavice 26 za pomagala za ruke i prste i bionički mekani roboti 27.
Drugi pristup je korištenje tekstila kao pasivne i ograničene komponente mekih robotskih uređaja.Tekstilni pokretači spadaju u ovu kategoriju, gdje je tkanina obično konstruirana kao vanjski spremnik koji sadrži unutarnje crijevo ili komoru, tvoreći pokretač ojačan mekim vlaknima.Kada su podvrgnuti vanjskom pneumatskom ili hidrauličkom izvoru, ovi meki pokretači podliježu promjenama u obliku, uključujući produljenje, savijanje ili uvijanje, ovisno o njihovom izvornom sastavu i konfiguraciji.Na primjer, Talman et al.Ortopedska odjeća za gležnjeve, koja se sastoji od niza džepova od tkanine, uvedena je kako bi se olakšala plantarna fleksija i obnovio hod28.Tekstilni slojevi različite rastezljivosti mogu se kombinirati kako bi se stvorilo anizotropno kretanje 29 .OmniSkins – mekane robotske kože izrađene od različitih mekih pokretača i materijala za podlogu mogu transformirati pasivne objekte u višenamjenske aktivne robote koji mogu izvoditi multimodalne pokrete i deformacije za različite primjene.Zhu i sur.razvili su mišićnu ploču tekućeg tkiva31 koja može generirati elongaciju, savijanje i razne deformacijske pokrete.Buckner i sur.Integrirajte funkcionalna vlakna u konvencionalna tkiva kako biste stvorili robotska tkiva s višestrukim funkcijama kao što su aktiviranje, osjet i promjenjiva krutost32.Ostale metode u ovoj kategoriji mogu se pronaći u ovim radovima 21, 33, 34, 35.
Nedavni pristup iskorištavanju vrhunskih svojstava tekstila u polju meke robotike je korištenje reaktivnih filamenata ili filamenata koji reagiraju na podražaj za stvaranje pametnih tekstila korištenjem tradicionalnih metoda proizvodnje tekstila kao što su metode tkanja, pletenja i tkanja21,36,37.Ovisno o sastavu materijala, reaktivna pređa uzrokuje promjenu oblika kada je podvrgnuta električnom, toplinskom ili tlačnom djelovanju, što dovodi do deformacije tkanine.U ovom pristupu, gdje su tradicionalni tekstili integrirani u meki robotski sustav, preoblikovanje tekstila događa se na unutarnjem sloju (pređi), a ne na vanjskom sloju.Kao takvi, pametni tekstili nude izvrsno rukovanje u smislu multimodalnog kretanja, programabilne deformacije, rastezljivosti i mogućnosti podešavanja krutosti.Na primjer, legure s pamćenjem oblika (SMA) i polimeri s pamćenjem oblika (SMP) mogu se ugraditi u tkanine kako bi se aktivno kontrolirao njihov oblik toplinskom stimulacijom, kao što je porubljivanje38, uklanjanje bora36,39, taktilna i taktilna povratna informacija40,41, kao i adaptivna nosiva odjeća.uređaji 42 .Međutim, korištenje toplinske energije za grijanje i hlađenje rezultira sporim odzivom i otežanim hlađenjem i kontrolom.Nedavno su Hiramitsu i sur.McKibbenovi fini mišići43,44, pneumatski umjetni mišići, koriste se kao niti osnove za stvaranje različitih oblika aktivnih tekstila mijenjanjem strukture tkanja45.Iako ovaj pristup osigurava velike sile, zbog prirode McKibbenovog mišića, njegova brzina ekspanzije je ograničena (< 50%) i ne može se postići mala veličina (promjer < 0,9 mm).Osim toga, bilo je teško oblikovati pametne tekstilne uzorke metodama tkanja koje zahtijevaju oštre kutove.Kako bi formirali širi raspon pametnih tekstila, Maziz et al.Pletenjem i tkanjem elektroosjetljivih polimernih niti46 razvijeni su elektroaktivni nosivi tekstili.
Posljednjih godina pojavila se nova vrsta termoosjetljivih umjetnih mišića, izgrađenih od jako upletenih, jeftinih polimernih vlakana47,48.Ta su vlakna komercijalno dostupna i lako se ugrađuju u tkanje ili tkanje za proizvodnju pristupačne pametne odjeće.Unatoč napretku, ovi novi tekstili osjetljivi na toplinu imaju ograničeno vrijeme odziva zbog potrebe za grijanjem i hlađenjem (npr. tekstili s kontroliranom temperaturom) ili poteškoća u izradi složenih pletenih i tkanih uzoraka koji se mogu programirati za stvaranje željenih deformacija i pokreta .Primjeri uključuju radijalno širenje, 2D u 3D transformaciju oblika ili dvosmjerno širenje, koje nudimo ovdje.
Kako bi se prevladali ovi gore navedeni problemi, ovaj članak predstavlja novu pametnu tkaninu pokretanu tekućinom izrađenu od naših nedavno predstavljenih mekih umjetnih mišićnih vlakana (AMF)49,50,51.AMF-ovi su vrlo fleksibilni, skalabilni i mogu se smanjiti na promjer od 0,8 mm i velike duljine (najmanje 5000 mm), nudeći visok omjer širine i visine (duljine prema promjeru), kao i visoko istezanje (najmanje 245%), visoku energiju učinkovitost, brz odziv manji od 20Hz).Za izradu pametnog tekstila koristimo AMF kao aktivnu pređu za oblikovanje 2D aktivnih mišićnih slojeva kroz tehnike pletenja i tkanja.Kvantitativno smo proučavali brzinu širenja i snagu kontrakcije ovih "pametnih" tkiva u smislu volumena tekućine i isporučenog tlaka.Razvijeni su analitički modeli za utvrđivanje odnosa sila istezanja za pletene i tkane ploče.Također opisujemo nekoliko tehnika mehaničkog programiranja za pametne tekstilije za multimodalno kretanje, uključujući dvosmjerno rastezanje, savijanje, radijalno širenje i mogućnost prijelaza iz 2D u 3D.Kako bismo pokazali snagu našeg pristupa, također ćemo integrirati AMF u komercijalne tkanine ili tekstil kako bismo promijenili njihovu konfiguraciju iz pasivnih u aktivne strukture koje uzrokuju različite deformacije.Također smo demonstrirali ovaj koncept na nekoliko eksperimentalnih ispitnih stolova, uključujući programabilno savijanje niti za proizvodnju željenih slova i bioloških struktura koje mijenjaju oblik u oblik objekata kao što su leptiri, četveronožne strukture i cvijeće.
Tekstil je fleksibilna dvodimenzionalna struktura sastavljena od isprepletenih jednodimenzionalnih niti kao što su pređe, niti i vlakna.Tekstil je jedna od najstarijih tehnologija čovječanstva i naširoko se koristi u svim aspektima života zbog svoje udobnosti, prilagodljivosti, prozračnosti, estetike i zaštite.Pametni tekstil (također poznat kao pametna odjeća ili robotske tkanine) sve se više koristi u istraživanju zbog svog velikog potencijala u robotskim primjenama20,52.Pametni tekstil obećava poboljšati ljudsko iskustvo interakcije s mekim predmetima, uvodeći promjenu paradigme u području gdje se pokreti i sile tanke, fleksibilne tkanine mogu kontrolirati za obavljanje specifičnih zadataka.U ovom radu istražujemo dva pristupa proizvodnji pametnog tekstila na temelju našeg nedavnog AMF49: (1) korištenje AMF-a kao aktivne pređe za stvaranje pametnog tekstila korištenjem tradicionalnih tehnologija proizvodnje tekstila;(2) umetnite AMF izravno u tradicionalne tkanine kako biste stimulirali željeno kretanje i deformaciju.
AMF se sastoji od unutarnje silikonske cijevi za opskrbu hidrauličkom snagom i vanjske spiralne zavojnice koja ograničava njegovo radijalno širenje.Stoga se AMF-ovi izdužuju uzdužno kada se primijeni pritisak i naknadno pokazuju kontraktilne sile kako bi se vratili na svoju izvornu duljinu kada pritisak popusti.Imaju svojstva slična tradicionalnim vlaknima, uključujući fleksibilnost, mali promjer i veliku duljinu.Međutim, AMF je aktivniji i kontroliraniji u smislu pokreta i snage od svojih konvencionalnih parnjaka.Nadahnuti nedavnim brzim napretkom u pametnom tekstilu, ovdje predstavljamo četiri glavna pristupa proizvodnji pametnog tekstila primjenom AMF-a na dugotrajnu tehnologiju proizvodnje tkanine (Slika 1).
Prvi način je tkanje.Koristimo tehnologiju pletenja potke za proizvodnju reaktivnog pletiva koje se hidraulički pokreće u jednom smjeru.Pletene plahte su vrlo rastezljive i rastezljive, ali se lakše odmotaju od tkanih plahti.Ovisno o načinu kontrole, AMF može formirati pojedinačne redove ili cjelovite proizvode.Osim ravnih listova, za izradu AMF šupljih struktura prikladni su i cjevasti pletivi.Druga metoda je tkanje, gdje koristimo dva AMF-a kao osnovu i potku kako bismo formirali pravokutni tkani lim koji se može neovisno širiti u dva smjera.Tkani plahti pružaju veću kontrolu (u oba smjera) od pletenih plahti.Također smo istkali AMF od tradicionalne pređe kako bismo napravili jednostavniju tkanu plahtu koja se može odmotati samo u jednom smjeru.Treća metoda - radijalna ekspanzija - varijanta je tehnike tkanja, u kojoj se AMP-ovi nalaze ne u pravokutniku, već u spirali, a niti daju radijalno ograničenje.U ovom slučaju, pletenica se radijalno širi pod pritiskom ulaza.Četvrti pristup je lijepljenje AMF-a na list pasivne tkanine kako bi se stvorilo gibanje savijanja u željenom smjeru.Rekonfigurirali smo pasivnu prijelomnu ploču u aktivnu prijelomnu ploču tako što smo AMF-om pokrenuli oko njezinog ruba.Ova programibilna priroda AMF-a otvara nebrojene mogućnosti za bio-inspirirane meke strukture koje transformiraju oblik gdje pasivne objekte možemo pretvoriti u aktivne.Ova metoda je jednostavna, laka i brza, ali može ugroziti dugovječnost prototipa.Čitatelj se upućuje na druge pristupe u literaturi koji detaljno opisuju prednosti i slabosti svakog svojstva tkiva21,33,34,35.
Većina niti ili pređe koja se koristi za izradu tradicionalnih tkanina sadrži pasivne strukture.U ovom radu koristimo naš prethodno razvijeni AMF, koji može doseći metarsku duljinu i submilimetarski promjer, kako bismo zamijenili tradicionalne pasivne tekstilne pređe s AFM-om za stvaranje inteligentnih i aktivnih tkanina za širi raspon primjena.Sljedeći odjeljci opisuju detaljne metode za izradu prototipa pametnog tekstila i predstavljaju njihove glavne funkcije i ponašanja.
Ručno smo izradili tri AMF dresa tehnikom pletenja potke (slika 2A).Odabir materijala i detaljne specifikacije za AMF i prototipove mogu se pronaći u odjeljku Metode.Svaki AMF slijedi zavojiti put (koji se naziva i ruta) koji tvori simetričnu petlju.Petlje svakog reda fiksirane su petljama redaka iznad i ispod njih.Prstenovi jednog stupa okomito na tečaj spojeni su u osovinu.Naš pleteni prototip sastoji se od tri reda po sedam očica (ili sedam očica) u svakom redu.Gornji i donji prstenovi nisu fiksni, tako da ih možemo pričvrstiti na odgovarajuće metalne šipke.Pleteni prototipovi raspliću se lakše od konvencionalnih pletenih tkanina zbog veće krutosti AMF-a u usporedbi s konvencionalnim pređama.Stoga smo petlje susjednih redova vezali tankim elastičnim užetima.
Implementiraju se različiti prototipovi pametnog tekstila s različitim AMF konfiguracijama.(A) Pletena plahta izrađena od tri AMF-a.(B) Dvosmjerno tkani list od dva AMF-a.(C) Jednosmjerno tkano platno izrađeno od AMF-a i akrilne pređe može podnijeti opterećenje od 500 g, što je 192 puta više od njegove težine (2,6 g).(D) Struktura koja se radijalno širi s jednim AMF-om i pamučnom pređom kao radijalnim ograničenjem.Detaljne specifikacije mogu se pronaći u odjeljku Metode.
Iako se cik-cak petlje pletiva mogu rastezati u različitim smjerovima, naš prototip pletiva širi se prvenstveno u smjeru petlje pod pritiskom zbog ograničenja u smjeru kretanja.Produljenje svakog AMF-a doprinosi povećanju ukupne površine pletenog lista.Ovisno o specifičnim zahtjevima, možemo kontrolirati tri AMF-a neovisno iz tri različita izvora tekućine (Slika 2A) ili istovremeno iz jednog izvora tekućine putem razdjelnika tekućine 1-na-3.Na sl.Slika 2A prikazuje primjer pletenog prototipa, čija se početna površina povećala za 35% tijekom primjene pritiska na tri AMP (1,2 MPa).Primjetno je da AMF postiže visoko istezanje od najmanje 250% svoje izvorne duljine49 tako da se pletene plahte mogu rastegnuti čak i više od trenutnih verzija.
Također smo izradili dvosmjerno tkane listove formirane od dva AMF-a tehnikom ravnog tkanja (Slika 2B).AMF osnova i potka isprepletene su pod pravim kutom, tvoreći jednostavan križni uzorak.Naš prototip tkanja je klasificiran kao uravnoteženo ravno tkanje jer su pređa i osnova i potka izrađene od iste veličine pređe (za detalje pogledajte odjeljak Metode).Za razliku od običnih niti koje mogu stvarati oštre nabore, primijenjeni AMF zahtijeva određeni radijus savijanja pri povratku na drugu nit uzorka tkanja.Stoga tkane ploče izrađene od AMP-a imaju manju gustoću u usporedbi s konvencionalnim tkanim tekstilom.AMF-tip S (vanjski promjer 1,49 mm) ima minimalni polumjer savijanja od 1,5 mm.Na primjer, prototip tkanja koji predstavljamo u ovom članku ima uzorak niti 7×7 gdje je svako sjecište stabilizirano čvorom tanke elastične vrpce.Koristeći istu tehniku tkanja, možete dobiti više niti.
Kada odgovarajući AMF primi pritisak tekućine, tkani list širi svoje područje u smjeru osnove ili potke.Stoga smo kontrolirali dimenzije pletenog lima (duljinu i širinu) neovisno mijenjajući količinu ulaznog tlaka koji se primjenjuje na dva AMP-a.Na sl.Slika 2B prikazuje tkani prototip koji se proširio na 44% svoje izvorne površine uz primjenu pritiska na jedan AMP (1,3 MPa).Istodobnim djelovanjem pritiska na dva AMF-a površina se povećala za 108%.
Također smo izradili jednosmjerno tkani lim od jednog AMF-a s osnovom i akrilnom pređom kao potkom (Slika 2C).AMF-ovi su raspoređeni u sedam cik-cak redova, a niti tkaju te redove AMF-a zajedno kako bi oblikovali pravokutni list tkanine.Ovaj tkani prototip bio je gušći nego na slici 2B, zahvaljujući mekim akrilnim nitima koje su lako ispunile cijeli list.Budući da koristimo samo jedan AMF kao osnovu, tkani lim se može širiti prema osnovi samo pod pritiskom.Slika 2C prikazuje primjer tkanog prototipa čija se početna površina povećava za 65% s povećanjem tlaka (1,3 MPa).Osim toga, ovaj pleteni komad (težine 2,6 grama) može podići teret od 500 grama, što je 192 puta više od njegove mase.
Umjesto raspoređivanja AMF-a u cik-cak uzorak kako bismo stvorili pravokutni tkani list, proizveli smo ravni spiralni oblik AMF-a, koji je zatim radijalno ograničen pamučnom pređom kako bismo stvorili okrugli tkani list (Slika 2D).Visoka krutost AMF-a ograničava njegovo punjenje samog središnjeg područja ploče.Međutim, ova podstava može biti izrađena od elastične pređe ili elastične tkanine.Nakon primanja hidrauličkog tlaka, AMP pretvara svoje uzdužno produljenje u radijalno širenje ploče.Također je vrijedno napomenuti da su i vanjski i unutarnji promjer spiralnog oblika povećani zbog radijalnog ograničenja filamenata.Slika 2D pokazuje da se s primijenjenim hidrauličkim tlakom od 1 MPa, oblik okruglog lima širi na 25% svoje izvorne površine.
Ovdje predstavljamo drugi pristup izradi pametnog tekstila gdje lijepimo AMF na ravni komad tkanine i rekonfiguriramo ga iz pasivne u aktivno kontroliranu strukturu.Dijagram dizajna pogona za savijanje prikazan je na sl.3A, gdje je AMP presavijen po sredini i zalijepljen na traku nerastezljive tkanine (tkanina od pamučnog muslina) pomoću dvostrane trake kao ljepila.Nakon što je zapečaćen, gornji dio AMF-a može se širiti, dok je donji dio ograničen trakom i tkaninom, uzrokujući da se traka savija prema tkanini.Možemo deaktivirati bilo koji dio pokretača savijanja bilo gdje jednostavnim lijepljenjem trake na njega.Deaktivirani segment ne može se kretati i postaje pasivan segment.
Tkanine se rekonfiguriraju lijepljenjem AMF-a na tradicionalne tkanine.(A) Koncept dizajna pogona za savijanje izrađenog lijepljenjem presavijenog AMF-a na neprotegljivu tkaninu.(B) Savijanje prototipa aktuatora.(C) Rekonfiguracija pravokutne tkanine u aktivnog četveronožnog robota.Neelastična tkanina: pamučni jersey.Rastezljiva tkanina: poliester.Detaljne specifikacije mogu se pronaći u odjeljku Metode.
Napravili smo nekoliko prototipova pokretača za savijanje različitih duljina i hidraulikom ih pritisnuli kako bismo stvorili gibanje savijanja (Slika 3B).Važno je da se AMF može položiti u ravnu liniju ili presavijati kako bi se oblikovalo više niti, a zatim zalijepiti na tkaninu kako bi se stvorio pogon za savijanje s odgovarajućim brojem niti.Također smo pretvorili pasivnu foliju u aktivnu strukturu tetrapoda (Slika 3C), gdje smo upotrijebili AMF za usmjeravanje granica pravokutnog nerastezljivog tkiva (tkanina od pamučnog muslina).AMP je pričvršćen na tkaninu s komadom dvostrane trake.Sredina svakog ruba je zalijepljena da postane pasivna, dok četiri kuta ostaju aktivna.Gornja navlaka od rastezljive tkanine (poliester) nije obavezna.Četiri kuta tkanine se savijaju (izgledaju kao noge) kada se pritisne.
Napravili smo ispitni stol za kvantitativno proučavanje svojstava razvijenih pametnih tekstila (vidi odjeljak Metode i dodatnu sliku S1).Budući da su svi uzorci izrađeni od AMF-a, opći trend eksperimentalnih rezultata (slika 4) je u skladu s glavnim karakteristikama AMF-a, naime, ulazni tlak izravno je proporcionalan produljenju na izlazu i obrnuto proporcionalan sili kompresije.Međutim, ove pametne tkanine imaju jedinstvene karakteristike koje odražavaju njihove specifične konfiguracije.
Sadrži pametne konfiguracije tekstila.(A, B) Krivulje histereze za ulazni tlak i izlazno istezanje i silu za tkane ploče.(C) Proširenje područja tkanog lima.(D,E) Odnos između ulaznog tlaka i izlaznog istezanja i sile za pletivo.(F) Širenje područja radijalno širećih struktura.(G) Kutovi savijanja tri različite duljine pogona za savijanje.
Svaki AMF tkanog lista bio je podvrgnut ulaznom tlaku od 1 MPa kako bi se postiglo približno 30% istezanje (slika 4A).Odabrali smo ovaj prag za cijeli eksperiment iz nekoliko razloga: (1) kako bismo stvorili značajno izduženje (otprilike 30%) kako bismo naglasili njihove krivulje histereze, (2) kako bismo spriječili mijenjanje različitih eksperimenata i prototipova koji se mogu ponovno koristiti što rezultira slučajnim oštećenjem ili kvarom..pod visokim pritiskom tekućine.Mrtva zona je jasno vidljiva, a pletenica ostaje nepomična sve dok ulazni tlak ne dosegne 0,3 MPa.Dijagram histereze izduženja tlaka pokazuje veliki jaz između faza pumpanja i otpuštanja, što ukazuje na to da postoji značajan gubitak energije kada tkani list mijenja svoje kretanje od širenja do skupljanja.(Slika 4A).Nakon postizanja ulaznog tlaka od 1 MPa, tkani list mogao je djelovati kontrakcijskom silom od 5,6 N (slika 4B).Dijagram histereze tlaka i sile također pokazuje da se krivulja resetiranja gotovo preklapa s krivuljom povećanja tlaka.Proširenje površine tkanog lista ovisilo je o količini pritiska primijenjenom na svaki od dva AMF-a, kao što je prikazano na 3D dijagramu površine (Slika 4C).Eksperimenti također pokazuju da tkani lim može proizvesti proširenje površine od 66% kada su AMF osnove i potke istovremeno podvrgnuti hidrauličkom tlaku od 1 MPa.
Eksperimentalni rezultati za pletenu plahtu pokazuju sličan uzorak kao i za tkanu plahtu, uključujući široki jaz histereze u dijagramu napetost-tlak i preklapanje krivulja tlak-sila.Pleteni lim pokazao je istezanje od 30%, nakon čega je sila kompresije bila 9 N pri ulaznom tlaku od 1 MPa (Sl. 4D, E).
U slučaju okruglog tkanog lima, njegova se početna površina povećala za 25% u usporedbi s početnom površinom nakon izlaganja pritisku tekućine od 1 MPa (slika 4F).Prije nego što uzorak počne ekspandirati, postoji velika mrtva zona ulaznog tlaka do 0,7 MPa.Ova velika mrtva zona bila je očekivana budući da su uzorci napravljeni od većih AMF-ova koji su zahtijevali veće pritiske kako bi prevladali svoje početno naprezanje.Na sl.Slika 4F također pokazuje da se krivulja otpuštanja gotovo poklapa s krivuljom povećanja tlaka, što ukazuje na mali gubitak energije kada se pokret diska prebaci.
Eksperimentalni rezultati za tri pokretača savijanja (rekonfiguracija tkiva) pokazuju da njihove krivulje histereze imaju sličan uzorak (Slika 4G), gdje doživljavaju mrtvu zonu ulaznog tlaka do 0,2 MPa prije podizanja.Na tri pogona za savijanje (L20, L30 i L50 mm) nanijeli smo isti volumen tekućine (0,035 ml).Međutim, svaki je aktuator doživio različite vršne pritiske i razvio različite kutove savijanja.Aktuatori L20 i L30 mm doživjeli su ulazni tlak od 0,72 i 0,67 MPa, postižući kutove savijanja od 167° odnosno 194°.Najduži pogon za savijanje (dužine 50 mm) izdržao je pritisak od 0,61 MPa i postigao maksimalni kut savijanja od 236°.Dijagrami histereze kuta pritiska također su otkrili relativno velike praznine između krivulja pritiska i otpuštanja za sva tri pogona savijanja.
Odnos između ulaznog volumena i izlaznih svojstava (istezanje, sila, proširenje površine, kut savijanja) za gore navedene pametne tekstilne konfiguracije može se pronaći na dodatnoj slici S2.
Eksperimentalni rezultati u prethodnom odjeljku jasno pokazuju proporcionalni odnos između primijenjenog ulaznog tlaka i izlaznog istezanja AMF uzoraka.Što je AMB jače napet, razvija se veće rastezanje i akumulira više elastične energije.Stoga je veća tlačna sila kojom djeluje.Rezultati su također pokazali da su uzorci postigli svoju maksimalnu silu kompresije kada je ulazni tlak potpuno uklonjen.Ovaj odjeljak ima za cilj uspostaviti izravan odnos između istezanja i maksimalne sile skupljanja pletenih i tkanih ploča putem analitičkog modeliranja i eksperimentalne provjere.
Maksimalna kontraktilna sila Fout (na ulaznom tlaku P = 0) jednog AMF-a dana je u referenci 49 i ponovno uvedena kako slijedi:
Među njima, α, E i A0 su faktor istezanja, Youngov modul i površina poprečnog presjeka silikonske cijevi;k je koeficijent krutosti spiralnog svitka;x i li su pomak i početna duljina.AMP, odnosno.
prava jednadžba.(1) Uzmimo pletene i tkane plahte kao primjer (sl. 5A, B).Sile skupljanja pletenog proizvoda Fkv i tkanog proizvoda Fwh izražene su jednadžbom (2), odnosno (3).
gdje je mk broj petlji, φp kut petlje pletiva tijekom injektiranja (slika 5A), mh broj niti, θhp kut zahvata pletiva tijekom injektiranja (slika 5B), εkv εwh je pleteni list i deformacija tkanog lista, F0 je početna napetost spiralnog namotaja.Detaljno izvođenje jednadžbe.(2) i (3) mogu se pronaći u popratnim informacijama.
Izradite analitički model za odnos istezanja i sile.(A,B) Ilustracije analitičkih modela za pletene i tkane plahte.(C,D) Usporedba analitičkih modela i eksperimentalnih podataka za pletene i tkane listove.RMSE Srednja kvadratna pogreška.
Kako bismo testirali razvijeni model, izveli smo eksperimente istezanja koristeći pletene uzorke na slici 2A i uzorke pletenice na slici 2B.Snaga kontrakcije mjerena je u koracima od 5% za svaki zaključani nastavak od 0% do 50%.Srednja vrijednost i standardna devijacija pet pokusa prikazani su na slici 5C (pletenina) i slici 5D (pletenina).Krivulje analitičkog modela opisane su jednadžbama.Parametri (2) i (3) dati su u tablici.1. Rezultati pokazuju da se analitički model dobro slaže s eksperimentalnim podacima u cijelom rasponu istezanja s korijenom srednje kvadratne pogreške (RMSE) od 0,34 N za pleteninu, 0,21 N za tkani AMF H (vodoravni smjer) i 0,17 N za tkani AMF .V (okomiti smjer).
Uz osnovne kretnje, predloženi pametni tekstili mogu se mehanički programirati za pružanje složenijih kretnji kao što su S-savijanje, radijalna kontrakcija i 2D do 3D deformacija.Ovdje predstavljamo nekoliko metoda za programiranje ravnih pametnih tekstila u željene strukture.
Osim širenja domene u linearnom smjeru, jednosmjerne tkane ploče mogu se mehanički programirati za stvaranje multimodalnog kretanja (Sl. 6A).Ponovno konfiguriramo produženje pletenog lista kao pokret savijanja, ograničavajući jednu od njegovih strana (gornju ili donju) koncem za šivanje.Listovi se pod pritiskom savijaju prema graničnoj površini.Na sl.Slika 6A prikazuje dva primjera tkanih ploča koje postaju u obliku slova S kada je jedna polovica stisnuta na gornjoj strani, a druga polovica je stisnuta na donjoj strani.Alternativno, možete stvoriti kružni pokret savijanja gdje je samo cijelo lice ograničeno.Jednosmjerni pleteni lim također se može načiniti kompresijskim rukavcem spajanjem njegova dva kraja u cjevastu strukturu (slika 6B).Rukav se nosi preko kažiprsta osobe kako bi se pružila kompresija, oblik masažne terapije za ublažavanje boli ili poboljšanje cirkulacije.Može se prilagoditi drugim dijelovima tijela kao što su ruke, bokovi i noge.
Sposobnost tkanja listova u jednom smjeru.(A) Stvaranje deformabilnih struktura zahvaljujući programabilnosti oblika konca za šivanje.(B) Navlaka za kompresiju prstiju.(C) Još jedna verzija pletene plahte i njezina primjena kao kompresijskog rukava za podlakticu.(D) Još jedan prototip kompresijskog rukava izrađen od AMF tipa M, akrilne pređe i čičak traka.Detaljne specifikacije mogu se pronaći u odjeljku Metode.
Slika 6C prikazuje još jedan primjer jednosmjerne tkane ploče izrađene od jednog AMF-a i pamučne pređe.Lim se može proširiti za 45% površine (pri 1,2 MPa) ili izazvati kružno gibanje pod pritiskom.Također smo ugradili plahtu za izradu kompresijskog rukava za podlakticu pričvršćivanjem magnetskih traka na kraj plahte.Još jedan prototip kompresijske navlake za podlakticu prikazan je na slici 6D, u kojoj su jednosmjerne pletene ploče izrađene od tipa M AMF (vidi Metode) i akrilne pređe za stvaranje jačih kompresijskih sila.Opremili smo krajeve listova čičak trakama za jednostavno pričvršćivanje i za različite veličine ruku.
Tehnika ograničenja, koja pretvara linearno rastezanje u gibanje savijanja, također je primjenjiva na dvosmjerne tkane listove.Pamučne niti tkamo s jedne strane tkanih listova osnove i potke tako da se ne šire (slika 7A).Stoga, kada dva AMF-a prime hidraulički pritisak neovisno jedan o drugom, lim se podvrgava dvosmjernom kretanju savijanja kako bi se formirala proizvoljna trodimenzionalna struktura.U drugom pristupu, koristimo nerastezljive pređe da ograničimo jedan smjer dvosmjernih tkanih ploča (Slika 7B).Dakle, lim može napraviti neovisne pokrete savijanja i rastezanja kada je odgovarajući AMF pod pritiskom.Na sl.Slika 7B prikazuje primjer u kojem se dvosmjerno pletena plahta kontrolira da omota dvije trećine ljudskog prsta pokretom savijanja i zatim produži njegovu duljinu da prekrije ostatak pokretom istezanja.Dvosmjerno kretanje plahti može biti korisno za modni dizajn ili razvoj pametne odjeće.
Dvosmjerna tkana ploča, pletena ploča i radijalno proširive mogućnosti dizajna.(A) Dvosmjerno spojene dvosmjerne pletene ploče za stvaranje dvosmjernog zavoja.(B) Jednosmjerno ograničene dvosmjerne pletene ploče proizvode savijanje i istezanje.(C) Visokoelastična pletena plahta, koja se može prilagoditi različitim zakrivljenostima površine i čak formirati cjevaste strukture.(D) razgraničenje središnje linije radijalno šireće strukture koja tvori hiperbolični parabolični oblik (čips od krumpira).
Dvije susjedne petlje gornjeg i donjeg reda pletenog dijela spojili smo šivaćim koncem kako se ne bi odmotao (slika 7C).Dakle, tkani lim je potpuno fleksibilan i dobro se prilagođava različitim površinskim krivuljama, kao što je površina kože ljudskih šaka i ruku.Također smo izradili cjevastu strukturu (rukav) spajajući krajeve pletenog dijela u smjeru vožnje.Rukav dobro obavija kažiprst osobe (slika 7C).Valovitost tkane tkanine pruža izvrsno pristajanje i mogućnost deformiranja, što ga čini jednostavnim za korištenje u pametnom nošenju (rukavice, kompresijski rukavi), pružajući udobnost (kroz pristajanje) i terapeutski učinak (kroz kompresiju).
Uz 2D radijalno širenje u više smjerova, kružni tkani listovi također se mogu programirati za formiranje 3D struktura.Središnju liniju okrugle pletenice ograničili smo akrilnom pređom kako bismo poremetili njezino ravnomjerno radijalno širenje.Kao rezultat toga, izvorni plosnati oblik okrugle tkane ploče transformiran je u hiperbolični parabolični oblik (ili čips od krumpira) nakon pritiska (Sl. 7D).Ova sposobnost mijenjanja oblika mogla bi se implementirati kao mehanizam za podizanje, optička leća, noge mobilnog robota ili bi mogla biti korisna u modnom dizajnu i bioničkim robotima.
Razvili smo jednostavnu tehniku za stvaranje savitljivih pogona lijepljenjem AMF-a na traku nerastezljive tkanine (Slika 3).Koristimo ovaj koncept za stvaranje programabilnih niti oblika gdje možemo strateški rasporediti više aktivnih i pasivnih sekcija u jednom AMF-u za stvaranje željenih oblika.Izradili smo i programirali četiri aktivna filamenta koja su mogla promijeniti svoj oblik iz ravnog u slovni (UNSW) kako se tlak povećavao (Dodatna slika S4).Ova jednostavna metoda omogućuje deformabilnost AMF-a za pretvaranje 1D linija u 2D oblike, a moguće čak i 3D strukture.
U sličnom pristupu, koristili smo jedan AMF da rekonfiguriramo komad pasivnog normalnog tkiva u aktivni tetrapod (slika 8A).Koncepti usmjeravanja i programiranja slični su onima prikazanima na slici 3C.Međutim, umjesto pravokutnih listova počeli su koristiti tkanine s četveronožnim uzorkom (kornjača, pamučni muslin).Stoga su noge dulje i struktura se može podići više.Visina strukture postupno se povećava pod pritiskom sve dok njezine noge ne budu okomite na tlo.Ako ulazni tlak nastavi rasti, noge će klonuti prema unutra, smanjujući visinu strukture.Tetrapodi se mogu kretati ako su im noge opremljene jednosmjernim uzorcima ili koriste višestruke AMF-ove sa strategijama manipulacije pokretima.Roboti za mekano kretanje potrebni su za razne zadatke, uključujući spašavanje od šumskih požara, srušenih zgrada ili opasnih okruženja i roboti za dostavu medicinskih lijekova.
Tkanina se rekonfigurira kako bi stvorila strukture koje mijenjaju oblik.(A) Zalijepite AMF na rub pasivne tkanine, pretvarajući ga u četveronožnu strukturu kojom se može upravljati.(BD) Dva druga primjera rekonfiguracije tkiva, pretvaranje pasivnih leptira i cvjetova u aktivne.Tkanina koja se ne rasteže: obični pamučni muslin.
Također iskorištavamo prednosti jednostavnosti i svestranosti ove tehnike rekonfiguracije tkiva uvođenjem dvije dodatne bioinspirirane strukture za preoblikovanje (slike 8B-D).S AMF-om koji se može usmjeriti, ove strukture koje se mogu deformirati oblikom se rekonfiguriraju iz slojeva pasivnog tkiva u aktivne i upravljive strukture.Inspirirani leptirom monarhom, napravili smo strukturu leptira koja se transformira koristeći komad tkanine u obliku leptira (pamučni muslin) i dugi komad AMF-a zataknut ispod njegovih krila.Kada je AMF pod pritiskom, krila se sklapaju.Poput leptira Monarch, lijevo i desno krilo robota Butterfly mašu na isti način jer ih oba kontrolira AMF.Leptir zalisci služe samo za prikaz.Ne može letjeti kao Smart Bird (Festo Corp., SAD).Napravili smo i cvijet od tkanine (slika 8D) koji se sastoji od dva sloja po pet latica.Stavili smo AMF ispod svakog sloja nakon vanjskog ruba latica.U početku su cvjetovi u punom cvatu, sa svim laticama potpuno otvorenim.Pod pritiskom, AMF uzrokuje savijanje latica, uzrokujući njihovo zatvaranje.Dva AMF-a neovisno kontroliraju kretanje dva sloja, dok se pet latica jednog sloja savijaju u isto vrijeme.
Vrijeme objave: 26. prosinca 2022