Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Be to, norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodome be stilių ir JavaScript.
Vienu metu rodoma trijų skaidrių karuselė.Naudokite mygtukus Ankstesnis ir Kitas, kad vienu metu pereitumėte per tris skaidres, arba naudokite slankiklio mygtukus, esančius pabaigoje, norėdami pereiti per tris skaidres vienu metu.
Tekstilės ir dirbtinių raumenų derinimas kuriant išmaniąją tekstilę sulaukia daug dėmesio tiek iš mokslo, tiek iš pramonės bendruomenių.Išmanioji tekstilė siūlo daug privalumų, įskaitant prisitaikantį komfortą ir aukštą atitikimo objektams laipsnį, tuo pačiu užtikrinant aktyvų judesį ir stiprumą.Šiame straipsnyje pristatoma nauja programuojamų išmaniųjų audinių klasė, pagaminta naudojant įvairius skysčių varomų dirbtinių raumenų skaidulų audimo, pynimo ir klijavimo būdus.Sukurtas matematinis modelis, apibūdinantis megztų ir austų tekstilės lakštų pailgėjimo jėgos santykį, o vėliau eksperimentiškai patikrintas jo pagrįstumas.Naujoji "protinga" tekstilė pasižymi dideliu lankstumu, konformiškumu ir mechaniniu programavimu, leidžiančiu įvairiais būdais judėti ir deformuotis įvairiems pritaikymams.Eksperimentiniu patikrinimu buvo sukurti įvairūs išmanieji tekstilės prototipai, įskaitant įvairius formos keitimo atvejus, tokius kaip pailgėjimas (iki 65 %), ploto išplėtimas (108 %), radialinis plėtimasis (25 %) ir lenkimo judesys.Taip pat nagrinėjama pasyviųjų tradicinių audinių pertvarkymo į aktyvias struktūras biomimetinėms formavimo struktūroms koncepcija.Tikimasi, kad siūloma išmanioji tekstilė palengvins išmaniųjų nešiojamų prietaisų, haptic sistemų, biomimetinių minkštųjų robotų ir nešiojamos elektronikos kūrimą.
Standūs robotai yra veiksmingi dirbant struktūrizuotoje aplinkoje, tačiau turi problemų dėl nežinomo besikeičiančios aplinkos konteksto, o tai riboja jų naudojimą ieškant ar tyrinėjant.Gamta ir toliau stebina mus daugybe išradingų strategijų, kaip susidoroti su išoriniais veiksniais ir įvairove.Pavyzdžiui, vijoklinių augalų ūseliai atlieka įvairiarūšius judesius, tokius kaip lenkimas ir spiralė, kad tyrinėtų nežinomą aplinką ir ieškotų tinkamos atramos1.Veneros muselinių spąstų (Dionaea muscipula) lapuose yra jautrių plaukelių, kurie, paspaudę, užsifiksuoja, kad sugautų grobį2.Pastaraisiais metais įdomia tyrimų tema tapo kūnų deformacija arba deformacija nuo dvimačių (2D) paviršių iki trimačių (3D) formų, imituojančių biologines struktūras.Šios minkštos robotų konfigūracijos keičia formą, kad prisitaikytų prie besikeičiančios aplinkos, įgalintų daugiarūšį judėjimą ir pritaikytų jėgas mechaniniam darbui atlikti.Jų pasiekiamumas išsiplėtė ir apima daugybę robotikos programų, įskaitant dislokuojamus įrenginius5, perkonfigūruojamus ir savaime sulankstomus robotus6,7, biomedicinos įrenginius8, transporto priemones9,10 ir išplečiamą elektroniką11.
Buvo atlikta daug tyrimų, siekiant sukurti programuojamas plokščias plokštes, kurios, suaktyvintos, virsta sudėtingomis trimatėmis struktūromis3.Paprasta idėja sukurti deformuojamas struktūras yra sujungti skirtingų medžiagų sluoksnius, kurie lankstosi ir susiraukšlėja veikiami dirgiklių12,13.Janbaz ir kt.14 ir Li ir kt.15 įgyvendino šią koncepciją, kad sukurtų karščiui jautrius multimodalinius deformuojamus robotus.Origami pagrindu sukurtos struktūros, apimančios į stimulus reaguojančius elementus, buvo naudojamos sudėtingoms trimatėms struktūroms sukurti 16, 17, 18.Įkvėptas biologinių struktūrų morfogenezės, Emmanuelis ir kt.Formą deformuojantys elastomerai sukuriami guminiame paviršiuje organizuojant oro kanalus, kurie veikiami spaudimo virsta sudėtingomis, savavališkomis trimačiomis formomis.
Tekstilės ar audinių integravimas į deformuojamus minkštus robotus yra dar vienas naujas koncepcijos projektas, sulaukęs plataus susidomėjimo.Tekstilė yra minkšta ir elastinga medžiaga, pagaminta iš verpalų, naudojant tokius audimo būdus kaip mezgimas, audimas, pynimas ar pynimas mazgais.Dėl nuostabių audinių savybių, įskaitant lankstumą, prigludimą, elastingumą ir pralaidumą orui, jie labai populiarūs visur – nuo drabužių iki medicinos reikmenų20.Yra trys platūs būdai įtraukti tekstilę į robotiką21.Pirmasis būdas yra naudoti tekstilę kaip pasyvų pagrindą arba pagrindą kitiems komponentams.Šiuo atveju pasyvioji tekstilė patogiai priglunda vartotojui nešiojant standžius komponentus (variklius, jutiklius, maitinimo šaltinį).Daugumai minkštų nešiojamų robotų ar minkštų egzoskeletų taikomas šis metodas.Pavyzdžiui, minkšti nešiojami egzoskeletai, skirti pagalbinėms vaikščiojimo priemonėms 22 ir pagalbinėms alkūnėms 23, 24, 25, minkštos nešiojamos pirštinės 26, skirtos pagalbinėms priemonėms rankoms ir pirštams, ir bioniniai minkšti robotai 27.
Antrasis būdas yra naudoti tekstilę kaip pasyvius ir ribotus minkštųjų robotų prietaisų komponentus.Šiai kategorijai priskiriamos tekstilinės pavaros, kuriose audinys paprastai gaminamas kaip išorinis konteineris, kuriame yra vidinė žarna arba kamera ir sudaro minkštu pluoštu sustiprintą pavarą.Veikiant išoriniam pneumatiniam arba hidrauliniam šaltiniui, šių minkštųjų pavarų forma keičiasi, įskaitant pailgėjimą, lenkimą ar sukimąsi, priklausomai nuo jų pradinės sudėties ir konfigūracijos.Pavyzdžiui, Talman ir kt.Ortopediniai kulkšnies drabužiai, sudaryti iš audinių kišenių, buvo pristatyti siekiant palengvinti padų lenkimą ir atkurti eiseną28.Skirtingo tamprumo tekstilės sluoksnius galima derinti, sukuriant anizotropinį judėjimą 29 .OmniSkins – minkšti robotai, pagaminti iš įvairių minkštų pavarų ir pagrindo medžiagų, gali paversti pasyvius objektus į daugiafunkcinius aktyvius robotus, galinčius atlikti įvairiarūšius judesius ir deformacijas įvairioms reikmėms.Zhu ir kt.sukūrė skysto audinio raumenų lakštą31, kuris gali generuoti pailgėjimą, lenkimą ir įvairius deformacijos judesius.Buckner ir kt.Integruokite funkcines skaidulas į įprastus audinius, kad sukurtumėte robotizuotus audinius, turinčius daug funkcijų, tokių kaip aktyvavimas, jutimas ir kintamas standumas32.Kitus šios kategorijos metodus galite rasti šiuose dokumentuose 21, 33, 34, 35.
Naujausias būdas panaudoti puikias tekstilės savybes minkštosios robotikos srityje yra naudoti reaktyvius arba į stimulus reaguojančius siūlus kuriant išmaniąją tekstilę, naudojant tradicinius tekstilės gamybos metodus, tokius kaip audimas, mezgimas ir audimo metodai21, 36, 37.Priklausomai nuo medžiagos sudėties, reaktyvieji siūlai, veikiami elektriniu, terminiu ar slėgiu, keičia formą, o tai lemia audinio deformaciją.Taikant šį metodą, kai tradicinė tekstilė yra integruota į minkštą robotų sistemą, tekstilės forma keičiama ant vidinio sluoksnio (verpalų), o ne ant išorinio sluoksnio.Išmanioji tekstilė pasižymi puikiu daugiarūšio judėjimo valdymu, programuojama deformacija, tempimu ir galimybe reguliuoti standumą.Pavyzdžiui, formų atminties lydiniai (SMA) ir formos atminties polimerai (SMP) gali būti įtraukti į audinius, kad būtų galima aktyviai kontroliuoti jų formą naudojant terminę stimuliaciją, pvz., apsiuvimą38, raukšlių šalinimą36,39, lytėjimo ir lytėjimo grįžtamąjį ryšį40,41, taip pat adaptacinį. nešiojami drabužiai.prietaisai 42 .Tačiau šiluminės energijos naudojimas šildymui ir vėsinimui sukelia lėtą atsaką ir sudėtingą aušinimą bei valdymą.Visai neseniai Hiramitsu ir kt.Smulkieji McKibben raumenys43,44, pneumatiniai dirbtiniai raumenys, naudojami kaip metmenų siūlai, kuriant įvairias aktyviosios tekstilės formas, keičiant pynimo struktūrą45.Nors šis metodas suteikia dideles jėgas, dėl McKibben raumens prigimties jo išsiplėtimo greitis yra ribotas (< 50%) ir negalima pasiekti mažo dydžio (skersmuo < 0,9 mm).Be to, iš audimo būdų, reikalaujančių aštrių kampų, buvo sunku suformuoti išmanius tekstilės raštus.Norėdami suformuoti platesnį išmaniosios tekstilės gaminių asortimentą, Maziz ir kt.Elektroaktyvioji nešiojama tekstilė buvo sukurta mezgant ir audžiant elektrai jautrius polimerinius siūlus46.
Pastaraisiais metais atsirado naujo tipo termiškai jautrūs dirbtiniai raumenys, pagaminti iš labai susuktų, nebrangių polimerinių pluoštų47,48.Šie pluoštai yra parduodami ir yra lengvai įtraukiami į audimą arba audimą, kad būtų pagaminti įperkami išmanūs drabužiai.Nepaisant pažangos, šių naujų karščiui jautrių tekstilės gaminių reakcijos laikas yra ribotas dėl poreikio šildyti ir vėsinti (pvz., tekstilės gaminiai su reguliuojama temperatūra) arba sudėtingų megztų ir austų raštų, kuriuos galima užprogramuoti taip, kad būtų sukurtos norimos deformacijos ir judesiai. .Pavyzdžiai apima radialinį išplėtimą, 2D į 3D formos transformaciją arba dvikryptį plėtimą, kuriuos siūlome čia.
Siekiant įveikti šias pirmiau minėtas problemas, šiame straipsnyje pristatoma nauja skysčiu varoma išmanioji tekstilė, pagaminta iš mūsų neseniai pristatytų minkštųjų dirbtinių raumenų skaidulų (AMF)49,50,51.AMF yra labai lankstūs, keičiamo dydžio ir gali būti sumažinti iki 0,8 mm skersmens ir didelio ilgio (mažiausiai 5000 mm), pasižymi dideliu kraštinių santykiu (ilgio ir skersmens), taip pat dideliu pailgėjimu (mažiausiai 245 %), daug energijos. efektyvumas, mažesnis nei 20 Hz greitas atsakas).Kurdami išmaniąją tekstilę, mes naudojame AMF kaip aktyvųjį siūlą, kad mezgimo ir audimo būdais suformuotume 2D aktyvius raumenų sluoksnius.Kiekybiškai ištyrėme šių „protingų“ audinių išsiplėtimo greitį ir susitraukimo jėgą, atsižvelgiant į skysčio tūrį ir tiekiamą slėgį.Sukurti analitiniai modeliai, skirti nustatyti megztų ir austų lakštų pailgėjimo jėgos ryšį.Taip pat aprašome keletą mechaninio programavimo metodų, skirtų išmaniajai tekstilei, skirtai multimodaliniam judėjimui, įskaitant dvikryptį išplėtimą, lenkimą, radialinį plėtimąsi ir galimybę pereiti iš 2D į 3D.Norėdami parodyti savo požiūrio stiprumą, mes taip pat integruosime AMF į komercinius audinius ar tekstilę, kad pakeistume jų konfigūraciją iš pasyvių į aktyvias struktūras, sukeliančias įvairias deformacijas.Mes taip pat pademonstravome šią koncepciją keliuose eksperimentiniuose bandymų stenduose, įskaitant programuojamą siūlų lenkimą, kad susidarytų norimos raidės, ir formą keičiančias biologines struktūras į objektų, pavyzdžiui, drugelių, keturkojų konstrukcijų ir gėlių, formą.
Tekstilė yra lanksčios dvimatės struktūros, suformuotos iš susipynusių vienmačių siūlų, tokių kaip verpalai, siūlai ir pluoštai.Tekstilė yra viena iš seniausių žmonijos technologijų ir yra plačiai naudojama visose gyvenimo srityse dėl savo patogumo, prisitaikymo, pralaidumo orui, estetikos ir apsaugos.Išmanioji tekstilė (taip pat žinoma kaip išmanieji drabužiai arba robotų sukurti audiniai) vis dažniau naudojama moksliniams tyrimams dėl didelio jų potencialo robotizuotose programose20,52.Išmanioji tekstilė žada pagerinti žmogaus sąveikos su minkštais objektais patirtį, pradėdama paradigmos pokytį srityje, kur galima valdyti plono lankstaus audinio judėjimą ir jėgas, kad būtų galima atlikti konkrečias užduotis.Šiame darbe nagrinėjame du išmaniosios tekstilės gaminių gamybos būdus, pagrįstus naujausiu AMF49: (1) naudoti AMF kaip aktyvų siūlą kuriant išmaniąją tekstilę naudojant tradicines tekstilės gamybos technologijas;(2) Įdėkite AMF tiesiai į tradicinius audinius, kad paskatintumėte norimą judėjimą ir deformaciją.
AMF sudaro vidinis silikoninis vamzdelis, skirtas tiekti hidraulinę energiją, ir išorinė spiralinė ritė, ribojanti jo radialinį plėtimąsi.Taigi, AMF pailgėja išilgai, kai taikomas slėgis, ir vėliau pasireiškia susitraukimo jėgomis, kad sugrįžtų į pradinį ilgį, kai atleidžiamas slėgis.Jų savybės panašios į tradicinius pluoštus, įskaitant lankstumą, mažą skersmenį ir ilgą ilgį.Tačiau AMF yra aktyvesnis ir labiau valdomas judėjimo bei jėgos atžvilgiu nei įprasti jo kolegos.Įkvėpti pastarojo meto sparčios išmaniosios tekstilės pažangos, čia pristatome keturis pagrindinius išmaniosios tekstilės gaminių gamybos būdus, taikant AMF seniai nusistovėjusiai audinių gamybos technologijai (1 pav.).
Pirmasis būdas yra audimas.Mes naudojame ataudų mezgimo technologiją, kad pagamintume reaktyvų megztą audinį, kuris hidrauliškai veikiant išsiskleidžia viena kryptimi.Megzti paklodės yra labai tamprios ir tamprios, tačiau lengviau išsiskleidžia nei austi paklodės.Priklausomai nuo valdymo metodo, AMF gali sudaryti atskiras eilutes arba pilnus gaminius.Be plokščių lakštų, AMF tuščiavidurių konstrukcijų gamybai tinka ir vamzdiniai mezgimo raštai.Antrasis metodas yra audimas, kai mes naudojame du AMF kaip metmenis ir ataudą, kad sudarytume stačiakampį austą lakštą, kuris gali plėstis nepriklausomai dviem kryptimis.Austi lakštai suteikia daugiau kontrolės (abiem kryptimis) nei megzti lakštai.AMF taip pat audėme iš tradicinių verpalų, kad padarytume paprastesnį austą lakštą, kurį galima išvynioti tik viena kryptimi.Trečiasis būdas – radialinis plėtimasis – tai audimo technikos variantas, kai AMP išsidėstę ne stačiakampyje, o spirale, o siūlai suteikia radialinį suvaržymą.Šiuo atveju pynė plečiasi radialiai veikiant įėjimo slėgiui.Ketvirtas būdas yra klijuoti AMF ant pasyvaus audinio lakšto, kad būtų sukurtas lenkimo judesys norima kryptimi.Perkonfigūravome pasyviąją išjungimo plokštę į aktyvią išjungimo plokštę, paleisdami AMF aplink jos kraštą.Šis programuojamas AMF pobūdis atveria daugybę galimybių biologiškai įkvėptoms formą transformuojančioms minkštoms struktūroms, kuriose pasyvius objektus galime paversti aktyviais.Šis metodas yra paprastas, lengvas ir greitas, tačiau gali pakenkti prototipo ilgaamžiškumui.Skaitytojas nurodo kitus literatūros metodus, kuriuose išsamiai aprašomos kiekvienos audinio savybės stipriosios ir silpnosios pusės 21, 33, 34, 35.
Daugumoje siūlų ar verpalų, naudojamų tradiciniams audiniams gaminti, yra pasyvios struktūros.Šiame darbe mes naudojame mūsų anksčiau sukurtą AMF, kuris gali pasiekti metro ilgį ir submilimetrų skersmenį, kad pakeistume tradicinius pasyvius tekstilės siūlus AFM, kad sukurtume protingus ir aktyvius audinius, skirtus platesniam pritaikymui.Tolesniuose skyriuose aprašomi išsamūs išmaniųjų tekstilės gaminių prototipų gamybos metodai ir pateikiamos pagrindinės jų funkcijos bei elgsena.
Tris AMF megztinius pagaminome rankomis, naudodami ataudų mezgimo techniką (2A pav.).Medžiagų pasirinkimą ir išsamias AMF bei prototipų specifikacijas rasite skyriuje Metodai.Kiekvienas AMF eina vingiuotu keliu (taip pat vadinamu maršrutu), kuris sudaro simetrišką kilpą.Kiekvienos eilutės kilpos tvirtinamos eilučių kilpomis virš ir žemiau jų.Vienos kolonos, statmenos kursui, žiedai sujungiami į veleną.Mūsų megztas prototipas susideda iš trijų eilių po septynias siūles (arba septynias siūles) kiekvienoje eilutėje.Viršutinis ir apatinis žiedai nėra pritvirtinti, todėl galime juos pritvirtinti prie atitinkamų metalinių strypų.Megzti prototipai išsirišo lengviau nei įprasti megzti audiniai dėl didesnio AMF standumo, palyginti su įprastais siūlais.Todėl gretimų eilių kilpas surišome plonomis elastinėmis virvelėmis.
Įvairūs išmaniosios tekstilės prototipai diegiami su skirtingomis AMF konfigūracijomis.(A) Megztas lapas, pagamintas iš trijų AMF.(B) Dviejų krypčių austas lakštas iš dviejų AMF.(C) Vienakryptis austas lapas, pagamintas iš AMF ir akrilo verpalų, gali atlaikyti 500 g apkrovą, kuri yra 192 kartus didesnė už jo svorį (2,6 g).(D) radialiai besiplečianti struktūra su vienu AMF ir medvilniniais verpalais kaip radialinis apribojimas.Išsamias specifikacijas rasite skyriuje Metodai.
Nors mezginio zigzago kilpos gali išsitempti įvairiomis kryptimis, mūsų mezginio prototipas pirmiausiai plečiasi kilpos kryptimi, veikiant slėgiui dėl važiavimo krypties apribojimų.Kiekvieno AMF pailginimas prisideda prie bendro megzto lakšto ploto išplėtimo.Atsižvelgdami į konkrečius reikalavimus, galime valdyti tris AMF nepriklausomai nuo trijų skirtingų skysčių šaltinių (2A pav.) arba vienu metu iš vieno skysčio šaltinio per 1–3 skysčių skirstytuvą.Ant pav.2A parodytas megzto prototipo pavyzdys, kurio pradinis plotas padidėjo 35%, taikant slėgį trims AMP (1,2 MPa).Pažymėtina, kad AMF pailgėja bent 250 % savo pradinio ilgio49, todėl megzti lakštai gali ištempti net daugiau nei dabartinės versijos.
Taip pat sukūrėme dvikrypčius pynimo lakštus, suformuotus iš dviejų AMF, naudodami paprasto pynimo techniką (2B pav.).AMF metmenys ir ataudai susipynę stačiu kampu, sudarydami paprastą kryžminį raštą.Mūsų pynimo prototipas buvo klasifikuojamas kaip subalansuotas paprastas pynimas, nes metmenų ir ataudų siūlai buvo pagaminti iš tokio paties dydžio verpalų (daugiau informacijos rasite skyriuje Metodai).Skirtingai nuo įprastų siūlų, kurie gali sudaryti aštrias raukšles, taikomas AMF reikalauja tam tikro lenkimo spindulio, kai grįžtama prie kito audimo modelio sriegio.Todėl austi lakštai, pagaminti iš AMP, turi mažesnį tankį, palyginti su įprastine austa tekstile.AMF tipo S (išorinis skersmuo 1,49 mm) minimalus lenkimo spindulys yra 1,5 mm.Pavyzdžiui, pynimo prototipas, kurį pristatome šiame straipsnyje, turi 7 × 7 siūlų raštą, kur kiekviena sankryža stabilizuojama plonos elastingos virvelės mazgu.Naudodami tą pačią audimo techniką, galite gauti daugiau sruogų.
Kai atitinkamas AMF gauna skysčio slėgį, austas lakštas išplečia savo plotą metmenų arba ataudų kryptimi.Todėl mes kontroliavome pinto lakšto matmenis (ilgį ir plotį), nepriklausomai keisdami įėjimo slėgio dydį, taikomą dviem AMP.Ant pav.2B parodytas austas prototipas, kuris išsiplėtė iki 44% pradinio ploto, tuo pačiu metu veikiant slėgį vienam AMP (1,3 MPa).Vienu metu veikiant slėgiui dviem AMF, plotas padidėjo 108%.
Taip pat iš vieno AMF pagaminome vienkryptį austą lakštą, kurio ataudą sudaro metmenys ir akriliniai siūlai (2C pav.).AMF yra išdėstyti septyniomis zigzago eilėmis, o siūlai supina šias AMF eilutes, kad sudarytų stačiakampį audinio lakštą.Šis austas prototipas buvo tankesnis nei 2B pav. dėl minkštų akrilo siūlų, kurie lengvai užpildė visą lapą.Kadangi mes naudojame tik vieną AMF kaip metimą, austas lakštas gali plėstis tik link metmenų esant slėgiui.2C paveiksle parodytas austo prototipo pavyzdys, kurio pradinis plotas didėja 65%, didėjant slėgiui (1,3 MPa).Be to, šis pintas gabalas (sveria 2,6 gramo) gali pakelti 500 gramų krovinį, kuris 192 kartus viršija jo masę.
Užuot išdėstę AMF zigzago raštu, kad sukurtume stačiakampį austą lakštą, pagaminome plokščią AMF spiralės formą, kuri vėliau buvo radialiai suvaržyta medvilniniais siūlais, kad būtų sukurtas apvalus austinis lakštas (2D pav.).Didelis AMF tvirtumas riboja jo užpildymą pačioje plokštės centre.Tačiau šis kamšalas gali būti pagamintas iš elastingų verpalų arba elastingų audinių.Gavęs hidraulinį slėgį, AMP išilginį pailgėjimą paverčia radialiniu lakšto išsiplėtimu.Taip pat verta paminėti, kad tiek išorinis, tiek vidinis spiralės formos skersmuo yra padidintas dėl radialinio gijų apribojimo.2D paveiksle parodyta, kad esant 1 MPa hidrauliniam slėgiui, apvalaus lakšto forma išsiplečia iki 25% pradinio ploto.
Čia pristatome antrą išmaniosios tekstilės gaminimo būdą, kai AMF klijuojame prie plokščio audinio gabalo ir perkonfigūruojame iš pasyvios į aktyviai valdomą struktūrą.Lenkimo pavaros konstrukcijos schema parodyta fig.3A, kur AMP yra sulankstytas per vidurį ir priklijuotas prie netempto audinio juostelės (medvilnės muslino audinio), naudojant dvipusę juostą kaip klijus.Užsandarintas AMF viršus gali laisvai išsitiesti, o apačia yra apribota juosta ir audiniu, todėl juostelė linksta prie audinio.Bet kurią lenkimo pavaros dalį galime išjungti bet kur, tiesiog užklijuodami ant jos juostelę.Išjungtas segmentas negali judėti ir tampa pasyviu segmentu.
Audiniai perkonfigūruojami klijuojant AMF ant tradicinių audinių.(A) Lenkimo pavaros, pagamintos klijuojant sulankstytą AMF ant neištempto audinio, dizaino koncepcija.(B) Pavaros prototipo lenkimas.(C) Stačiakampio audinio pertvarkymas į aktyvų keturkojį robotą.Neelastingas audinys: medvilninis džersis.Tamprus audinys: poliesteris.Išsamias specifikacijas rasite skyriuje Metodai.
Pagaminome keletą skirtingų ilgių lenkimo pavarų prototipų ir suslėgėme juos hidraulika, kad sukurtume lenkimo judesį (3B pav.).Svarbu tai, kad AMF galima išdėstyti tiesia linija arba sulankstyti, kad susidarytų keli siūlai, o tada priklijuoti prie audinio, kad būtų sukurta lenkimo pavara su atitinkamu sriegių skaičiumi.Mes taip pat pavertėme pasyvaus audinio lakštą į aktyvią tetrapodo struktūrą (3C pav.), kur mes panaudojome AMF, kad nukreiptume stačiakampio nepratęsiamo audinio (medvilnės muslino audinio) ribas.AMP prie audinio tvirtinamas dvipuse juostele.Kiekvieno krašto vidurys užklijuojamas juostele, kad taptų pasyvus, o keturi kampai lieka aktyvūs.Tamprio audinio viršutinis dangtelis (poliesteris) yra neprivalomas.Paspaudus, keturi audinio kampai susilenkia (atrodo kaip kojos).
Mes pastatėme bandymų stendą, kad galėtume kiekybiškai ištirti sukurtų išmaniųjų tekstilės gaminių savybes (žr. skyrių Metodai ir papildomą S1 paveikslą).Kadangi visi mėginiai buvo pagaminti iš AMF, bendra eksperimentinių rezultatų tendencija (4 pav.) atitinka pagrindines AMF charakteristikas, ty įėjimo slėgis yra tiesiogiai proporcingas išėjimo angos pailgėjimui ir atvirkščiai proporcingas suspaudimo jėgai.Tačiau šie išmanieji audiniai turi unikalių savybių, kurios atspindi jų specifines konfigūracijas.
Yra išmaniųjų tekstilės konfigūracijų.(A, B) Histerezės kreivės, skirtos austų lakštų įleidimo slėgiui ir išleidimo angos pailgėjimui bei jėgai.(C) Austo lakšto ploto išplėtimas.(D,E) Ryšys tarp įėjimo slėgio ir išėjimo pailgėjimo bei jėgos trikotažo gaminiams.(F) radialiai besiplečiančių konstrukcijų ploto išsiplėtimas.(G) Trijų skirtingų ilgių lenkimo pavarų lenkimo kampai.
Kiekvienas austo lakšto AMF buvo veikiamas 1 MPa įėjimo slėgiu, kad būtų sukurtas maždaug 30 % pailgėjimas (4A pav.).Šią slenkstį visam eksperimentui pasirinkome dėl kelių priežasčių: (1) norėdami sukurti reikšmingą pailgėjimą (apie 30%), kad pabrėžtume jų histerezės kreives, (2) kad būtų išvengta skirtingų eksperimentų ir pakartotinai naudojamų prototipų važiavimo dviračiu, dėl kurio gali atsitiktinai sugadinti arba sugesti..esant aukštam skysčio slėgiui.Negyva zona yra aiškiai matoma, o pynė nejuda, kol įleidimo slėgis pasiekia 0,3 MPa.Slėgio pailgėjimo histerezės diagrama rodo didelį atotrūkį tarp siurbimo ir išleidimo fazių, o tai rodo, kad, kai austas lakštas keičia savo judėjimą nuo išsiplėtimo iki susitraukimo, labai prarandama energija.(4A pav.).Pasiekus 1 MPa įėjimo slėgį, austas lakštas gali veikti 5,6 N susitraukimo jėgą (4B pav.).Slėgio ir jėgos histerezės diagrama taip pat rodo, kad atstatymo kreivė beveik sutampa su slėgio didėjimo kreive.Austo lakšto ploto išsiplėtimas priklausė nuo slėgio, taikomo kiekvienam iš dviejų AMF, dydžio, kaip parodyta 3D paviršiaus diagramoje (4C pav.).Eksperimentai taip pat rodo, kad austas lakštas gali padidinti plotą 66%, kai jo metmenų ir ataudų AMF tuo pačiu metu yra veikiami 1 MPa hidraulinio slėgio.
Eksperimentiniai megzto lakšto rezultatai rodo panašų modelį kaip ir austo lakšto, įskaitant platų histerezės tarpą įtempimo ir slėgio diagramoje ir persidengiančias slėgio ir jėgos kreives.Megztas lapas pailgėjo 30 %, po to suspaudimo jėga buvo 9 N, kai įėjimo slėgis 1 MPa (4D pav., E).
Apvalaus austo lakšto atveju jo pradinis plotas padidėjo 25 %, palyginti su pradiniu plotu po 1 MPa skysčio slėgio poveikio (4F pav.).Prieš pradedant plėstis, yra didelė įėjimo slėgio negyva zona iki 0,7 MPa.Šios didelės negyvos zonos buvo tikimasi, nes mėginiai buvo pagaminti iš didesnių AMF, kuriems reikėjo didesnio slėgio, kad būtų galima įveikti pradinį įtampą.Ant pav.4F taip pat rodo, kad atleidimo kreivė beveik sutampa su slėgio padidėjimo kreive, o tai rodo mažus energijos nuostolius, kai perjungiamas disko judėjimas.
Trijų lenkimo pavarų eksperimentiniai rezultatai (audinio perkonfigūracija) rodo, kad jų histerezės kreivės yra panašios (4G pav.), kai prieš pakeliant įėjimo slėgio negyva zona yra iki 0,2 MPa.Trims lenkimo pavaroms (L20, L30 ir L50 mm) patepome tą patį skysčio kiekį (0,035 ml).Tačiau kiekviena pavara patyrė skirtingus slėgio smailes ir sukūrė skirtingus lenkimo kampus.L20 ir L30 mm pavarų įleidimo slėgis buvo 0,72 ir 0,67 MPa, atitinkamai pasiekę 167° ir 194° lenkimo kampus.Ilgiausia lenkimo pavara (ilgis 50 mm) atlaikė 0,61 MPa slėgį ir pasiekė maksimalų 236° lenkimo kampą.Slėgio kampo histerezės diagramos taip pat atskleidė palyginti didelius visų trijų lenkimo pavarų slėgio ir atleidimo kreivių tarpus.
Santykį tarp įvesties tūrio ir išvesties savybių (pailgėjimo, jėgos, ploto išsiplėtimo, lenkimo kampo) aukščiau pateiktose išmaniosios tekstilės konfigūracijose galima rasti papildomame S2 paveiksle.
Ankstesniame skyriuje pateikti eksperimentiniai rezultatai aiškiai parodo proporcingą ryšį tarp taikomo įėjimo slėgio ir AMF mėginių išleidimo angos pailgėjimo.Kuo stipresnis AMB įtempimas, tuo didesnis jo pailgėjimas ir sukaupiama daugiau elastingumo energijos.Taigi, kuo didesnę gniuždymo jėgą jis daro.Rezultatai taip pat parodė, kad bandiniai pasiekė didžiausią suspaudimo jėgą, kai įėjimo slėgis buvo visiškai pašalintas.Šiuo skyriumi siekiama nustatyti tiesioginį ryšį tarp megztų ir austų lakštų pailgėjimo ir didžiausios susitraukimo jėgos, taikant analitinį modeliavimą ir eksperimentinį patikrinimą.
Didžiausia vieno AMF susitraukimo jėga Fout (esant įėjimo slėgiui P = 0) buvo nurodyta 49 nuorodoje ir vėl įvesta taip:
Tarp jų α, E ir A0 yra atitinkamai tempimo koeficientas, Youngo modulis ir silikoninio vamzdžio skerspjūvio plotas;k – spiralinės ritės standumo koeficientas;x ir li yra poslinkis ir pradinis ilgis.AMP, atitinkamai.
teisinga lygtis.(1) Kaip pavyzdį paimkite megztus ir austus lakštus (5A, B pav.).Megzto gaminio Fkv ir austo gaminio Fwh susitraukimo jėgos išreiškiamos atitinkamai (2) ir (3) lygtimis.
čia mk – kilpų skaičius, φp – megzto audinio kilpos kampas įpurškimo metu (5A pav.), mh – siūlų skaičius, θhp – megzto audinio sukibimo kampas įpurškimo metu (5B pav.), εkv εwh – megztas lakštas ir austo lakšto deformacija, F0 – pradinis spiralinės ritės įtempimas.Išsamus lygties išvedimas.(2) ir (3) galima rasti pagalbinėje informacijoje.
Sukurkite analitinį pailgėjimo ir jėgos santykio modelį.(A,B) Atitinkamai megztų ir austų lakštų analitinio modelio iliustracijos.(C,D) Megztų ir austų lakštų analitinių modelių ir eksperimentinių duomenų palyginimas.RMSE šaknies vidutinė kvadratinė paklaida.
Norėdami išbandyti sukurtą modelį, atlikome pailgėjimo eksperimentus, naudodami megztus raštus 2A pav. ir pintus pavyzdžius 2B pav.Susitraukimo jėga buvo matuojama 5% žingsniais kiekvienam užrakintai ilginimui nuo 0% iki 50%.Penkių bandymų vidurkis ir standartinis nuokrypis pateikti 5C paveiksle (mezginys) ir 5D paveiksle (mezginys).Analitinio modelio kreivės apibūdinamos lygtimis.Parametrai (2) ir (3) pateikti lentelėje.1. Rezultatai rodo, kad analitinis modelis gerai sutampa su eksperimentiniais duomenimis visame pailgėjimo diapazone, o vidutinė kvadratinė paklaida (RMSE) yra 0,34 N trikotažo atveju, 0,21 N austi AMF H (horizontali kryptis) ir 0,17 N austi AMF.V (vertikali kryptis).
Be pagrindinių judesių, siūlomos išmaniosios tekstilės gaminiai gali būti mechaniškai programuojami, kad būtų galima atlikti sudėtingesnius judesius, tokius kaip S-lenkimas, radialinis susitraukimas ir 2D į 3D deformacija.Pateikiame keletą plokščių išmaniųjų tekstilės gaminių programavimo į norimas struktūras metodus.
Be srities išplėtimo linijine kryptimi, vienkrypčiai austi lakštai gali būti mechaniškai užprogramuoti, kad būtų sukurtas multimodalinis judėjimas (6A pav.).Mes perkonfigūruojame pinto lakšto pratęsimą kaip lenkimo judesį, apribodami vieną iš jo paviršių (viršuje arba apačioje) siuvimo siūlu.Esant slėgiui, lakštai linkę lenktis link ribojančio paviršiaus.Ant pav.6A parodyti du austinių plokščių pavyzdžiai, kurie tampa S formos, kai viena pusė yra ankšta viršutinėje pusėje, o kita pusė yra ankšta apatinėje pusėje.Arba galite sukurti apskrito lenkimo judesį, kai suvaržytas tik visas veidas.Iš vienkrypčio pinto lakšto taip pat galima padaryti suspaudžiamą movą, sujungiant jos du galus į vamzdinę konstrukciją (6B pav.).Rankovė dėvima ant rodomojo piršto, kad būtų galima suspausti, masažo terapijos forma skausmui malšinti arba kraujotakai pagerinti.Jis gali būti pritaikytas kitoms kūno dalims, tokioms kaip rankos, klubai ir kojos.
Galimybė austi lakštus viena kryptimi.(A) Deformuojamų konstrukcijų kūrimas dėl siuvimo siūlų formos programuojamumo.(B) Pirštų suspaudimo rankovė.(C) Kita pinto lakšto versija ir jos įgyvendinimas kaip dilbio suspaudimo rankovė.(D) Kitas suspaudžiamos rankovės prototipas, pagamintas iš AMF tipo M, akrilo verpalų ir Velcro dirželių.Išsamias specifikacijas rasite skyriuje Metodai.
6C paveiksle parodytas kitas vienkrypčio austo lakšto, pagaminto iš vieno AMF ir medvilnės verpalų, pavyzdys.Lakštas gali išsiplėsti 45% ploto (esant 1,2 MPa) arba sukelti sukamąjį judėjimą esant slėgiui.Mes taip pat įtraukėme paklodę, kad sukurtume dilbio suspaudžiamą movą, pritvirtindami magnetinius dirželius prie lapo galo.Kitas dilbio suspaudimo movos prototipas parodytas 6D pav., kuriame vienakrypčiai pinti lakštai buvo pagaminti iš M tipo AMF (žr. Metodai) ir akrilo siūlų, kad būtų sukurtos stipresnės suspaudimo jėgos.Paklodžių galus įtaisėme su Velcro dirželiais, kad būtų lengva pritvirtinti ir pritaikyti įvairių dydžių rankoms.
Suvaržymo technika, kuri linijinį išplėtimą paverčia lenkimo judesiu, taip pat taikoma dvikrypčiams austi lakštams.Medvilninius siūlus audžiame vienoje metmenų ir ataudų austinių lakštų pusėje, kad jie nesiplėstų (7A pav.).Taigi, kai du AMF gauna hidraulinį slėgį nepriklausomai vienas nuo kito, lapas patiria dvikryptį lenkimo judesį, kad susidarytų savavališka trimatė struktūra.Kitu būdu mes naudojame netampytus siūlus, kad apribotume vieną dvikrypčių austų lakštų kryptį (7B pav.).Taigi, lakštas gali atlikti nepriklausomus lenkimo ir tempimo judesius, kai atitinkamas AMF yra spaudžiamas.Ant pav.7B parodytas pavyzdys, kuriame dvikryptis pintas lapas yra valdomas taip, kad lenkimo judesiu apvyniotų du trečdalius žmogaus piršto, o paskui pratęstų jo ilgį, kad likusi dalis padengtų tempimo judesį.Dvipusis paklodžių judėjimas gali būti naudingas kuriant mados dizainą ar kuriant protingus drabužius.
Dviejų krypčių austas lakštas, megztas lakštas ir radialiai išplečiamos dizaino galimybės.(A) Dviejų krypčių surištos dvikryptės pintinės plokštės, kad būtų sukurtas dvikryptis posūkis.(B) Vienakrypčiai suvaržytos dvikryptės pintinės plokštės lankstosi ir pailgėja.(C) Labai elastingas megztas lakštas, kuris gali atitikti skirtingą paviršiaus kreivumą ir netgi sudaryti vamzdines struktūras.(D) radialiai besiplečiančios struktūros, sudarančios hiperbolinę parabolinę formą (bulvių traškučiai), vidurio linijos atribojimas.
Dvi greta esančias viršutinės ir apatinės megztos dalies eilių kilpas sujungėme siuvimo siūlu, kad neišsivyniotų (7C pav.).Taigi, austas lakštas yra visiškai lankstus ir puikiai prisitaiko prie įvairių paviršiaus kreivių, tokių kaip žmogaus rankų ir rankų odos paviršius.Taip pat sukūrėme vamzdinę konstrukciją (rankovę), sujungę megztos dalies galus važiavimo kryptimi.Rankovė gerai apgaubia žmogaus smilių (7C pav.).Audinio vingiuotumas užtikrina puikų prigludimą ir deformaciją, todėl jį lengva naudoti dėvint išmanųjį drabužį (pirštinės, suspaudžiamos rankovės), suteikia komforto (dėl prigludimo) ir gydomąjį poveikį (dėl suspaudimo).
Be 2D radialinio plėtimosi keliomis kryptimis, apvalūs austi lakštai taip pat gali būti užprogramuoti taip, kad sudarytų 3D struktūras.Apvalios pynės centrinę liniją apribojome akriliniais siūlais, kad sutrikdytume tolygų radialinį plėtimąsi.Dėl to pradinė plokščia apvalaus austo lakšto forma po slėgio buvo transformuota į hiperbolinę parabolinę formą (arba bulvių traškučius) (7D pav.).Šis formos keitimo gebėjimas gali būti įgyvendintas kaip kėlimo mechanizmas, optinis lęšis, mobilios roboto kojos arba gali būti naudingas mados dizaino ir bioniniuose robotuose.
Sukūrėme paprastą lenkimo pavarų kūrimo techniką klijuojant AMF ant netampančio audinio juostelės (3 pav.).Šią koncepciją naudojame kurdami formuojamas programuojamas gijas, kuriose galime strategiškai paskirstyti kelias aktyvias ir pasyvias dalis viename AMF, kad sukurtume norimas formas.Mes pagaminome ir suprogramavome keturis aktyvius siūlus, kurie, padidėjus slėgiui, gali pakeisti savo formą iš tiesios į raidę (UNSW) (papildomas S4 pav.).Šis paprastas metodas leidžia AMF deformuotis 1D linijas paversti 2D formomis ir galbūt net 3D struktūromis.
Panašiai naudojome vieną AMF, kad perkonfigūruotume pasyvaus normalaus audinio gabalėlį į aktyvų tetrapodą (8A pav.).Maršruto parinkimo ir programavimo koncepcijos yra panašios į parodytas 3C paveiksle.Tačiau vietoj stačiakampių lakštų imta naudoti keturkampio rašto audinius (vėžlys, medvilnės muslinas).Todėl kojos ilgesnės, o konstrukciją galima pakelti aukščiau.Slėgio metu konstrukcijos aukštis palaipsniui didėja, kol jos kojos yra statmenos žemei.Jei įleidimo slėgis ir toliau didėja, kojos nuslys į vidų, sumažindamos konstrukcijos aukštį.Tetrapodai gali judėti, jei jų kojos yra su vienakrypčiais raštais arba naudoja kelis AMF su judesio manipuliavimo strategijomis.Minkšti judėjimo robotai reikalingi įvairioms užduotims, įskaitant gelbėjimą po miškų gaisrų, sugriuvusių pastatų ar pavojingos aplinkos, ir medicininių vaistų pristatymo robotus.
Audinys perkonfigūruotas taip, kad būtų sukurtos formą keičiančios struktūros.(A) Priklijuokite AMF prie pasyvaus audinio lakšto krašto, paversdami jį valdoma keturkojų konstrukcija.(BD) Dar du audinių pertvarkymo pavyzdžiai, paverčiantys pasyvius drugelius ir gėles į aktyvius.Netamprus audinys: paprastas medvilninis muslinas.
Taip pat pasinaudojame šios audinių pertvarkymo technikos paprastumu ir universalumu, pristatydami dvi papildomas biologiškai įkvėptas struktūras, skirtas pertvarkyti (8B-D pav.).Naudojant nukreipiamąjį AMF, šios formos deformuojamos struktūros perkonfigūruojamos iš pasyvaus audinio lakštų į aktyvias ir valdomas struktūras.Įkvėpti monarcho drugelio, sukūrėme transformuojančią drugelio struktūrą, naudodami drugelio formos audinio gabalėlį (medvilnės muslino) ir ilgą AMF gabalėlį, įstrigusį po jo sparnais.Kai AMF veikia slėgis, sparnai susilenkia.Kaip ir „Monarch Butterfly“, „Butterfly Robot“ kairysis ir dešinysis sparnai sklando taip pat, nes abu juos valdo AMF.Drugelio atvartai skirti tik demonstravimo tikslams.Jis negali skristi kaip „Smart Bird“ („Festo Corp.“, JAV).Taip pat pagaminome medžiaginę gėlę (8D pav.), susidedančią iš dviejų sluoksnių po penkis žiedlapius.AMF padėjome po kiekvienu sluoksniu po išorinio žiedlapių krašto.Iš pradžių gėlės visiškai žydi, visi žiedlapiai yra visiškai atviri.Esant slėgiui, AMF sukelia žiedlapių lenkimo judesį, todėl jie užsidaro.Du AMF nepriklausomai valdo dviejų sluoksnių judėjimą, o penki vieno sluoksnio žiedlapiai lankstosi tuo pačiu metu.
Paskelbimo laikas: 2022-12-26