Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Toant in karrousel fan trije dia's tagelyk.Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te bewegen, of brûk de sliderknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te bewegen.
It kombinearjen fan tekstyl en keunstmjittige spieren om tûke tekstyl te meitsjen lûkt in soad omtinken fan sawol de wittenskiplike as yndustriële mienskippen.Tûke tekstylen biede in protte foardielen, ynklusyf oanpasber komfort en in hege graad fan konformiteit oan objekten, wylst se aktive oandriuwing jouwe foar winske beweging en krêft.Dit artikel presintearret in nije klasse programmeerbere tûke stoffen makke mei ferskate metoaden fan weven, weven en lijmen troch floeistof-oandreaune keunstmjittige spierfezels.In wiskundich model waard ûntwikkele om de ferhâlding fan 'e ferlingingskrêft fan gebreide en weefde tekstylblêden te beskriuwen, en doe waard de jildigens eksperiminteel hifke.De nije "tûke" tekstyl hat hege fleksibiliteit, konformiteit en meganyske programmearring, wêrtroch multymodale bewegings- en deformaasjemooglikheden mooglik binne foar in breder skala oan tapassingen.Ferskate tûke tekstylprototypen binne makke troch eksperimintele ferifikaasje, ynklusyf ferskate gefallen fan foarmferoaring, lykas ferlinging (oant 65%), gebietsútwreiding (108%), radiale útwreiding (25%), en bûgebeweging.It konsept fan rekonfiguraasje fan passive tradisjonele weefsels yn aktive struktueren foar biomimetyske foarmjouwingsstruktueren wurdt ek ûndersocht.De foarstelde tûke tekstylen wurde ferwachte dat se de ûntwikkeling fan tûke wearables, haptyske systemen, biomimetyske sêfte robots, en draachbere elektroanika sille fasilitearje.
Stive robots binne effektyf as se wurkje yn strukturearre omjouwings, mar hawwe problemen mei de ûnbekende kontekst fan feroarjende omjouwings, dy't beheint harren gebrûk yn sykjen of ferkenning.De natuer bliuwt ús ferrasse mei in protte ynventive strategyen om te gean mei eksterne faktoaren en ferskaat.Bygelyks, de ranken fan klimplanten fiere multimodale bewegings út, lykas bûgen en spiraalje, om in ûnbekende omjouwing te ferkennen op syk nei in gaadlike stipe1.De Venus Flytrap (Dionaea muscipula) hat gefoelige hieren op har blêden dy't, as se ynskeakele wurde, op syn plak snappe om proai te fangen2.Yn 'e ôfrûne jierren is de ferfoarming of ferfoarming fan lichems fan twadimensjonale (2D) oerflakken nei trijediminsjonale (3D) foarmen dy't biologyske struktueren mimike, in nijsgjirrich ûndersyksûnderwerp wurden3,4.Dizze sêfte robotyske konfiguraasjes feroarje foarm om oan te passen oan feroarjende omjouwings, skeakelje multimodale beweging yn, en tapasse krêften om meganysk wurk út te fieren.Har berik is útwreide nei in breed skala oan robotika-applikaasjes, ynklusyf deployables5, reconfigurable en selsfolding robots6,7, biomedyske apparaten8, vehicles9,10 en útwreidbere elektroanika11.
In protte ûndersyk is dien om programmearbere platte platen te ûntwikkeljen dy't, as aktivearre, transformearje yn komplekse trijediminsjonale struktueren3.In ienfâldich idee foar it meitsjen fan ferfoarme struktueren is it kombinearjen fan lagen fan ferskate materialen dy't flekke en rimpelje as se bleatsteld oan stimuli12,13.Janbaz et al.14 en Li et al.15 hawwe dit konsept ymplementearre om waarmgefoelige multimodale ferfoarmbere robots te meitsjen.Origami-basearre struktueren mei stimulus-responsive eleminten binne brûkt om komplekse trijediminsjonale struktueren te meitsjen16,17,18.Ynspirearre troch de morfogenese fan biologyske struktueren, Emmanuel et al.Foarm-ferfoarmbere elastomers wurde makke troch it organisearjen fan luchtkanalen binnen in rubberen oerflak dat, ûnder druk, transformearje yn komplekse, willekeurige trijediminsjonale foarmen.
De yntegraasje fan tekstyl as stoffen yn ferfoarmbere sêfte robots is in oar nij konseptprojekt dat wiidferspraat belangstelling hat opwekt.Tekstyl binne sêfte en elastyske materialen makke fan garen troch weeftechniken lykas breidzjen, weven, flechten of knoopweven.De geweldige eigenskippen fan stoffen, ynklusyf fleksibiliteit, fit, elastisiteit en ademend, meitsje se heul populêr yn alles fan klean oant medyske applikaasjes20.D'r binne trije brede oanpakken foar it opnimmen fan tekstyl yn robotika21.De earste oanpak is om de tekstyl te brûken as in passive backing of basis foar oare komponinten.Yn dit gefal jouwe passive tekstyl in noflike fit foar de brûker by it dragen fan stive komponinten (motoren, sensoren, stroomfoarsjenning).De measte sêfte draagbare robots as sêfte eksoskeletten falle ûnder dizze oanpak.Bygelyks sêfte draachbere eksoskeletten foar kuierhelpmiddels 22 en elbowhelpmiddels 23, 24, 25, sêfte draachbere wanten 26 foar hân- en fingerhelpmiddels, en bionyske sêfte robots 27.
De twadde oanpak is om tekstyl te brûken as passive en beheinde komponinten fan sêfte robotyske apparaten.Tekstyl basearre actuators falle yn dizze kategory, dêr't de stof wurdt meastal konstruearre as in bûtenste container te befetsje de binnenste slang of keamer, it foarmjen fan in sêft fiber fersterke actuator.Wannear't ûnderwurpen wurde oan in eksterne pneumatyske of hydraulyske boarne, dizze sêfte actuators ûndergean feroarings yn foarm, ynklusyf elongation, bûgen of twist, ôfhinklik fan harren oarspronklike gearstalling en konfiguraasje.Bygelyks, Talman et al.Ortopedyske enkelklean, besteande út in searje stoffen pockets, is yntrodusearre om plantare flexion te fasilitearjen om gait28 te herstellen.Tekstyllagen mei ferskate útwreidzjen kinne wurde kombinearre om anisotropyske beweging 29 te meitsjen.OmniSkins - sêfte robotyske skins makke fan in ferskaat oan sêfte actuators en substraatmaterialen kinne passive objekten transformearje yn multyfunksjonele aktive robots dy't multymodale bewegingen en deformaasjes kinne útfiere foar ferskate tapassingen.Zhu et al.hawwe ûntwikkele in floeibere weefsel spier sheet31 dat kin generearje elongation, bûgen, en ferskate deformation moasjes.Buckner et al.Funksjonele fezels yntegrearje yn konvinsjonele weefsels om robotyske weefsels te meitsjen mei meardere funksjes lykas oandriuwing, sensing en fariabele stivens32.Oare metoaden yn dizze kategory kinne fûn wurde yn dizze papers 21, 33, 34, 35.
In resinte oanpak foar it benutten fan 'e superieure eigenskippen fan tekstyl op it mêd fan sêfte robotika is it brûken fan reaktive as stimulus-responsive filaminten om tûke tekstyl te meitsjen mei tradisjonele metoaden foar tekstylfabryk lykas weven, breidzjen en weefmetoaden21,36,37.Ofhinklik fan 'e gearstalling fan it materiaal feroarsake reaktyf garen in feroaring yn foarm as ûnderwurpen wurde oan elektryske, thermyske of drukaksje, wat liedt ta deformaasje fan' e stof.Yn dizze oanpak, wêr't tradisjonele tekstyl yntegreare is yn in sêft robotysk systeem, komt de werfoarming fan 'e tekstyl foar op' e binnenste laach (garen) ynstee fan 'e bûtenste laach.As sadanich biede tûke tekstylen poerbêste ôfhanneling yn termen fan multimodale beweging, programmeerbere deformaasje, stretchability, en de mooglikheid om stivens oan te passen.Bygelyks kinne foarmmemory-legeringen (SMA's) en polymeren foar foarmûnthâld (SMP's) yn stoffen wurde opnommen om har foarm aktyf te kontrolearjen troch thermyske stimulearring, lykas hemming38, rimpelferwidering36,39, tactile en tactile feedback40,41, lykas adaptive wearable klean.apparaten 42.It gebrûk fan termyske enerzjy foar ferwaarming en koeling resulteart lykwols yn trage reaksje en lestige koeling en kontrôle.Mear resint, Hiramitsu et al.McKibben's fine spieren43,44, pneumatyske keunstmjittige spieren, wurde brûkt as kettinggaren om ferskate foarmen fan aktive tekstyl te meitsjen troch de weefstruktuer te feroarjen45.Hoewol dizze oanpak hege krêften leveret, troch de aard fan 'e McKibben-muskel, is har útwreidingsnivo beheind (<50%) en lytse grutte kin net berikt wurde (diameter <0,9 mm).Derneist hat it lestich west om tûke tekstylpatroanen te foarmjen fan weefmetoaden dy't skerpe hoeken nedich binne.Om in breder oanbod fan tûke tekstyl te foarmjen, Maziz et al.Electroactive wearable tekstyl binne ûntwikkele troch breidzjen en weven elektrosensitive polymeer triedden46.
Yn 'e ôfrûne jierren is in nij soarte fan thermosensitive keunstmjittige spieren ûntstien, konstruearre út heul ferdraaide, goedkeape polymearfezels47,48.Dizze fezels binne kommersjeel beskikber en wurde maklik opnommen yn weven of weven om betelbere smart klean te produsearjen.Nettsjinsteande de foarútgong hawwe dizze nije waarmgefoelige tekstylen beheinde reaksjetiden fanwegen de needsaak foar ferwaarming en koeling (bgl .Foarbylden omfetsje radiale útwreiding, transformaasje fan 2D nei 3D foarm, of bi-directional útwreiding, dy't wy hjir oanbiede.
Om dizze earderneamde problemen te oerwinnen, presintearret dit artikel in nije floeistof-oandreaune tûke tekstyl makke fan ús koartlyn yntrodusearre sêfte keunstmjittige spierfezels (AMF) 49,50,51.AMF's binne heul fleksibel, skalberber en kinne wurde fermindere nei in diameter fan 0,8 mm en grutte lingten (op syn minst 5000 mm), en biede in hege aspektferhâlding (lingte nei diameter) en ek hege elongaasje (op syn minst 245%), hege enerzjy effisjinsje, minder dan 20Hz rappe reaksje).Om tûke tekstyl te meitsjen, brûke wy AMF as in aktyf garen om 2D aktive spierlagen te foarmjen troch brei- en weeftechniken.Wy hawwe kwantitatyf studearre de útwreidingssnelheid en krimpkrêft fan dizze "tûke" weefsels yn termen fan floeistofvolumint en levere druk.Analytyske modellen binne ûntwikkele om de ferlingingskrêftferhâlding foar gebreide en weven lekkens te fêstigjen.Wy beskriuwe ek ferskate meganyske programmearring techniken foar tûke tekstyl foar multimodale beweging, ynklusyf bi-directional útwreiding, bûgen, radiale útwreiding, en de mooglikheid om oergong fan 2D nei 3D.Om de krêft fan ús oanpak te demonstrearjen, sille wy AMF ek yntegrearje yn kommersjele stoffen as tekstyl om har konfiguraasje te feroarjen fan passive nei aktive struktueren dy't ferskate deformaasjes feroarsaakje.Wy hawwe dit konsept ek oantoand op ferskate eksperimintele testbanken, ynklusyf programmeerber bûgen fan triedden om winske letters te produsearjen en biologyske struktueren dy't foarm feroarje yn 'e foarm fan objekten lykas flinters, quadrupedal struktueren en blommen.
Tekstyl binne fleksibele twadiminsjonale struktueren foarme út ynweven iendimensjonale triedden lykas garens, triedden en fezels.Tekstyl is ien fan 'e âldste technologyen fan 'e minske en wurdt in protte brûkt yn alle aspekten fan it libben fanwegen syn komfort, oanpassingsfermogen, ademend, estetyk en beskerming.Tûke tekstyl (ek wol tûke klean of robotstoffen neamd) wurde hieltyd mear brûkt yn ûndersyk fanwegen har grutte potinsjeel yn robotapplikaasjes20,52.Tûke tekstyl belooft de minsklike ûnderfining fan ynteraksje mei sêfte objekten te ferbetterjen, in paradigmaferskowing yn te bringen op it fjild wêr't de beweging en krêften fan tinne, fleksibele stof kinne wurde kontroleare om spesifike taken út te fieren.Yn dit papier ûndersykje wy twa oanpakken foar de produksje fan tûke tekstyl basearre op ús resinte AMF49: (1) brûke AMF as in aktyf garen om tûke tekstyl te meitsjen mei tradisjonele technologyen foar tekstylproduksje;(2) Foegje AMF direkt yn tradisjonele stoffen yn om de winske beweging en deformaasje te stimulearjen.
De AMF bestiet út in ynterne silikonbuis om hydraulyske krêft te leverjen en in eksterne spiraalspul om syn radiale útwreiding te beheinen.Sa ferlingje AMF's longitudinaal as druk wurdt tapast en fertoane dêrnei kontraktile krêften om werom te gean nei har oarspronklike lingte as druk wurdt frijlitten.Se hawwe eigenskippen fergelykber mei tradisjonele fezels, ynklusyf fleksibiliteit, lytse diameter en lange lingte.De AMF is lykwols mear aktyf en kontrolearre yn termen fan beweging en krêft dan syn konvinsjonele tsjinhingers.Ynspirearre troch resinte rappe foarútgong yn tûke tekstyl, presintearje wy hjir fjouwer wichtige oanpakken foar it produsearjen fan tûke tekstyl troch AMF ta te passen op in al lang fêstige technology foar stofproduksje (figuer 1).
De earste manier is weaving.Wy brûke weft knitting technology te produsearje in reaktyf breiden stof dy't unfolds yn ien rjochting as hydraulysk actuated.Gebreide lekkens binne heul stretchy en stretchber, mar hawwe de neiging makliker te ûntrafeljen as woven lekkens.Ofhinklik fan 'e kontrôlemetoade kin AMF yndividuele rigen of folsleine produkten foarmje.Neist platte lekkens binne tubular strickende patroanen ek geskikt foar it meitsjen fan AMF holle struktueren.De twadde metoade is weaving, wêrby't wy twa AMF's brûke as warp en weft om in rjochthoekige weven blêd te foarmjen dat selsstannich yn twa rjochtingen útwreidzje kin.Woven lekkens jouwe mear kontrôle (yn beide rjochtingen) dan breide lekkens.Wy woven ek AMF fan tradisjoneel garen om in ienfâldiger weven blêd te meitsjen dat allinich yn ien rjochting kin wurde ôfwikkele.De tredde metoade - radiale útwreiding - is in fariant fan 'e weavingtechnyk, wêrby't de AMP's net yn in rjochthoek sitte, mar yn in spiraal, en de triedden jouwe radiale beheining.Yn dit gefal wreidet de braid radiaal út ûnder de ynlaatdruk.In fjirde oanpak is om de AMF op in blêd fan passive stof te plakjen om in bûgbeweging yn 'e winske rjochting te meitsjen.Wy hawwe it passive breakout board opnij konfigureare yn in aktyf breakout board troch de AMF om syn râne te rinnen.Dizze programmearbere aard fan AMF iepenet ûntelbere mooglikheden foar bio-ynspirearre foarm-transformearjende sêfte struktueren wêr't wy passive objekten kinne omsette yn aktive.Dizze metoade is ienfâldich, maklik en fluch, mar kin de longevity fan it prototype kompromittearje.De lêzer wurdt ferwiisd nei oare oanpak yn 'e literatuer dy't detail de sterke en swakke punten fan elk weefsel eigendom21,33,34,35.
De measte triedden of garens dy't brûkt wurde om tradisjonele stoffen te meitsjen befetsje passive struktueren.Yn dit wurk brûke wy ús earder ûntwikkele AMF, dy't meterlengten en submillimeterdiameters berikke kinne, om tradisjonele passive tekstylgaren te ferfangen troch AFM om yntelliginte en aktive stoffen te meitsjen foar in breder skala oan tapassingen.De folgjende seksjes beskriuwe detaillearre metoaden foar it meitsjen fan tûke tekstylprototypes en presintearje har haadfunksjes en gedrach.
Wy makken trije AMF-jerseys mei de hân mei de weft-strickentechnyk (Fig. 2A).Materiaal seleksje en detaillearre spesifikaasjes foar AMF's en prototypen kinne fûn wurde yn 'e seksje Metoaden.Elke AMF folget in kronkeljende paad (ek wol in rûte neamd) dy't in symmetryske lus foarmet.De loops fan elke rige binne fêst mei loops fan 'e rigen boppe en ûnder har.De ringen fan ien kolom loodrecht op 'e kursus wurde kombinearre yn in skaft.Us gebreide prototype bestiet út trije rigen fan sân stekken (of sân stekken) yn elke rige.De boppe- en ûnderste ringen binne net fêst, sadat wy se oan 'e oerienkommende metalen stokken kinne hechtsje.Knitted prototypes unraveled makliker as konvinsjonele gebreide stoffen fanwege de hegere stivens fan AMF fergelike mei konvinsjonele garens.Dêrom bûnen wy de loops fan neistlizzende rigen mei tinne elastyske koarden.
Ferskate tûke tekstylprototypen wurde ymplementearre mei ferskate AMF-konfiguraasjes.(A) Knitted blêd makke fan trije AMFs.(B) Bidirectional woven blêd fan twa AMF's.(C) In unidirectional woven blêd makke fan AMF en acrylgaren kin in lading fan 500g drage, dat is 192 kear har gewicht (2.6g).(D) Radiaal útwreidzjen struktuer mei ien AMF en katoen garen as radiale beheining.Detaillearre spesifikaasjes kinne fûn wurde yn 'e seksje Metoaden.
Hoewol de zigzag-lussen fan in stricken yn ferskate rjochtingen kinne strekke, wreidet ús prototype breide primêr út yn 'e rjochting fan' e lus ûnder druk troch beheiningen yn 'e reisrjochting.De ferlinging fan elke AMF draacht by oan de útwreiding fan it totale gebiet fan it breide blêd.Ofhinklik fan spesifike easken, kinne wy kontrolearje trije AMFs ûnôfhinklik fan trije ferskillende floeistof boarnen (figuer 2A) of tagelyk út ien floeistof boarne fia in 1-to-3 floeistof distributeur.Op fig.2A toant in foarbyld fan in gebreid prototype, wêrfan it earste gebiet mei 35% tanommen by it tapassen fan druk op trije AMP's (1,2 MPa).Opmerklik, AMF berikt in hege elongation fan op syn minst 250% fan syn oarspronklike lingte49 sadat gebreide lekkens kinne stretch noch mear as hjoeddeistige ferzjes.
Wy makken ek bidirectionele weefblêden foarme út twa AMF's mei de gewoane weeftechnyk (figuer 2B).AMF-ketting en ynslag binne yn rjochte hoeken meiinoar ferweve, en foarmje in ienfâldich kriskras patroan.Us prototype weave waard klassifisearre as in lykwichtige gewoane weef, om't sawol de ketting- as ynslaggaren waarden makke fan deselde garengrutte (sjoch seksje Metoaden foar details).Oars as gewoane triedden dy't skerpe plooien kinne foarmje, fereasket de tapaste AMF in bepaalde bûgstraal by it weromkommen nei in oare tried fan it weefpatroan.Dêrom hawwe weefde lekkens makke fan AMP in legere tichtens yn ferliking mei konvinsjonele weefde tekstyl.AMF-type S (bûtendiameter 1,49 mm) hat in minimale bûgradius fan 1,5 mm.Bygelyks, de prototype weave wy presintearje yn dit artikel hat in 7 × 7 tried patroan dêr't elke krusing wurdt stabilisearre mei in knoop fan tinne elastysk cord.Mei deselde weavingtechnyk kinne jo mear stringen krije.
As de oerienkommende AMF floeistofdruk ûntfangt, wreidet it woven blêd syn gebiet út yn 'e warp- of weftrjochting.Dêrom kontrolearren wy de ôfmjittings fan it flakke blêd (lingte en breedte) troch ûnôfhinklik te feroarjen fan it bedrach fan ynlaatdruk tapast op de twa AMP's.Op fig.2B toant in woven prototype dat útwreide nei 44% fan syn oarspronklike gebiet wylst it tapassen fan druk op ien AMP (1,3 MPa).Mei de simultane aksje fan druk op twa AMF's fergrutte it gebiet mei 108%.
Wy hawwe ek in unidirectional woven blêd makke fan in inkele AMF mei warp en acrylgaren as weft (figuer 2C).De AMF's binne ynrjochte yn sân zigzag rigen en de triedden weve dizze rigen AMF's byinoar om in rjochthoekich blêd fan stof te foarmjen.Dit woven prototype wie tichter as yn figuer 2B, tank oan sêfte acryl triedden dy't maklik fol de hiele sheet.Om't wy mar ien AMF brûke as de warp, kin it weefde blêd allinich útwreidzje nei de warp ûnder druk.Figuer 2C lit in foarbyld sjen fan in woven prototype wêrfan it earste gebiet mei 65% tanimmt mei tanimmende druk (1,3 MPa).Dêrnjonken kin dit flechte stik (mei in gewicht fan 2,6 gram) in lading fan 500 gram ophelje, dat is 192 kear de massa.
Ynstee fan de AMF yn in zigzag-patroan te regeljen om in rjochthoekich weven blêd te meitsjen, makken wy in platte spiraalfoarm fan 'e AMF, dy't dan radiaal beheind waard mei katoengaren om in rûne weven blêd te meitsjen (figuer 2D).De hege rigiditeit fan AMF beheint har filling fan 'e heul sintrale regio fan' e plaat.Dizze padding kin lykwols wurde makke fan elastyske garens as elastyske stoffen.By it ûntfangen fan hydraulyske druk konvertearret de AMP syn longitudinale ferlinging yn in radiale útwreiding fan it blêd.It is ek de muoite wurdich op te merken dat sawol de bûten- en binnendiameter fan 'e spiraalfoarm wurde ferhege troch de radiale beheining fan' e filaminten.Figure 2D lit sjen dat mei in tapaste hydraulyske druk fan 1 MPa de foarm fan in rûne blêd útwreidet nei 25% fan har oarspronklike gebiet.
Wy presintearje hjir in twadde oanpak foar it meitsjen fan tûke tekstyl wêr't wy in AMF oan in flak stik stof lijme en it opnij konfigurearje fan in passive nei in aktyf kontroleare struktuer.It ûntwerpdiagram fan 'e bûgjende drive wurdt werjûn yn fig.3A, wêrby't de AMP yn 't midden wurdt fold en oan in strip fan ûnútwreide stof (katoenen muslinstof) gelijmd mei dûbelsidige tape as kleefstof.Ien kear fersegele is de top fan 'e AMF frij om te ferlingjen, wylst de boaiem wurdt beheind troch de tape en stof, wêrtroch't de strip nei de stof bûcht.Wy kinne elk diel fan 'e bochtaktuator oeral deaktivearje troch gewoan in stripe tape derop te plakjen.In deaktivearre segmint kin net bewege en wurdt in passyf segmint.
Stoffen wurde opnij konfigureare troch AMF te plakjen op tradisjonele stoffen.(A) Design konsept foar in bûgen driuwfear makke troch lijm in opfolde AMF op in net útwreidzjen stof.(B) Bending fan de actuator prototype.(C) Rekonfiguraasje fan in rjochthoekige doek yn in aktive fjouwer-legged robot.Inelastyske stof: katoenen jersey.Stretch stof: polyester.Detaillearre spesifikaasjes kinne fûn wurde yn 'e seksje Metoaden.
Wy makken ferskate prototype bûgeaktuators fan ferskate lingten en drukten se mei hydraulyk om in bûgbeweging te meitsjen (figuer 3B).Wichtich is dat de AMF yn in rjochte line kin wurde lein of fold om meardere triedden te foarmjen en dan op stof te lijm om in bûgjend drive te meitsjen mei it passende oantal triedden.Wy hawwe ek it passive weefselblêd omboud yn in aktive tetrapod-struktuer (figuer 3C), wêr't wy AMF brûkten om de grinzen fan in rjochthoekich ûnútwreiber weefsel (katoenen muslinstof) te routeren.AMP wurdt oan 'e stof befestige mei in stik dûbelsidige tape.It midden fan elke râne wurdt tape om passyf te wurden, wylst de fjouwer hoeken aktyf bliuwe.Stretch stof top cover (polyester) is opsjoneel.De fjouwer hoeken fan 'e stof bûgje (sjocht as skonken) as yndrukt.
Wy bouden in testbank om de eigenskippen fan 'e ûntwikkele smart tekstyl kwantitatyf te studearjen (sjoch de seksje Metoaden en Oanfoljende figuer S1).Sûnt alle samples binne makke fan AMF, is de algemiene trend fan 'e eksperimintele resultaten (Fig. 4) konsekwint mei de wichtichste skaaimerken fan AMF, nammentlik de ynlaatdruk is direkt evenredich mei de útgongsling en omkeard evenredich mei de kompresjekrêft.Dizze tûke stoffen hawwe lykwols unike skaaimerken dy't har spesifike konfiguraasjes reflektearje.
Funksjes smart tekstyl konfiguraasjes.(A, B) Hysteresis-kurven foar ynlaatdruk en ferlinging fan 'e útlaat en krêft foar woven blêden.(C) Utwreiding fan it gebiet fan it weven blêd.(D,E) Relaasje tusken ynput druk en útfier elongation en krêft foar knitwear.(F) Area útwreiding fan radially útwreidzjen struktueren.(G) Bending hoeken fan trije ferskillende lingtes fan bûgen driuwfearren.
Elke AMF fan 'e woven blêd waard ûnderwurpen oan in ynlaat druk fan 1 MPa te generearjen likernôch 30% elongation (Fig. 4A).Wy keas dizze drompel foar it hiele eksperimint om ferskate redenen: (1) om in signifikante ferlinging te meitsjen (sawat 30%) om har hysteresis-kurven te beklamjen, (2) om fytsen te foarkommen fan ferskate eksperiminten en werbrûkbere prototypen dy't resultearje yn tafallige skea of mislearring..ûnder hege floeistofdruk.De deade sône is dúdlik sichtber, en de braid bliuwt bewegingleas oant de ynlaat druk berikt 0,3 MPa.De druk elongation hysteresis plot toant in grutte gat tusken de pompen en loslitte fazen, wat oanjout dat der in signifikant ferlies fan enerzjy doe't de woven sheet feroaret syn beweging fan útwreiding nei krimp.(Fig. 4A).Nei it krijen fan in ynlaatdruk fan 1 MPa, koe it weefde blêd in krimpkrêft fan 5,6 N útoefenje (fig. 4B).De druk-krêft hysteresis plot lit ek sjen dat de reset curve hast oerlapet mei de druk build-up curve.De gebietsútwreiding fan it weefde blêd wie ôfhinklik fan de hoemannichte druk tapast op elk fan 'e twa AMF's, lykas werjûn yn' e 3D-oerflakplot (figuer 4C).Eksperiminten litte sjen dat in woven blêd in gebietsútwreiding fan 66% kin produsearje as syn warp- en weft-AMF's tagelyk ûnderwurpen wurde oan in hydraulyske druk fan 1 MPa.
De eksperimintele resultaten foar it breide blêd litte in fergelykber patroan sjen as it weefde blêd, ynklusyf in breed hysteresis-gap yn it spanning-drukdiagram en oerlappende druk-krêftkurven.It breide blêd liet in ferlinging fan 30% sjen, wêrnei't de kompresjekrêft 9 N wie by in ynlaatdruk fan 1 MPa (Fig. 4D, E).
Yn it gefal fan in rûne woven sheet, syn earste gebiet ferhege mei 25% yn ferliking mei de earste gebiet nei bleatstelling oan in floeibere druk fan 1 MPa (Fig. 4F).Foardat de stekproef begjint te wreidzjen, der is in grutte ynlaat druk deade sône oant 0,7 MPa.Dizze grutte deade sône waard ferwachte, om't de samples waarden makke fan gruttere AMF's dy't hegere druk nedich wiene om har earste stress te oerwinnen.Op fig.4F lit ek sjen dat de release kromme hast oerienkomt mei de druk ferheging kromme, wat oanjout bytsje enerzjy ferlies as de skiif beweging wurdt oerskeakele.
Eksperimintele resultaten foar de trije bûge actuators (weefsel rekonfiguraasje) litte sjen dat harren hysteresis curves hawwe in ferlykber patroan (Figure 4G), dêr't se belibje in ynlaat druk deade sône fan maksimaal 0,2 MPa foar it opheffen.Wy hawwe itselde folume fan flüssigens (0,035 ml) tapast op trije bûgdriuwen (L20, L30 en L50 mm).Elke actuator belibbe lykwols ferskate drukpieken en ûntwikkele ferskate bûghoeken.De L20 en L30 mm actuators belibbe in ynlaat druk fan 0,72 en 0,67 MPa, berikken bûge hoeken fan 167 ° en 194 ° respektivelik.De langste bûgdriuw (lingte 50 mm) stie in druk fan 0,61 MPa en berikte in maksimale bûghoek fan 236°.De drukhoekhysteresis-plots lieten ek relatyf grutte gatten sjen tusken de druk- en loslittingskurven foar alle trije bûgedriuwen.
De relaasje tusken ynput folume en útfier eigenskippen (elongation, krêft, gebiet útwreiding, bûgen hoek) foar de boppesteande tûke tekstyl konfiguraasjes is te finen yn oanfoljende figuer S2.
De eksperimintele resultaten yn 'e foarige seksje litte dúdlik de proporsjonele relaasje sjen tusken tapaste ynlaatdruk en outletferlinging fan AMF-samples.Hoe sterker de AMB wurdt spand, hoe grutter de ferlinging dy't it ûntwikkelt en hoe mear elastyske enerzjy it sammelet.Dêrom, hoe grutter de kompresjekrêft dy't it oefenet.De resultaten lieten ek sjen dat de eksimplaren har maksimale kompresjekrêft berikten doe't de ynlaatdruk folslein fuorthelle waard.Dizze seksje hat as doel om in direkte relaasje te fêstigjen tusken ferlinging en maksimale krimpkrêft fan gebreide en weefde lekkens troch analytyske modellering en eksperimintele ferifikaasje.
De maksimale kontraktile krêft Fout (by ynlaatdruk P = 0) fan in inkele AMF waard jûn yn ref 49 en wer yntrodusearre as folget:
Under harren binne α, E en A0 respektivelik de stretchfaktor, Young's modulus, en dwerstrochsneedgebiet fan 'e silikonbuis;k is de stivensskoëffisjint fan 'e spiraalspul;x en li binne offset en initial lingte.AMP, respektivelik.
de juste fergeliking.(1) Nim stricken en woven blêden as foarbyld (Fig. 5A, B).De krimpkrêften fan it breide produkt Fkv en it weefde produkt Fwh wurde respektivelik útdrukt troch fergeliking (2) en (3).
wêr't mk it oantal loops is, φp is de lushoeke fan 'e breide stof by ynjeksje (fig. 5A), mh is it oantal triedden, θhp is de oangryphoek fan 'e breide stof by ynjeksje (figuer 5B), εkv εwh is it breide blêd en de deformaasje fan it weefde blêd, F0 is de earste spanning fan 'e spiraalspul.Detaillearre ôflieding fan de fergeliking.(2) en (3) kinne fûn wurde yn 'e stypjende ynformaasje.
Meitsje in analytysk model foar de ferlinging-krêft relaasje.(A,B) Analytyske modelyllustraasjes foar respektivelik breide en weefde lekkens.(C, D) Fergeliking fan analytyske modellen en eksperimintele gegevens foar breide en woven blêden.RMSE Root betsjut fjouwerkante flater.
Om it ûntwikkele model te testen, hawwe wy elongaasje-eksperiminten útfierd mei de breide patroanen yn Fig. 2A en braided samples yn Fig. 2B.Kontraksjekrêft waard mjitten yn stappen fan 5% foar elke beskoattele útwreiding fan 0% oant 50%.De gemiddelde en standertdeviaasje fan 'e fiif proeven wurde presintearre yn figuer 5C (knit) en figuer 5D (knit).De krommen fan it analytysk model wurde beskreaun troch fergelikingen.Parameters (2) en (3) wurde jûn yn tabel.1. De resultaten litte sjen dat it analytyske model yn goed oerienstimming is mei de eksperimintele gegevens oer it hiele elongaasjeberik mei in root mean square error (RMSE) fan 0,34 N foar knitwear, 0,21 N foar woven AMF H (horizontale rjochting) en 0,17 N foar woven AMF.V (fertikale rjochting).
Njonken de basisbewegingen kinne de foarstelde tûke tekstylen meganysk wurde programmearre om mear komplekse bewegingen te leverjen lykas S-bocht, radiale krimp, en 2D nei 3D deformaasje.Wy presintearje hjir ferskate metoaden foar it programmearjen fan platte smart tekstyl yn winske struktueren.
Neist it útwreidzjen fan it domein yn 'e lineêre rjochting, kinne unidirectional woven sheets meganysk programmearre wurde om multimodale beweging te meitsjen (figuer 6A).Wy konfigurearje de útwreiding fan 'e flechte blêd opnij as in bûgbeweging, beheine ien fan har gesichten (boppe of ûnderen) mei naaigaren.De blêden hawwe de neiging om ûnder druk nei it grinzen oerflak te bûgen.Op fig.6A toant twa foarbylden fan woven panielen dy't wurden S-foarmige as de iene helte is krap oan de boppekant en de oare helte is krap oan de ûnderkant.As alternatyf kinne jo in sirkelfoarmige bûgebeweging meitsje wêr't allinich it heule gesicht beheind is.In unidirectional braided sheet kin ek makke wurde yn in kompresje sleeve troch it ferbinen syn twa úteinen yn in tubular struktuer (figuer 6B).De mouw wurdt oer de wiisfinger fan in persoan droegen om kompresje te leverjen, in foarm fan massaazjeterapy om pine te ferminderjen of sirkulaasje te ferbetterjen.It kin wurde skalearre om oare lichemsdielen te passen lykas earms, heupen en skonken.
Mooglikheid om lekkens yn ien rjochting te weven.(A) Skepping fan ferfoarme struktueren troch de programmearberens fan 'e foarm fan naaigaren.(B) Finger kompresje sleeve.(C) In oare ferzje fan 'e braided sheet en syn ymplemintaasje as in forearm kompresje sleeve.(D) In oare kompresje sleeve prototype makke fan AMF type M, acryl garen en klittenband riemen.Detaillearre spesifikaasjes kinne fûn wurde yn 'e seksje Metoaden.
Figuer 6C lit in oar foarbyld sjen fan in unidirectional woven blêd makke fan ien AMF en katoenen garen.It blêd kin útwreidzje mei 45% yn gebiet (by 1,2 MPa) of feroarsaakje sirkulêre beweging ûnder druk.Wy hawwe ek in blêd opnommen om in kompresjehuls foar foarearm te meitsjen troch magnetyske riemen oan 'e ein fan it blêd te befestigjen.In oare prototype forearm kompresje sleeve wurdt werjûn yn figuer 6D, dêr't unidirectional braided blêden waarden makke fan Type M AMF (sjoch Metoaden) en acryl garen te generearjen sterker kompresje krêften.Wy hawwe de úteinen fan 'e blêden útrist mei klittenbandriemen foar maklike befestiging en foar ferskate hângrutte.
De restraint technyk, dy't konvertearret lineêre útwreiding yn bûgen beweging, is ek fan tapassing op bidirectionele woven lekkens.Wy weve de katoenen triedden oan 'e iene kant fan' e warp en weft woven blêden sadat se net útwreidzje (Fig. 7A).Sa, doe't twa AMFs ûntfange hydraulyske druk ûnôfhinklik fan elkoar, it blêd ûndergiet in bi-directional bûge beweging te foarmjen in willekeurige trijediminsjonale struktuer.Yn in oare oanpak brûke wy ûnútwreide garen om ien rjochting fan bidirectionele weven lekkens te beheinen (figuer 7B).Sa kin it blêd selsstannige bûge- en stretchbewegingen meitsje as de oerienkommende AMF ûnder druk stiet.Op fig.7B lit in foarbyld sjen wêryn in bidireksjoneel flechte blêd wurdt kontrolearre om twa-tredde fan in minsklike finger mei in bûgjende beweging te wrapjen en dan syn lingte út te wreidzjen om de rest te dekken mei in stretchbeweging.De twa-wei beweging fan lekkens kin nuttich wêze foar moadeûntwerp as tûke kleanûntwikkeling.
Bi-direksjoneel woven blêd, gebreide blêd en radiaal útwreide ûntwerpmooglikheden.(A) Bi-directional bonded bi-directional wicker panielen te meitsjen in bi-directional bocht.(B) Unidirectionally beheinde bidirectionele rieten panielen produsearje flex en ferlinging.(C) Heech elastysk breide blêd, dat kin oanpasse oan ferskate oerflakkromme en sels buisfoarmige struktueren foarmje.(D) ôfskieding fan it sintrum line fan in radiaal útwreidzjen struktuer foarmje in hyperbolic parabolic foarm (ierdappelchips).
Wy ferbûn twa neistlizzende loops fan 'e boppeste en legere rigen fan it stricken diel mei sewingdraad, sadat it net ûntbrekke soe (Fig. 7C).Sa is it weefde blêd folslein fleksibel en past him goed oan ferskate oerflakkurven, lykas it hûdflak fan minsklike hannen en earms.Wy hawwe ek in tubular struktuer (sleeve) makke troch it ferbinen fan de úteinen fan it gebreide diel yn 'e reisrjochting.De mouwe wraps goed om de wiisfinger fan 'e persoan (fig. 7C).De sinuositeit fan 'e weefde stof soarget foar poerbêste fit en ferfoarming, wêrtroch it maklik te brûken is yn smart wear (handschoenen, kompresjemouwen), komfort (fia fit) en therapeutysk effekt (troch kompresje).
Neist 2D radiale útwreiding yn meardere rjochtingen, kinne sirkulêre woven blêden ek programmearre wurde om 3D-struktueren te foarmjen.Wy beheine de middenline fan 'e rûne braid mei acrylgaren om syn unifoarme radiale útwreiding te fersteuren.As gefolch, de oarspronklike platte foarm fan de rûne woven sheet waard omfoarme ta in hyperbolic parabolic foarm (of potato chips) nei pressurization (fig. 7D).Dit fermogen om foarm te feroarjen koe wurde ymplementearre as in liftmeganisme, in optyske lens, mobile robotpoaten, of kin nuttich wêze yn moadeûntwerp en bionyske robots.
Wy hawwe ûntwikkele in ienfâldige technyk foar it meitsjen fan flexural driuwfearren troch gluing AMF op in strip fan net-stretch stof (figuer 3).Wy brûke dit konsept foar it meitsjen fan foarm programmearbere triedden dêr't wy kinne strategysk fersprieden meardere aktive en passive seksjes yn ien AMF te meitsjen winske foarmen.Wy fabrisearre en programmearre fjouwer aktive filaminten dy't koe feroarje harren foarm fan rjocht nei letter (UNSW) as druk waard ferhege (Supplementary Fig. S4).Dizze ienfâldige metoade lit de deformabiliteit fan 'e AMF 1D-rigels omsette yn 2D-foarmen en mooglik sels 3D-struktueren.
Yn in ferlykbere oanpak brûkten wy in inkele AMF om in stik fan passive normaal weefsel yn in aktive tetrapod te konfigurearjen (fig. 8A).Routing- en programmearring konsepten binne fergelykber mei dy werjûn yn figuer 3C.Lykwols, ynstee fan rjochthoekige lekkens, se begûn te brûken stoffen mei in quadrupedal patroan (skilpad, katoen muslin).Dêrom binne de skonken langer en kin de struktuer heger wurde.De hichte fan 'e struktuer nimt stadichoan ta ûnder druk oant syn skonken loodrecht op' e grûn steane.As de ynlaatdruk trochgiet te ferheegjen, sille de skonken nei binnen sakje, en de hichte fan 'e struktuer ferleegje.Tetrapods kinne beweging útfiere as har skonken binne foarsjoen fan ienrjochtingspatroanen of meardere AMF's brûke mei strategyen foar bewegingsmanipulaasje.Sêfte bewegingsrobots binne nedich foar in ferskaat oan taken, ynklusyf rêdingen fan wyldbrannen, ynstoarte gebouwen of gefaarlike omjouwings, en robots foar medyske drugsferliening.
De stof is opnij konfigureare om foarmferoarjende struktueren te meitsjen.(A) Lijm de AMF oan 'e grins fan' e passive stofblêd, en draaie it yn in stjoerbere fjouwer-legged struktuer.(BD) Twa oare foarbylden fan weefsel rekonfiguraasje, omsette passive flinters en blommen yn aktive.Non-stretch stof: gewoane katoenen mousseline.
Wy profitearje ek fan 'e ienfâld en veelzijdigheid fan dizze technyk foar rekonfiguraasje fan weefsel troch twa ekstra bio-ynspireare struktueren yn te fieren foar werfoarming (figueren 8B-D).Mei in routable AMF wurde dizze foarm-ferfoarmbere struktueren opnij konfigureare fan blêden fan passive weefsel nei aktive en stjoerbere struktueren.Ynspirearre troch de monarchflinter makken wy in transformearjende flinterstruktuer mei in stik flinterfoarmige stof (katoenmuslin) en in lang stik AMF fêst ûnder de wjukken.As de AMF ûnder druk stiet, falt de wjukken omheech.Lykas de Monarch Butterfly, de lofter- en rjochterwjukken fan 'e Butterfly Robot flapje deselde manier, om't se beide wurde regele troch de AMF.Butterfly flappen binne allinnich foar werjefte doelen.It kin net fleane lykas Smart Bird (Festo Corp., Feriene Steaten).Wy makken ek in stofblom (figuer 8D) besteande út twa lagen fan elk fiif petalen.Wy pleatse de AMF ûnder elke laach nei de bûtenkant fan 'e petalen.Yn earste ynstânsje binne de blommen yn folle bloei, mei alle petalen folslein iepen.Under druk feroarsake de AMF in bûgjende beweging fan 'e petalen, wêrtroch't se slute.De twa AMF's selsstannich kontrolearje de beweging fan 'e twa lagen, wylst de fiif petalen fan ien laach tagelyk bûgje.
Post tiid: Dec-26-2022