Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном.Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда одједном или користите дугмад клизача на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
Комбиновање текстила и вештачких мишића за стварање паметног текстила привлачи велику пажњу како научне тако и индустријске заједнице.Паметни текстил нуди многе предности, укључујући прилагодљиву удобност и висок степен усклађености са објектима, истовремено пружајући активно активирање за жељено кретање и снагу.Овај чланак представља нову класу програмабилних паметних тканина направљених коришћењем различитих метода ткања, ткања и лепљења вештачких мишићних влакана вођених течношћу.Развијен је математички модел за опис односа силе истезања плетених и тканих текстилних лимова, а затим је експериментално испитана његова валидност.Нови „паметни“ текстил карактерише висока флексибилност, конформалност и механичко програмирање, омогућавајући мултимодално кретање и могућности деформације за шири спектар примена.Експерименталном верификацијом створени су различити прототипови паметног текстила, укључујући различите случајеве промене облика као што су издуживање (до 65%), проширење површине (108%), радијално ширење (25%) и кретање савијања.Такође се истражује концепт реконфигурације пасивних традиционалних ткива у активне структуре за биомиметичко обликовање структура.Очекује се да ће предложени паметни текстил олакшати развој паметних носивих уређаја, хаптичких система, биомиметичких меких робота и носиве електронике.
Крути роботи су ефикасни када раде у структурираним окружењима, али имају проблема са непознатим контекстом променљивог окружења, што ограничава њихову употребу у претраживању или истраживању.Природа наставља да нас изненађује многим инвентивним стратегијама за суочавање са спољним факторима и разноврсношћу.На пример, витице биљака пењачица изводе мултимодалне покрете, као што су савијање и спирално кретање, да би истражили непознато окружење у потрази за одговарајућим ослонцем1.Венерина мухоловка (Дионаеа мусципула) има осетљиве длаке на листовима које, када се активирају, шкљоцну на своје место да би ухватиле плен2.Последњих година, деформација или деформација тела од дводимензионалних (2Д) површина до тродимензионалних (3Д) облика који опонашају биолошке структуре постала је занимљива тема истраживања3,4.Ове меке роботске конфигурације мењају облик да би се прилагодиле променљивим окружењима, омогућиле мултимодалну локомоцију и примениле силе за обављање механичког рада.Њихов домет се проширио на широк спектар роботских апликација, укључујући размјењиве5, реконфигурабилне и самосклопиве роботе6,7, биомедицинске уређаје8, возила9,10 и прошириву електронику11.
Урађено је много истраживања како би се развиле програмабилне равне плоче које се, када се активирају, трансформишу у сложене тродимензионалне структуре3.Једноставна идеја за стварање деформабилних структура је комбиновање слојева различитих материјала који се савијају и наборају када су изложени стимулансима12,13.Јанбаз и др.14 и Ли ет ал.15 су имплементирали овај концепт за креирање мултимодалних деформабилних робота осетљивих на топлоту.Структуре засноване на оригамију које садрже елементе који реагују на стимуланс коришћене су за креирање сложених тродимензионалних структура16,17,18.Инспирисани морфогенезом биолошких структура, Еммануел ет ал.Еластомери који могу деформисати облик се стварају организовањем ваздушних канала унутар гумене површине који се под притиском претварају у сложене, произвољне тродимензионалне облике.
Интеграција текстила или тканина у деформабилне меке роботе је још један нови концепт пројекта који је изазвао широко интересовање.Текстил су мекани и еластични материјали направљени од предива техникама ткања као што су плетење, ткање, плетење или ткање чворова.Невероватна својства тканина, укључујући флексибилност, пристајање, еластичност и прозрачност, чине их веома популарним у свему, од одеће до медицинских примена20.Постоје три широка приступа укључивању текстила у роботику21.Први приступ је коришћење текстила као пасивне подлоге или основе за друге компоненте.У овом случају, пасивни текстил обезбеђује удобно пристајање за корисника када носи круте компоненте (мотори, сензори, напајање).Већина меких носивих робота или меких егзоскелета потпада под овај приступ.На пример, мекани носиви егзоскелети за помагала за ходање 22 и помагала за лактове 23, 24, 25, меке носиве рукавице 26 за помагала за руке и прсте и бионичке меке роботе 27.
Други приступ је коришћење текстила као пасивне и ограничене компоненте меких роботских уређаја.Покретачи засновани на текстилу спадају у ову категорију, где је тканина обично направљена као спољни контејнер који садржи унутрашње црево или комору, формирајући актуатор ојачан меким влакнима.Када су подвргнути екстерном пнеуматском или хидрауличном извору, ови меки актуатори пролазе кроз промене у облику, укључујући издуживање, савијање или увртање, у зависности од њиховог оригиналног састава и конфигурације.На пример, Талман ет ал.Ортопедска одећа за глежањ, која се састоји од низа џепова од тканине, уведена је да би се олакшала плантарна флексија да би се вратио ход28.Текстилни слојеви различите растезљивости могу се комбиновати да би се створило анизотропно кретање 29 .ОмниСкинс – меке роботске коже направљене од разних меких покретача и материјала супстрата могу трансформисати пасивне објекте у мултифункционалне активне роботе који могу да изводе мултимодалне покрете и деформације за различите примене.Зху ет ал.развили су мишићни слој течног ткива31 који може да генерише издуживање, савијање и различите покрете деформације.Буцкнер ет ал.Интегришите функционална влакна у конвенционална ткива да бисте створили роботска ткива са вишеструким функцијама као што су активирање, сенсинг и променљива крутост32.Друге методе у овој категорији могу се наћи у овим радовима 21, 33, 34, 35.
Недавни приступ искоришћавању супериорних својстава текстила у области меке роботике је употреба реактивних или на стимуланс филамената за креирање паметних текстила користећи традиционалне методе производње текстила као што су методе ткања, плетења и ткања21,36,37.У зависности од састава материјала, реактивно предиво изазива промену облика када је подвргнуто електричном, термичком или притиску, што доводи до деформације тканине.У овом приступу, где је традиционални текстил интегрисан у меки роботски систем, преобликовање текстила се дешава на унутрашњем слоју (предиви), а не на спољашњем слоју.Као такав, паметни текстил нуди одлично руковање у смислу мултимодалног кретања, програмабилне деформације, растезљивости и могућности подешавања крутости.На пример, легуре са меморијом облика (СМА) и полимери са меморијом облика (СМП) могу се уградити у тканине како би активно контролисали њихов облик кроз термичку стимулацију, као што је обруб38, уклањање бора36,39, тактилне и тактилне повратне информације40,41, као и прилагодљиве одећа која се може носити.уређаји 42 .Међутим, коришћење топлотне енергије за грејање и хлађење резултира спорим одзивом и отежаним хлађењем и контролом.Недавно су Хирамитсу ет ал.Мекибенови фини мишићи43,44, пнеуматски вештачки мишићи, користе се као предива основе за стварање различитих облика активног текстила променом структуре ткања45.Иако овај приступ обезбеђује велике силе, због природе МцКиббен мишића, брзина његовог ширења је ограничена (< 50%) и мала величина се не може постићи (пречник < 0,9 мм).Поред тога, било је тешко формирати паметне текстилне шаре од метода ткања које захтевају оштре углове.Да би формирали шири спектар паметних текстила, Мазиз ет ал.Електроактивни носиви текстили развијени су плетењем и ткањем електроосетљивих полимерних нити46.
Последњих година појавио се нови тип термосензитивног вештачког мишића, конструисаног од високо уврнутих, јефтиних полимерних влакана47,48.Ова влакна су комерцијално доступна и лако се уграђују у ткање или ткање за производњу приступачне паметне одеће.Упркос напретку, ови нови текстили осетљиви на топлоту имају ограничено време одзива због потребе за грејањем и хлађењем (нпр. текстил са контролисаном температуром) или због потешкоћа у прављењу сложених плетених и тканих узорака који се могу програмирати да генеришу жељене деформације и покрете. .Примери укључују радијално проширење, 2Д у 3Д трансформацију облика или двосмерно проширење, које нудимо овде.
Да би се превазишли ови горе поменути проблеми, овај чланак представља нови паметни текстил вођен флуидом направљен од наших недавно представљених меких вештачких мишићних влакана (АМФ)49,50,51.АМФ-ови су веома флексибилни, скалабилни и могу се смањити на пречник од 0,8 мм и велике дужине (најмање 5000 мм), нудећи висок однос ширине и висине (дужина према пречнику) као и велико издужење (најмање 245%), високу енергију ефикасност, мањи од 20Хз брзи одзив).Да бисмо креирали паметни текстил, користимо АМФ као активно предиво за формирање 2Д активних мишићних слојева кроз технике плетења и ткања.Квантитативно смо проучавали брзину експанзије и силу контракције ових „паметних“ ткива у смислу запремине течности и испорученог притиска.Развијени су аналитички модели за утврђивање односа сила истезања за плетене и ткане лимове.Такође описујемо неколико техника механичког програмирања за паметне текстиле за мултимодално кретање, укључујући двосмерно проширење, савијање, радијално ширење и могућност преласка са 2Д на 3Д.Да бисмо демонстрирали снагу нашег приступа, такође ћемо интегрисати АМФ у комерцијалне тканине или текстил да променимо њихову конфигурацију из пасивне у активне структуре које изазивају различите деформације.Такође смо демонстрирали овај концепт на неколико експерименталних тестних столова, укључујући програмабилно савијање нити за производњу жељених слова и биолошких структура које мењају облик у облику објеката као што су лептири, четвороножне структуре и цвеће.
Текстил су флексибилне дводимензионалне структуре формиране од испреплетених једнодимензионалних нити као што су предива, нити и влакна.Текстил је једна од најстаријих технологија човечанства и има широку примену у свим аспектима живота због своје удобности, прилагодљивости, прозрачности, естетике и заштите.Паметни текстил (познат и као паметна одећа или роботске тканине) се све више користи у истраживањима због њиховог великог потенцијала у роботским апликацијама20,52.Паметни текстил обећава да ће побољшати људско искуство интеракције са меким предметима, уводећи промену парадигме у пољу где се кретање и силе танке, флексибилне тканине могу контролисати за обављање специфичних задатака.У овом раду истражујемо два приступа производњи паметног текстила на основу нашег недавног АМФ49: (1) користити АМФ као активно предиво за креирање паметног текстила користећи традиционалне технологије производње текстила;(2) убаците АМФ директно у традиционалне тканине да бисте стимулисали жељено кретање и деформацију.
АМФ се састоји од унутрашње силиконске цеви за снабдевање хидрауличком снагом и спољашњег спиралног намотаја који ограничава његово радијално ширење.Дакле, АМФ се издужују уздужно када се примени притисак и након тога показују контрактилне силе да се врате на своју првобитну дужину када се притисак ослободи.Имају својства слична традиционалним влакнима, укључујући флексибилност, мали пречник и дугу дужину.Међутим, АМФ је активнији и контролисан у смислу кретања и снаге од својих конвенционалних колега.Инспирисани недавним брзим напретком паметног текстила, овде представљамо четири главна приступа производњи паметног текстила применом АМФ-а на давно успостављену технологију производње тканина (Слика 1).
Први начин је ткање.Користимо технологију плетења потке за производњу реактивне плетене тканине која се одвија у једном правцу када се хидраулички активира.Плетени чаршави су веома растезљиви и растезљиви, али имају тенденцију да се лакше одмотају од тканих чаршава.У зависности од методе контроле, АМФ може формирати појединачне редове или комплетне производе.Поред равних листова, цевасти узорци за плетење су такође погодни за производњу шупљих структура АМФ.Други метод је ткање, где користимо два АМФ-а као основу и потку да формирамо правоугаони ткани лист који се може ширити независно у два смера.Ткани чаршави пружају већу контролу (у оба смера) од плетених листова.Такође смо ткали АМФ од традиционалног предива да бисмо направили једноставнији ткани лим који се може одмотати само у једном правцу.Трећи метод - радијално ширење - је варијанта технике ткања, у којој се АМП налазе не у правоугаонику, већ у спирали, а нити обезбеђују радијално ограничење.У овом случају, плетеница се радијално шири под улазним притиском.Четврти приступ је да се АМФ залепи на лист пасивне тканине да се створи покрет савијања у жељеном правцу.Реконфигурисали смо пасивну разводну плочу у активну разводну плочу тако што смо АМФ покренули око њене ивице.Ова програмабилна природа АМФ-а отвара безброј могућности за био-инспирисане меке структуре које трансформишу облик где можемо да претворимо пасивне објекте у активне.Овај метод је једноставан, лак и брз, али може угрозити дуговечност прототипа.Читалац се упућује на друге приступе у литератури који детаљно описују снаге и слабости сваког својства ткива21,33,34,35.
Већина нити или предива који се користе за прављење традиционалних тканина садрже пасивне структуре.У овом раду користимо наш претходно развијен АМФ, који може да достигне метарске дужине и субмилиметарске пречнике, да заменимо традиционално пасивно текстилно предиво са АФМ-ом како бисмо створили интелигентне и активне тканине за шири спектар примена.Следећи одељци описују детаљне методе за прављење паметних прототипова текстила и представљају њихове главне функције и понашања.
Три АМФ дреса смо ручно израдили техником плетења потком (Сл. 2А).Избор материјала и детаљне спецификације за АМФ и прототипове могу се наћи у одељку Методе.Сваки АМФ прати вијугаву путању (која се назива и рута) која формира симетричну петљу.Петље сваког реда су фиксиране петљама редова изнад и испод њих.Прстенови једне колоне окомито на курс су комбиновани у осовину.Наш плетени прототип се састоји од три реда по седам шавова (или седам шавова) у сваком реду.Горњи и доњи прстенови нису фиксирани, тако да их можемо причврстити на одговарајуће металне шипке.Плетени прототипови су се лакше расплитали од конвенционалних плетених тканина због веће крутости АМФ-а у поређењу са конвенционалним предивама.Због тога смо везали петље суседних редова танким еластичним гајтанима.
Различити прототипови паметног текстила се имплементирају са различитим АМФ конфигурацијама.(А) Плетени чаршав направљен од три АМФ-а.(Б) Двосмерни ткани лист од два АМФ-а.(Ц) Једносмерни ткани лим направљен од АМФ и акрилног предива може да поднесе оптерећење од 500 г, што је 192 пута више од његове тежине (2,6 г).(Д) Радијално шири структура са једним АМФ и памучним предивом као радијалним ограничењем.Детаљне спецификације можете пронаћи у одељку Методе.
Иако се цик-цак петље плетива могу растегнути у различитим правцима, наш прототип плетива се шири првенствено у правцу петље под притиском због ограничења у смеру кретања.Продужење сваког АМФ-а доприноси проширењу укупне површине плетеног листа.У зависности од специфичних захтева, можемо контролисати три АМФ-а независно из три различита извора течности (Слика 2А) или истовремено из једног извора течности преко 1-до-3 дистрибутера течности.На сл.2А приказује пример плетеног прототипа, чија се почетна површина повећала за 35% док се врши притисак на три АМП (1,2 МПа).Значајно је да АМФ постиже велико издужење од најмање 250% своје оригиналне дужине49, тако да се плетени чаршави могу растегнути чак и више од тренутних верзија.
Такође смо креирали двосмерне листове ткања формиране од два АМФ-а користећи технику обичног ткања (слика 2Б).АМФ основа и потка су испреплетени под правим углом, формирајући једноставну укрштену шару.Наш прототип ткања је класификован као балансирано обично ткање јер су и предиво основе и потке направљене од исте величине пређе (погледајте одељак Методе за детаље).За разлику од обичних нити које могу да формирају оштре наборе, примењени АМФ захтева одређени радијус савијања када се враћа на другу нит узорка ткања.Због тога, ткани листови направљени од АМП-а имају мању густину у поређењу са конвенционалним тканим текстилом.АМФ-тип С (спољни пречник 1,49 мм) има минимални радијус савијања од 1,5 мм.На пример, прототип ткања који представљамо у овом чланку има узорак нити 7×7 где је сваки пресек стабилизован чвором танке еластичне врпце.Користећи исту технику ткања, можете добити више праменова.
Када одговарајући АМФ прими притисак течности, ткани лист шири своју површину у правцу основе или потке.Због тога смо контролисали димензије плетене плоче (дужину и ширину) независном променом количине улазног притиска примењеног на два АМП-а.На сл.2Б приказује ткани прототип који се проширио на 44% своје првобитне површине док је вршио притисак на један АМП (1,3 МПа).Истовременим дејством притиска на два АМФ-а, површина се повећала за 108%.
Такође смо направили једносмерни ткани лим од једног АМФ-а са основном и акрилном пређом као потком (слика 2Ц).АМФ-ови су распоређени у седам цик-цак редова и нити ткају ове редове АМФ-а заједно да формирају правоугаони лист тканине.Овај ткани прототип био је гушћи него на слици 2Б, захваљујући меким акрилним нитима које су лако испуњавале цео лист.Пошто користимо само један АМФ као основу, ткани лист се може само под притиском проширити према основи.Слика 2Ц приказује пример тканог прототипа чија се почетна површина повећава за 65% са повећањем притиска (1,3 МПа).Поред тога, овај плетени комад (тежак 2,6 грама) може да подигне терет од 500 грама, што је 192 пута више од његове масе.
Уместо да распоређујемо АМФ у цик-цак шаблону да бисмо створили правоугаони ткани лим, направили смо равни спирални облик АМФ-а, који је затим радијално ограничен памучним пређом да би се направио округли ткани лист (слика 2Д).Висока крутост АМФ-а ограничава његово пуњење у самом централном делу плоче.Међутим, ова подстава може бити направљена од еластичног предива или еластичне тканине.По пријему хидрауличког притиска, АМП претвара своје уздужно издужење у радијално проширење лима.Такође је вредно напоменути да су и спољашњи и унутрашњи пречници спиралног облика повећани због радијалног ограничења филамената.Слика 2Д показује да се са примењеним хидрауличким притиском од 1 МПа, облик округлог лима шири на 25% своје првобитне површине.
Овде представљамо други приступ прављењу паметног текстила где лепимо АМФ на раван комад тканине и реконфигуришемо га из пасивне у активно контролисану структуру.Дијаграм дизајна погона за савијање је приказан на сл.3А, где је АМП пресавијен по средини и залепљен на траку од нерастезљиве тканине (памучна муслинска тканина) користећи двострану траку као лепак.Једном запечаћен, горњи део АМФ-а се може слободно проширити, док је дно ограничено траком и тканином, због чега се трака савија према тканини.Можемо деактивирати било који део актуатора савијања било где једноставним лепљењем траке траке на њега.Деактивирани сегмент се не може померити и постаје пасивни сегмент.
Тканине се реконфигуришу лепљењем АМФ-а на традиционалне тканине.(А) Концепт дизајна за погон за савијање направљен лепљењем пресавијеног АМФ-а на нерастављиву тканину.(Б) Савијање прототипа актуатора.(Ц) Реконфигурација правоугаоне тканине у активног четвороножног робота.Нееластична тканина: памучни дрес.Растезљива тканина: полиестер.Детаљне спецификације можете пронаћи у одељку Методе.
Направили смо неколико прототипа актуатора за савијање различитих дужина и ставили их под притисак хидрауликом да бисмо створили кретање савијања (слика 3Б).Важно је да се АМФ може поставити у праву линију или пресавијати да формира више нити, а затим залепити за тканину како би се створио погон за савијање са одговарајућим бројем нити.Такође смо претворили пасивни лист ткива у активну структуру тетрапода (слика 3Ц), где смо користили АМФ да усмеримо границе правоугаоног нерастегљивог ткива (памучна муслинска тканина).АМП је причвршћен за тканину помоћу комада двостране траке.Средина сваке ивице је залепљена да постане пасивна, док четири угла остају активна.Горњи поклопац од растезљиве тканине (полиестер) није обавезан.Четири угла тканине се савијају (изгледају као ноге) када се притисну.
Направили смо испитни сто за квантитативно проучавање својстава развијених паметних текстила (погледајте одељак Методе и додатну слику С1).Пошто су сви узорци направљени од АМФ, општи тренд експерименталних резултата (слика 4) је у складу са главним карактеристикама АМФ, наиме, улазни притисак је директно пропорционалан излазном издужењу и обрнуто пропорционалан сили компресије.Међутим, ове паметне тканине имају јединствене карактеристике које одражавају њихове специфичне конфигурације.
Садржи паметне текстилне конфигурације.(А, Б) Хистерезне криве за улазни притисак и излазно издужење и силу за ткане лимове.(Ц) Проширење површине тканог лима.(Д,Е) Однос улазног притиска и излазног издужења и силе за трикотажу.(Ф) Проширење површине радијално ширећих структура.(Г) Углови савијања три различите дужине погона за савијање.
Сваки АМФ тканог лима је подвргнут улазном притиску од 1 МПа да би се створило приближно 30% издужења (слика 4А).Изабрали смо овај праг за цео експеримент из неколико разлога: (1) да бисмо створили значајно издужење (отприлике 30%) да бисмо нагласили њихове хистерезисне криве, (2) да бисмо спречили циклирање из различитих експеримената и прототипова за вишекратну употребу који резултирају случајним оштећењем или кваром..под високим притиском течности.Мртва зона је јасно видљива, а плетеница остаје непомична све док улазни притисак не достигне 0,3 МПа.Графикон хистерезе издужења притиска показује велики размак између фазе пумпања и отпуштања, што указује да постоји значајан губитак енергије када ткани лист мења своје кретање од ширења до контракције.(слика 4А).Након добијања улазног притиска од 1 МПа, ткани лим би могао да изврши силу контракције од 5,6 Н (слика 4Б).Графикон хистерезе притиска и силе такође показује да се крива ресетовања скоро преклапа са кривом повећања притиска.Ширење површине тканог лима зависи од количине притиска примењеног на сваки од два АМФ-а, као што је приказано на 3Д приказу површине (Слика 4Ц).Експерименти такође показују да ткани лим може да произведе проширење површине од 66% када се АМФ основе и потке истовремено подвргну хидрауличном притиску од 1 МПа.
Експериментални резултати за плетени лим показују сличан образац као и ткани лим, укључујући широки хистерезисни јаз у дијаграму напетост-притисак и преклапајуће криве притисак-сила.Плетени лим је показао издужење од 30%, након чега је сила компресије износила 9 Н при улазном притиску од 1 МПа (слика 4Д, Е).
У случају округлог тканог лима, његова почетна површина се повећала за 25% у поређењу са почетном површином након излагања течном притиску од 1 МПа (слика 4Ф).Пре него што узорак почне да се шири, постоји велика мртва зона улазног притиска до 0,7 МПа.Ова велика мртва зона је била очекивана јер су узорци направљени од већих АМФ-а који су захтевали веће притиске да би се превазишао њихов почетни стрес.На сл.4Ф такође показује да се крива ослобађања скоро поклапа са кривом повећања притиска, што указује на мали губитак енергије када се померање диска промени.
Експериментални резултати за три актуатора савијања (реконфигурација ткива) показују да њихове криве хистерезе имају сличан образац (Слика 4Г), где доживљавају мртву зону улазног притиска до 0,2 МПа пре подизања.Нанели смо исту запремину течности (0,035 мл) на три погона за савијање (Л20, Л30 и Л50 мм).Међутим, сваки актуатор је доживео различите врхове притиска и развио различите углове савијања.Актуатори Л20 и Л30 мм имали су улазни притисак од 0,72 и 0,67 МПа, достижући углове савијања од 167° и 194°, респективно.Најдужи погон савијања (дужине 50 мм) издржао је притисак од 0,61 МПа и достигао максимални угао савијања од 236°.Графикони хистерезе угла притиска такође су открили релативно велике празнине између криве притиска и отпуштања за сва три погона за савијање.
Однос између улазног волумена и излазних својстава (издужење, сила, проширење површине, угао савијања) за горе наведене паметне конфигурације текстила може се наћи на додатној слици С2.
Експериментални резултати у претходном одељку јасно показују пропорционалну везу између примењеног улазног притиска и излазног издужења АМФ узорака.Што је АМБ јаче напрегнут, то је веће издужење које развија и еластичнија енергија акумулира.Дакле, већа је сила притиска коју врши.Резултати су такође показали да су узорци достигли своју максималну силу компресије када је улазни притисак потпуно уклоњен.Овај одељак има за циљ да успостави директну везу између издужења и максималне силе скупљања плетених и тканих лимова кроз аналитичко моделирање и експерименталну верификацију.
Максимална контрактилна сила Фоут (при улазном притиску П = 0) једног АМФ-а дата је у реф. 49 и поново уведена на следећи начин:
Међу њима, α, Е и А0 су фактор истезања, Јангов модул и површина попречног пресека силиконске цеви, респективно;к је коефицијент крутости спиралног намотаја;к и ли су помак и почетна дужина.АМП, респективно.
праву једначину.(1) Узмите за пример плетене и ткане чаршаве (сл. 5А, Б).Силе скупљања плетеног производа Фкв и тканог производа Фвх изражене су једначином (2) и (3), респективно.
где је мк број петљи, φп је угао петље плетене тканине током убризгавања (слика 5А), мх је број нити, θхп је угао захвата плетене тканине током убризгавања (слика 5Б), εкв εвх је плетени лим и деформација тканог лима, Ф0 је почетна напетост спиралног намотаја.Детаљно извођење једначине.(2) и (3) могу се наћи у пратећим информацијама.
Креирајте аналитички модел за однос елонгације-сила.(А,Б) Илустрације аналитичког модела за плетене и ткане лимове.(Ц,Д) Поређење аналитичких модела и експерименталних података за плетене и ткане лимове.РМСЕ средња квадратна грешка.
Да бисмо тестирали развијени модел, извели смо експерименте са издужењем користећи плетене узорке на слици 2А и плетене узорке на слици 2Б.Сила контракције је мерена у корацима од 5% за сваки закључани наставак од 0% до 50%.Средња вредност и стандардна девијација пет покушаја приказани су на слици 5Ц (плетиво) и слици 5Д (плетено).Криве аналитичког модела су описане једначинама.Параметри (2) и (3) су дати у табели.1. Резултати показују да се аналитички модел добро слаже са експерименталним подацима у целом опсегу истезања са средњом квадратном грешком (РМСЕ) од 0,34 Н за трикотажу, 0,21 Н за ткане АМФ Х (хоризонтални правац) и 0,17 Н. за ткани АМФ .В (вертикални правац).
Поред основних покрета, предложени паметни текстил се може механички програмирати да обезбеди сложеније покрете као што су С-савијање, радијална контракција и 2Д до 3Д деформације.Овде представљамо неколико метода за програмирање равних паметних текстила у жељене структуре.
Поред проширења домена у линеарном правцу, једносмерни ткани листови се могу механички програмирати за стварање мултимодалног кретања (слика 6А).Реконфигуришемо продужетак плетеног листа као покрет савијања, ограничавајући једно од његових лица (горњи или доњи) концем за шивење.Листови имају тенденцију да се савијају према граничној површини под притиском.На сл.6А приказује два примера тканих панела који постају у облику слова С када је једна половина скучена на горњој страни, а друга половина скучена на доњој страни.Алтернативно, можете креирати кружни покрет савијања где је ограничено само цело лице.Једносмерни плетени лим се такође може направити у компресиону чауру тако што се њена два краја спајају у цевасту структуру (слика 6Б).Рукав се носи преко кажипрста особе да би се обезбедила компресија, облик терапије масажом за ублажавање болова или побољшање циркулације.Може се прилагодити тако да одговара другим деловима тела као што су руке, бокови и ноге.
Способност ткања листова у једном правцу.(А) Стварање деформабилних структура због програмабилности облика конца за шивење.(Б) Компресијски рукав за прст.(Ц) Друга верзија плетене плоче и њена примена као компресијски рукав за подлактицу.(Д) Још један прототип компресионог рукава направљен од АМФ типа М, акрилног предива и чичак трака.Детаљне спецификације можете пронаћи у одељку Методе.
Слика 6Ц приказује још један пример једносмерног тканог лима направљеног од једног АМФ и памучног предива.Лист се може проширити за 45% по површини (на 1,2 МПа) или изазвати кружно кретање под притиском.Такође смо уградили лим за стварање компресионог рукава за подлактицу тако што смо причврстили магнетне траке на крај листа.Други прототип компресионог рукава за подлактицу приказан је на слици 6Д, на којој су једносмерно плетени лимови направљени од АМФ типа М (погледајте Методе) и акрилног предива да би се створиле јаче силе компресије.Опремили смо крајеве чаршава чичак тракама за лако причвршћивање и за различите величине руку.
Техника задржавања, која претвара линеарно продужење у кретање савијања, такође је применљива на двосмерне ткане листове.Памучне нити плетемо на једној страни тканих листова основе и потке да се не шире (слика 7А).Дакле, када два АМФ-а примају хидраулички притисак независно један од другог, плоча се подвргава двосмерном кретању савијања да би се формирала произвољна тродимензионална структура.У другом приступу, користимо нерастављиво предиво да ограничимо један правац двосмерних тканих листова (слика 7Б).Дакле, лим може да врши независне покрете савијања и истезања када је одговарајући АМФ под притиском.На сл.7Б приказује пример у коме се двосмерно плетена чаршава контролише тако да обавија око две трећине људског прста покретом савијања, а затим продужи своју дужину да покрије остатак покретом истезања.Двосмерно кретање чаршава може бити корисно за модни дизајн или развој паметне одеће.
Двосмерни ткани лим, плетени лим и могућности дизајна који се радијално прошири.(А) Двосмерно везане двосмерне плетене плоче за стварање двосмерне кривине.(Б) Једносмерно ограничене двосмерне плетене плоче производе савитљивост и издужење.(Ц) Високо еластична плетена плоча, која се може прилагодити различитим закривљеностима површине и чак формирати цевасте структуре.(Д) разграничење средишње линије структуре која се радијално шири формирајући хиперболички параболички облик (чипс од кромпира).
Две суседне петље горњег и доњег реда плетеног дела спојили смо концем за шивење да се не би расплео (сл. 7В).Дакле, ткани лим је потпуно флексибилан и добро се прилагођава различитим површинским кривинама, као што је површина коже људских руку и руку.Такође смо направили цевасту структуру (чаура) спајањем крајева плетеног дела у правцу кретања.Рукав се добро обавија око кажипрста особе (слика 7Ц).Вијугавост тканог материјала пружа одлично пристајање и деформабилност, што га чини лаким за употребу у паметном ношењу (рукавице, компресиони рукави), пружа удобност (кроз пристајање) и терапеутски ефекат (кроз компресију).
Поред 2Д радијалног ширења у више праваца, кружни ткани листови се такође могу програмирати да формирају 3Д структуре.Ограничили смо средишњу линију округле плетенице акрилном пређом како бисмо пореметили њено равномерно радијално ширење.Као резултат, првобитни раван облик округлог тканог лима је трансформисан у хиперболички параболички облик (или чипс од кромпира) након притиска (слика 7Д).Ова способност промене облика могла би се применити као механизам за подизање, оптичко сочиво, ноге мобилних робота или би могла бити корисна у модном дизајну и бионичким роботима.
Развили смо једноставну технику за креирање савијајућих погона лепљењем АМФ-а на траку од не растегљиве тканине (слика 3).Користимо овај концепт за креирање програмабилних нити у којима можемо стратешки дистрибуирати више активних и пасивних секција у једном АМФ-у да бисмо креирали жељене облике.Израдили смо и програмирали четири активна филамента који су могли да промене свој облик из правог у слово (УНСВ) како је притисак повећан (допунска слика С4).Ова једноставна метода омогућава деформабилност АМФ-а да претвори 1Д линије у 2Д облике, па чак и у 3Д структуре.
У сличном приступу, користили смо један АМФ да реконфигуришемо део пасивног нормалног ткива у активни тетрапод (слика 8А).Концепти рутирања и програмирања су слични онима приказаним на слици 3Ц.Међутим, уместо правоугаоних чаршава, почели су да користе тканине са четвороножним узорком (корњача, памучни муслин).Стога су ноге дуже и структура се може подићи више.Висина конструкције се постепено повећава под притиском све док њене ноге не буду окомите на тло.Ако улазни притисак настави да расте, ноге ће се повући према унутра, смањујући висину конструкције.Тетраподи могу да обављају локомоцију ако су им ноге опремљене једносмерним обрасцима или користе вишеструке АМФ са стратегијама манипулације покретом.Роботи за меку локомоцију су потребни за различите задатке, укључујући спасавање од шумских пожара, срушених зграда или опасних средина, и роботе за испоруку медицинских лекова.
Тканина је реконфигурисана да створи структуре које мењају облик.(А) Залепите АМФ на ивицу пасивног платна, претварајући га у управљиву структуру са четири ноге.(БД) Два друга примера реконфигурације ткива, претварање пасивних лептира и цвећа у активне.Не растегљива тканина: обичан памучни муслин.
Такође користимо једноставност и свестраност ове технике реконфигурације ткива увођењем две додатне биоинспирисане структуре за преобликовање (слике 8Б-Д).Са рутирајућим АМФ-ом, ове структуре које се могу деформисати се реконфигуришу из листова пасивног ткива у активне и управљиве структуре.Инспирисани лептиром монархом, направили смо структуру лептира која се трансформише користећи комад тканине у облику лептира (памучни муслин) и дугачки комад АМФ-а забаченог испод његових крила.Када је АМФ под притиском, крила се склапају.Попут лептира Монарха, лево и десно крило робота лептира машу на исти начин јер их оба контролише АМФ.Поклопци лептира су само за потребе приказивања.Не може да лети као Смарт Бирд (Фесто Цорп., САД).Направили смо и цвет од тканине (слика 8Д) који се састоји од два слоја од по пет латица.Поставили смо АМФ испод сваког слоја након спољне ивице латица.У почетку, цвеће је у пуном цвету, са свим латицама потпуно отвореним.Под притиском, АМФ изазива савијање латица, што доводи до њиховог затварања.Два АМФ-а независно контролишу кретање два слоја, док се пет латица једног слоја истовремено савија.
Време поста: 26.12.2022