Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, tonen we de site bovendien zonder stijlen en JavaScript.
Geeft een carrousel van drie dia's tegelijk weer.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifknoppen aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
Het combineren van textiel en kunstmatige spieren om slim textiel te creëren trekt veel aandacht van zowel de wetenschappelijke als de industriële gemeenschap.Slim textiel biedt vele voordelen, waaronder adaptief comfort en een hoge mate van aanpassing aan objecten, terwijl het actieve activering biedt voor de gewenste beweging en kracht.Dit artikel presenteert een nieuwe klasse programmeerbare slimme stoffen gemaakt met behulp van verschillende methoden voor het weven, weven en lijmen van door vloeistof aangedreven kunstmatige spiervezels.Er werd een wiskundig model ontwikkeld om de verhouding van de rekkracht van gebreide en geweven textielvellen te beschrijven, en vervolgens werd de geldigheid ervan experimenteel getest.Het nieuwe ‘slimme’ textiel beschikt over een hoge flexibiliteit, conformiteit en mechanische programmering, waardoor multimodale bewegings- en vervormingsmogelijkheden voor een breder scala aan toepassingen mogelijk zijn.Door middel van experimentele verificatie zijn verschillende slimme textielprototypes gecreëerd, waaronder verschillende gevallen van vormverandering, zoals verlenging (tot 65%), oppervlakte-uitbreiding (108%), radiale uitzetting (25%) en buigbeweging.Het concept van de herconfiguratie van passieve traditionele weefsels in actieve structuren voor biomimetische vormgevingsstructuren wordt ook onderzocht.Verwacht wordt dat het voorgestelde slimme textiel de ontwikkeling van slimme wearables, haptische systemen, biomimetische zachte robots en draagbare elektronica zal vergemakkelijken.
Starre robots zijn effectief bij het werken in gestructureerde omgevingen, maar hebben problemen met de onbekende context van veranderende omgevingen, wat hun gebruik bij zoeken of verkennen beperkt.De natuur blijft ons verrassen met veel inventieve strategieën om met externe factoren en diversiteit om te gaan.De ranken van klimplanten voeren bijvoorbeeld multimodale bewegingen uit, zoals buigen en spiraalsgewijs draaien, om een onbekende omgeving te verkennen op zoek naar een geschikte ondersteuning1.De venusvliegenval (Dionaea muscipula) heeft gevoelige haartjes op de bladeren die, wanneer ze worden geactiveerd, op hun plaats klikken om een prooi te vangen2.De afgelopen jaren is de vervorming of vervorming van lichamen van tweedimensionale (2D) oppervlakken naar driedimensionale (3D) vormen die biologische structuren nabootsen een interessant onderzoeksonderwerp geworden3,4.Deze zachte robotconfiguraties veranderen van vorm om zich aan te passen aan veranderende omgevingen, maken multimodale voortbeweging mogelijk en oefenen krachten uit om mechanisch werk uit te voeren.Hun bereik heeft zich uitgebreid tot een breed scala aan robotica-toepassingen, waaronder inzetbare5, herconfigureerbare en zelfopvouwbare robots6,7, biomedische apparaten8, voertuigen9,10 en uitbreidbare elektronica11.
Er is veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van programmeerbare vlakke platen die, wanneer ze worden geactiveerd, transformeren in complexe driedimensionale structuren3.Een eenvoudig idee voor het creëren van vervormbare structuren is het combineren van lagen van verschillende materialen die buigen en kreuken bij blootstelling aan stimuli12,13.Janbaz et al.14 en Li et al.15 hebben dit concept geïmplementeerd om warmtegevoelige multimodale vervormbare robots te creëren.Op origami gebaseerde structuren waarin op stimulus reagerende elementen zijn verwerkt, zijn gebruikt om complexe driedimensionale structuren te creëren16,17,18.Geïnspireerd door de morfogenese van biologische structuren, hebben Emmanuel et al.Vormvervormbare elastomeren worden gecreëerd door luchtkanalen binnen een rubberen oppervlak te organiseren die, onder druk, veranderen in complexe, willekeurige driedimensionale vormen.
De integratie van textiel of stoffen in vervormbare zachte robots is een ander nieuw conceptproject dat brede belangstelling heeft gewekt.Textiel is een zacht en elastisch materiaal dat van garen wordt gemaakt door middel van weeftechnieken zoals breien, weven, vlechten of knopenweven.De verbazingwekkende eigenschappen van stoffen, waaronder flexibiliteit, pasvorm, elasticiteit en ademend vermogen, maken ze erg populair in alles, van kleding tot medische toepassingen20.Er zijn drie brede benaderingen om textiel in robotica te integreren21.De eerste benadering is om het textiel te gebruiken als passieve rug of basis voor andere componenten.In dit geval biedt passief textiel een comfortabele pasvorm voor de gebruiker bij het dragen van stijve componenten (motoren, sensoren, voeding).De meeste zachte, draagbare robots of zachte exoskeletten vallen onder deze aanpak.Bijvoorbeeld zachte draagbare exoskeletten voor loophulpmiddelen 22 en ellebooghulpmiddelen 23, 24, 25, zachte draagbare handschoenen 26 voor hand- en vingerhulpmiddelen en bionische zachte robots 27.
De tweede benadering is om textiel te gebruiken als passieve en beperkte componenten van zachte robotapparaten.Op textiel gebaseerde actuatoren vallen in deze categorie, waarbij de stof meestal is geconstrueerd als een buitenste container om de binnenslang of kamer te bevatten, waardoor een met zachte vezels versterkte actuator wordt gevormd.Wanneer ze worden blootgesteld aan een externe pneumatische of hydraulische bron, ondergaan deze zachte actuatoren vormveranderingen, waaronder rek, buiging of torsie, afhankelijk van hun oorspronkelijke samenstelling en configuratie.Talman et al.Orthopedische enkelkleding, bestaande uit een reeks stoffen zakken, is geïntroduceerd om plantairflexie te vergemakkelijken en het looppatroon te herstellen28.Textiellagen met verschillende rekbaarheid kunnen worden gecombineerd om anisotrope beweging te creëren 29 .OmniSkins – zachte robothuiden gemaakt van een verscheidenheid aan zachte actuatoren en substraatmaterialen kunnen passieve objecten transformeren in multifunctionele actieve robots die multimodale bewegingen en vervormingen kunnen uitvoeren voor verschillende toepassingen.Zhu et al.hebben een vloeibaar spierweefsel31 ontwikkeld dat rek-, buig- en verschillende vervormingsbewegingen kan genereren.Buckner et al.Integreer functionele vezels in conventionele weefsels om robotweefsels te creëren met meerdere functies zoals activering, detectie en variabele stijfheid32.Andere methoden in deze categorie zijn te vinden in deze artikelen 21, 33, 34, 35.
Een recente benadering om de superieure eigenschappen van textiel op het gebied van zachte robotica te benutten, is het gebruik van reactieve of op prikkels reagerende filamenten om slim textiel te creëren met behulp van traditionele textielproductiemethoden zoals weven, breien en weefmethoden21,36,37.Afhankelijk van de samenstelling van het materiaal veroorzaakt reactief garen een vormverandering wanneer het wordt blootgesteld aan elektrische, thermische of drukwerking, wat leidt tot vervorming van de stof.Bij deze benadering, waarbij traditioneel textiel wordt geïntegreerd in een zacht robotsysteem, vindt het hervormen van het textiel plaats op de binnenste laag (garen) in plaats van op de buitenste laag.Als zodanig biedt slim textiel uitstekende handling in termen van multimodale beweging, programmeerbare vervorming, rekbaarheid en de mogelijkheid om de stijfheid aan te passen.Vormgeheugenlegeringen (SMA’s) en vormgeheugenpolymeren (SMP’s) kunnen bijvoorbeeld in stoffen worden verwerkt om hun vorm actief te controleren door middel van thermische stimulatie, zoals zomen38, kreukverwijdering36,39, tactiele en tactiele feedback40,41, evenals adaptieve draagbare kleding.apparaten 42 .Het gebruik van thermische energie voor verwarming en koeling resulteert echter in een trage respons en moeilijke koeling en regeling.Meer recentelijk hebben Hiramitsu et al.De fijne spieren van McKibben43,44, pneumatische kunstspieren, worden gebruikt als kettinggarens om verschillende vormen van actief textiel te creëren door de weefstructuur te veranderen45.Hoewel deze aanpak hoge krachten oplevert, is vanwege de aard van de McKibben-spier de uitzettingssnelheid beperkt (<50%) en kan een kleine omvang niet worden bereikt (diameter <0,9 mm).Bovendien was het moeilijk om slimme textielpatronen te vormen met weefmethoden die scherpe hoeken vereisen.Om een breder scala aan slimme textielsoorten te vormen, hebben Maziz et al.Elektroactief draagbaar textiel is ontwikkeld door het breien en weven van elektrogevoelige polymeerdraden46.
De afgelopen jaren is er een nieuw type warmtegevoelige kunstmatige spier ontstaan, opgebouwd uit sterk gedraaide, goedkope polymeervezels47,48.Deze vezels zijn in de handel verkrijgbaar en kunnen gemakkelijk worden verwerkt in het weven of weven om betaalbare, slimme kleding te produceren.Ondanks de vooruitgang hebben deze nieuwe warmtegevoelige textielsoorten beperkte responstijden vanwege de behoefte aan verwarming en koeling (bijvoorbeeld textiel met temperatuurcontrole) of de moeilijkheid om complexe gebreide en geweven patronen te maken die kunnen worden geprogrammeerd om de gewenste vervormingen en bewegingen te genereren .Voorbeelden zijn onder meer radiale expansie, 2D-naar-3D-vormtransformatie of bidirectionele expansie, die we hier aanbieden.
Om deze bovengenoemde problemen te overwinnen, presenteert dit artikel een nieuw vloeistofgedreven slim textiel gemaakt van onze onlangs geïntroduceerde zachte kunstmatige spiervezels (AMF)49,50,51.AMF's zijn zeer flexibel, schaalbaar en kunnen worden verkleind tot een diameter van 0,8 mm en grote lengtes (minstens 5000 mm), waardoor ze een hoge aspectverhouding (lengte tot diameter) bieden, evenals een hoge rek (minstens 245%), hoge energie efficiëntie, minder dan 20 Hz snelle respons).Om slim textiel te creëren, gebruiken we AMF als actief garen om door middel van brei- en weeftechnieken 2D actieve spierlagen te vormen.We hebben de uitzettingssnelheid en samentrekkingskracht van deze ‘slimme’ weefsels kwantitatief bestudeerd in termen van vloeistofvolume en geleverde druk.Er zijn analytische modellen ontwikkeld om de rekkrachtrelatie voor gebreide en geweven platen vast te stellen.We beschrijven ook verschillende mechanische programmeertechnieken voor slim textiel voor multimodale beweging, waaronder bidirectionele verlenging, buiging, radiale expansie en de mogelijkheid om over te gaan van 2D naar 3D.Om de kracht van onze aanpak te demonstreren, zullen we AMF ook integreren in commerciële stoffen of textiel om hun configuratie te veranderen van passieve naar actieve structuren die verschillende vervormingen veroorzaken.We hebben dit concept ook gedemonstreerd op verschillende experimentele testbanken, waaronder het programmeerbaar buigen van draden om gewenste letters te produceren en vormveranderende biologische structuren in de vorm van objecten zoals vlinders, viervoetige structuren en bloemen.
Textiel zijn flexibele tweedimensionale structuren die zijn gevormd uit met elkaar verweven eendimensionale draden zoals garens, draden en vezels.Textiel is een van de oudste technologieën van de mensheid en wordt veel gebruikt in alle aspecten van het leven vanwege het comfort, het aanpassingsvermogen, het ademend vermogen, de esthetiek en de bescherming ervan.Slim textiel (ook wel slimme kleding of robotstoffen genoemd) wordt steeds vaker gebruikt in onderzoek vanwege hun grote potentieel in robottoepassingen20,52.Slim textiel belooft de menselijke ervaring van interactie met zachte objecten te verbeteren, wat een paradigmaverschuiving inluidt op het gebied waar de beweging en krachten van dunne, flexibele stof kunnen worden gecontroleerd om specifieke taken uit te voeren.In dit artikel onderzoeken we twee benaderingen voor de productie van slim textiel op basis van onze recente AMF49: (1) gebruik AMF als een actief garen om slim textiel te creëren met behulp van traditionele textielproductietechnologieën;(2) AMF rechtstreeks in traditionele stoffen plaatsen om de gewenste beweging en vervorming te stimuleren.
De AMF bestaat uit een interne siliconenbuis om hydraulisch vermogen te leveren en een externe spiraalvormige spoel om de radiale uitzetting te beperken.AMF's strekken zich dus in de lengterichting uit wanneer er druk wordt uitgeoefend en vertonen vervolgens contractiele krachten om terug te keren naar hun oorspronkelijke lengte wanneer de druk wordt opgeheven.Ze hebben eigenschappen die vergelijkbaar zijn met traditionele vezels, waaronder flexibiliteit, kleine diameter en lange lengte.De AMF is echter actiever en gecontroleerder in termen van beweging en kracht dan zijn conventionele tegenhangers.Geïnspireerd door de recente snelle vooruitgang op het gebied van slim textiel, presenteren we hier vier belangrijke benaderingen voor het produceren van slim textiel door AMF toe te passen op een al lang bestaande technologie voor de productie van stoffen (Figuur 1).
De eerste manier is weven.We gebruiken inslagbreitechnologie om een reactief breiwerk te produceren dat zich in één richting ontvouwt wanneer het hydraulisch wordt bediend.Gebreide lakens zijn zeer rekbaar en rekbaar, maar hebben de neiging gemakkelijker te ontrafelen dan geweven lakens.Afhankelijk van de controlemethode kan AMF individuele rijen of complete producten vormen.Naast vlakke platen zijn buisvormige breipatronen ook geschikt voor de vervaardiging van holle AMF-structuren.De tweede methode is weven, waarbij we twee AMF's als schering en inslag gebruiken om een rechthoekig geweven vel te vormen dat onafhankelijk in twee richtingen kan uitzetten.Geweven lakens geven meer controle (in beide richtingen) dan gebreide lakens.We hebben ook AMF van traditioneel garen geweven om een eenvoudiger geweven doek te maken dat slechts in één richting kan worden afgewikkeld.De derde methode – radiale expansie – is een variant van de weeftechniek, waarbij de AMP’s zich niet in een rechthoek, maar in een spiraal bevinden, en de draden voor radiale beperking zorgen.In dit geval zet het vlechtwerk radiaal uit onder de inlaatdruk.Een vierde benadering is om de AMF op een stuk passief weefsel te plakken om een buigbeweging in de gewenste richting te creëren.We hebben het passieve breakout-bord opnieuw geconfigureerd tot een actief breakout-bord door de AMF langs de rand te laten lopen.Dit programmeerbare karakter van AMF opent talloze mogelijkheden voor bio-geïnspireerde vormtransformerende zachte structuren waar we passieve objecten in actieve kunnen veranderen.Deze methode is eenvoudig, gemakkelijk en snel, maar kan de levensduur van het prototype in gevaar brengen.De lezer wordt verwezen naar andere benaderingen in de literatuur die de sterke en zwakke punten van elke weefseleigenschap gedetailleerd beschrijven21,33,34,35.
De meeste draden of garens die worden gebruikt om traditionele stoffen te maken, bevatten passieve structuren.In dit werk gebruiken we onze eerder ontwikkelde AMF, die meterlengtes en submillimeterdiameters kan bereiken, om traditionele passieve textielgarens te vervangen door AFM om intelligente en actieve stoffen te creëren voor een breder scala aan toepassingen.De volgende paragrafen beschrijven gedetailleerde methoden voor het maken van slimme textielprototypes en presenteren hun belangrijkste functies en gedrag.
We hebben drie AMF-truien met de hand gemaakt met behulp van de inslagbreitechniek (Fig. 2A).Materiaalselectie en gedetailleerde specificaties voor AMF's en prototypes zijn te vinden in de sectie Methoden.Elke AMF volgt een kronkelend pad (ook wel route genoemd) dat een symmetrische lus vormt.De lussen van elke rij zijn bevestigd met lussen van de rijen erboven en eronder.De ringen van één kolom loodrecht op de baan zijn gecombineerd tot een schacht.Ons gebreide prototype bestaat uit drie rijen van zeven steken (of zeven steken) in elke rij.De bovenste en onderste ringen zijn niet vast, dus we kunnen ze aan de bijbehorende metalen staven bevestigen.Gebreide prototypes rafelden gemakkelijker uit dan conventionele gebreide stoffen vanwege de hogere stijfheid van AMF in vergelijking met conventionele garens.Daarom hebben we de lussen van aangrenzende rijen vastgebonden met dunne elastische koorden.
Er worden verschillende slimme textielprototypes geïmplementeerd met verschillende AMF-configuraties.(A) Gebreid laken gemaakt van drie AMF's.(B) Bidirectioneel geweven vel van twee AMF's.(C) Een unidirectioneel geweven vel gemaakt van AMF- en acrylgaren kan een belasting van 500 g dragen, wat 192 keer zijn gewicht is (2,6 g).(D) Radiaal uitzettende structuur met één AMF en katoenen garen als radiale beperking.Gedetailleerde specificaties zijn te vinden in de sectie Methoden.
Hoewel de zigzaglussen van een breisel in verschillende richtingen kunnen uitrekken, zet ons prototypebreiwerk voornamelijk uit in de richting van de lus die onder druk staat vanwege beperkingen in de bewegingsrichting.De verlenging van elke AMF draagt bij aan de uitbreiding van het totale oppervlak van het gebreide vel.Afhankelijk van specifieke vereisten kunnen we drie AMF's onafhankelijk van drie verschillende vloeistofbronnen aansturen (Figuur 2A) of gelijktijdig vanuit één vloeistofbron via een 1-op-3 vloeistofverdeler.Op afb.Figuur 2A toont een voorbeeld van een gebreid prototype, waarvan het initiële oppervlak met 35% toenam terwijl er druk werd uitgeoefend op drie AMP's (1,2 MPa).Met name bereikt AMF een hoge rek van ten minste 250% van de oorspronkelijke lengte49, zodat gebreide lakens nog meer kunnen rekken dan de huidige versies.
We hebben ook bidirectionele geweven vellen gemaakt die zijn gevormd uit twee AMF's met behulp van de platbindingtechniek (Figuur 2B).AMF-ketting en inslag zijn haaks met elkaar verweven en vormen een eenvoudig kriskras patroon.Ons prototypeweefsel werd geclassificeerd als een gebalanceerd platbinding omdat zowel de schering- als de inslaggarens van dezelfde garengrootte waren gemaakt (zie het gedeelte Methoden voor details).In tegenstelling tot gewone draden die scherpe vouwen kunnen vormen, vereist de toegepaste AMF een bepaalde buigradius bij het terugkeren naar een andere draad van het weefpatroon.Daarom hebben geweven vellen gemaakt van AMP een lagere dichtheid vergeleken met conventioneel geweven textiel.AMF-type S (buitendiameter 1,49 mm) heeft een minimale buigradius van 1,5 mm.Het prototypeweefsel dat we in dit artikel presenteren, heeft bijvoorbeeld een 7×7 draadpatroon waarbij elke kruising wordt gestabiliseerd met een knoop van dun elastisch koord.Met dezelfde weeftechniek kun je meer strengen krijgen.
Wanneer de overeenkomstige AMF vloeistofdruk ontvangt, breidt het geweven vel zijn oppervlak uit in de schering- of inslagrichting.Daarom hebben we de afmetingen van de gevlochten plaat (lengte en breedte) gecontroleerd door onafhankelijk de hoeveelheid inlaatdruk die op de twee AMP's wordt uitgeoefend te veranderen.Op afb.Figuur 2B toont een geweven prototype dat uitzet tot 44% van zijn oorspronkelijke oppervlak terwijl er druk wordt uitgeoefend op één AMP (1,3 MPa).Door de gelijktijdige druk op twee AMF's nam het gebied met 108% toe.
We hebben ook een unidirectioneel geweven vel gemaakt van een enkele AMF met schering- en acrylgarens als inslag (Figuur 2C).De AMF's zijn gerangschikt in zeven zigzagrijen en de draden weven deze rijen AMF's samen om een rechthoekig vel stof te vormen.Dit geweven prototype was dichter dan in figuur 2B, dankzij zachte acryldraden die gemakkelijk het hele vel vulden.Omdat we slechts één AMF als schering gebruiken, kan de geweven plaat alleen onder druk uitzetten richting de schering.Figuur 2C toont een voorbeeld van een geweven prototype waarvan het initiële oppervlak met 65% toeneemt bij toenemende druk (1,3 MPa).Bovendien kan dit gevlochten stuk (van 2,6 gram) een last van 500 gram tillen, wat 192 keer zijn massa is.
In plaats van de AMF in een zigzagpatroon te plaatsen om een rechthoekig geweven vel te creëren, hebben we een platte spiraalvorm van het AMF gefabriceerd, die vervolgens radiaal werd ingeklemd met katoenen garen om een rond geweven vel te creëren (Figuur 2D).De hoge stijfheid van AMF beperkt de vulling van het centrale deel van de plaat.Deze vulling kan echter worden gemaakt van elastische garens of elastische stoffen.Bij ontvangst van hydraulische druk zet de AMP zijn longitudinale verlenging om in een radiale uitzetting van de plaat.Het is ook vermeldenswaard dat zowel de buiten- als de binnendiameter van de spiraalvorm groter worden vanwege de radiale beperking van de filamenten.Figuur 2D laat zien dat bij een uitgeoefende hydraulische druk van 1 MPa de vorm van een ronde plaat uitzet tot 25% van het oorspronkelijke oppervlak.
We presenteren hier een tweede benadering voor het maken van slim textiel, waarbij we een AMF op een vlak stuk stof lijmen en dit opnieuw configureren van een passieve naar een actief gecontroleerde structuur.Het ontwerpdiagram van de buigaandrijving wordt getoond in Fig.3A, waarbij de AMP in het midden wordt gevouwen en op een strook niet-rekbare stof (katoenen mousseline) wordt gelijmd met behulp van dubbelzijdig plakband als lijm.Eenmaal afgedicht kan de bovenkant van de AMF vrij uitschuiven, terwijl de onderkant wordt beperkt door de tape en de stof, waardoor de strip naar de stof buigt.We kunnen elk onderdeel van de bochtactuator overal deactiveren door er simpelweg een strookje tape op te plakken.Een gedeactiveerd segment kan niet bewegen en wordt een passief segment.
Stoffen worden opnieuw geconfigureerd door AMF op traditionele stoffen te plakken.(A) Ontwerpconcept voor een buigaandrijving gemaakt door een gevouwen AMF op een niet-rekbare stof te lijmen.(B) Buigen van het prototype van de actuator.(C) Herconfiguratie van een rechthoekig doek in een actieve vierpotige robot.Inelastische stof: katoenen jersey.Stretchstof: polyester.Gedetailleerde specificaties zijn te vinden in de sectie Methoden.
We hebben verschillende prototypen van buigactuatoren van verschillende lengtes gemaakt en deze met hydrauliek onder druk gezet om een buigbeweging te creëren (Figuur 3B).Belangrijk is dat de AMF in een rechte lijn kan worden gelegd of kan worden gevouwen om meerdere draden te vormen en vervolgens op de stof kan worden gelijmd om een buigaandrijving met het juiste aantal draden te creëren.We hebben het passieve weefselvel ook omgezet in een actieve tetrapod-structuur (Figuur 3C), waarbij we AMF gebruikten om de randen van een rechthoekig, niet-rekbaar weefsel (katoenen mousseline) te routeren.AMP wordt met een stukje dubbelzijdig plakband op de stof bevestigd.Het midden van elke rand is afgeplakt om passief te worden, terwijl de vier hoeken actief blijven.Bovenklep van stretchstof (polyester) is optioneel.De vier hoeken van de stof buigen (lijken op poten) wanneer erop wordt gedrukt.
We hebben een testbank gebouwd om de eigenschappen van het ontwikkelde slimme textiel kwantitatief te bestuderen (zie het gedeelte Methoden en aanvullende figuur S1).Omdat alle monsters van AMF waren gemaakt, komt de algemene trend van de experimentele resultaten (Fig. 4) overeen met de belangrijkste kenmerken van AMF, namelijk dat de inlaatdruk direct evenredig is met de uitlaatrek en omgekeerd evenredig met de compressiekracht.Deze slimme stoffen hebben echter unieke kenmerken die hun specifieke configuraties weerspiegelen.
Beschikt over slimme textielconfiguraties.(A, B) Hysteresiscurven voor inlaatdruk en uitlaatrek en kracht voor geweven platen.(C) Uitbreiding van het oppervlak van het geweven vel.(D,E) Verband tussen invoerdruk en uitvoerrek en kracht voor gebreide kleding.(F) Gebiedsuitbreiding van radiaal uitzettende structuren.(G) Buighoeken van drie verschillende lengtes buigaandrijvingen.
Elke AMF van het geweven vel werd onderworpen aan een inlaatdruk van 1 MPa om ongeveer 30% rek te genereren (Fig. 4A).We hebben deze drempel voor het hele experiment om verschillende redenen gekozen: (1) om een aanzienlijke verlenging te creëren (ongeveer 30%) om hun hysteresiscurven te benadrukken, (2) om te voorkomen dat verschillende experimenten en herbruikbare prototypes worden gewisseld, wat resulteert in onbedoelde schade of falen..onder hoge vloeistofdruk.De dode zone is duidelijk zichtbaar en het vlechtwerk blijft bewegingloos totdat de inlaatdruk 0,3 MPa bereikt.De grafiek van de druk-verlengingshysteresis laat een grote kloof zien tussen de pomp- en de losfase, wat aangeeft dat er een aanzienlijk energieverlies optreedt wanneer het geweven vel zijn beweging verandert van uitzetten naar samentrekken.(Afb. 4A).Na het verkrijgen van een inlaatdruk van 1 MPa kon het geweven vel een samentrekkracht uitoefenen van 5,6 N (Fig. 4B).Uit de grafiek van de druk-krachthysteresis blijkt ook dat de resetcurve bijna overlapt met de drukopbouwcurve.De gebiedsuitbreiding van het geweven vel was afhankelijk van de hoeveelheid druk die op elk van de twee AMF's werd uitgeoefend, zoals weergegeven in de 3D-oppervlaktegrafiek (Figuur 4C).Experimenten tonen ook aan dat een geweven plaat een oppervlakte-uitbreiding van 66% kan produceren wanneer de schering- en inslag-AMF's tegelijkertijd worden onderworpen aan een hydraulische druk van 1 MPa.
De experimentele resultaten voor het gebreide vel laten een soortgelijk patroon zien als het geweven vel, inclusief een grote hysterese-opening in het spanning-drukdiagram en overlappende druk-krachtcurven.Het gebreide vel vertoonde een rek van 30%, waarna de compressiekracht 9 N bedroeg bij een inlaatdruk van 1 MPa (Fig. 4D, E).
In het geval van een rondgeweven vel nam het initiële oppervlak ervan met 25% toe vergeleken met het initiële oppervlak na blootstelling aan een vloeistofdruk van 1 MPa (Fig. 4F).Voordat het monster begint uit te zetten, is er een grote dode zone voor de inlaatdruk tot 0,7 MPa.Deze grote dode zone werd verwacht omdat de monsters waren gemaakt van grotere AMF's die hogere drukken vereisten om hun initiële spanning te overwinnen.Op afb.4F laat ook zien dat de vrijgavecurve bijna samenvalt met de druktoenamecurve, wat erop wijst dat er weinig energieverlies is wanneer de schijfbeweging wordt geschakeld.
Experimentele resultaten voor de drie buigactuatoren (herconfiguratie van weefsel) laten zien dat hun hysteresiscurven een soortgelijk patroon hebben (Figuur 4G), waarbij ze een dode zone van de inlaatdruk van maximaal 0,2 MPa ervaren voordat ze worden opgetild.Op drie buigaandrijvingen (L20, L30 en L50 mm) hebben we hetzelfde volume vloeistof (0,035 ml) aangebracht.Elke actuator ondervond echter verschillende drukpieken en ontwikkelde verschillende buighoeken.De L20- en L30 mm-actuators ondervonden een inlaatdruk van 0,72 en 0,67 MPa en bereikten buighoeken van respectievelijk 167° en 194°.De langste buigaandrijving (lengte 50 mm) doorstond een druk van 0,61 MPa en bereikte een maximale buighoek van 236°.De drukhoekhysteresisgrafieken lieten ook relatief grote verschillen zien tussen de druk- en vrijgavecurven voor alle drie de buigaandrijvingen.
De relatie tussen invoervolume en uitvoereigenschappen (rek, kracht, gebiedsuitbreiding, buighoek) voor de bovenstaande slimme textielconfiguraties is te vinden in aanvullende figuur S2.
De experimentele resultaten in de vorige sectie tonen duidelijk de proportionele relatie aan tussen de toegepaste inlaatdruk en de uitlaatrek van AMF-monsters.Hoe sterker de AMB wordt belast, hoe groter de rek die deze ontwikkelt en hoe meer elastische energie deze ophoopt.Dus hoe groter de drukkracht die het uitoefent.De resultaten toonden ook aan dat de monsters hun maximale compressiekracht bereikten wanneer de inlaatdruk volledig was verwijderd.Dit deel heeft tot doel een directe relatie vast te stellen tussen rek en maximale krimpkracht van gebreide en geweven platen door middel van analytische modellen en experimentele verificatie.
De maximale contractiele kracht Fout (bij inlaatdruk P = 0) van een enkele AMF werd gegeven in ref 49 en als volgt opnieuw geïntroduceerd:
Onder hen zijn α, E en A0 respectievelijk de rekfactor, de Young-modulus en het dwarsdoorsnede-oppervlak van de siliconenbuis;k is de stijfheidscoëfficiënt van de spiraalvormige spoel;x en li zijn offset en initiële lengte.AMP, respectievelijk.
de juiste vergelijking.(1) Neem als voorbeeld gebreide en geweven lakens (Fig. 5A, B).De krimpkrachten van het gebreide product Fkv en het geweven product Fwh worden respectievelijk uitgedrukt door vergelijking (2) en (3).
waarbij mk het aantal lussen is, φp de lushoek van de gebreide stof tijdens injectie is (Fig. 5A), mh het aantal draden is, θhp de aangrijpingshoek van de gebreide stof tijdens injectie is (Fig. 5B), εkv εwh is de gebreide plaat en de vervorming van de geweven plaat, F0 is de initiële spanning van de spiraalvormige spoel.Gedetailleerde afleiding van de vergelijking.(2) en (3) zijn te vinden in de ondersteunende informatie.
Creëer een analytisch model voor de relatie tussen rek en kracht.(A, B) Illustraties van analytische modellen voor respectievelijk gebreide en geweven vellen.(C,D) Vergelijking van analytische modellen en experimentele gegevens voor gebreide en geweven platen.RMSE Root gemiddelde kwadratische fout.
Om het ontwikkelde model te testen, hebben we rekexperimenten uitgevoerd met behulp van de gebreide patronen in figuur 2A en gevlochten monsters in figuur 2B.De contractiekracht werd gemeten in stappen van 5% voor elke vergrendelde extensie van 0% tot 50%.Het gemiddelde en de standaardafwijking van de vijf proeven worden weergegeven in Figuur 5C (gebreid) en Figuur 5D (gebreid).De curven van het analytische model worden beschreven door vergelijkingen.Parameters (2) en (3) worden gegeven in Tabel.1. De resultaten laten zien dat het analytische model goed overeenstemt met de experimentele gegevens over het gehele rekbereik, met een root mean square error (RMSE) van 0,34 N voor gebreide kleding, 0,21 N voor geweven AMF H (horizontale richting) en 0,17 N voor geweven AMF.V (verticale richting).
Naast de basisbewegingen kunnen de voorgestelde slimme stoffen mechanisch worden geprogrammeerd om complexere bewegingen mogelijk te maken, zoals S-buiging, radiale contractie en 2D naar 3D-vervorming.We presenteren hier verschillende methoden voor het programmeren van plat, slim textiel in gewenste structuren.
Naast het uitbreiden van het domein in lineaire richting, kunnen unidirectionele geweven vellen mechanisch worden geprogrammeerd om multimodale beweging te creëren (Fig. 6A).We herconfigureren de verlenging van het gevlochten vel als een buigbeweging, waarbij een van de vlakken (boven of onder) wordt beperkt met naaigaren.De platen hebben de neiging onder druk naar het grensvlak te buigen.Op afb.Figuur 6A toont twee voorbeelden van geweven panelen die S-vormig worden als de ene helft aan de bovenzijde krap is en de andere helft aan de onderkant krap is.Als alternatief kunt u een cirkelvormige buigbeweging maken waarbij alleen het hele vlak wordt beperkt.Van een unidirectioneel gevlochten vel kan ook een compressiehuls worden gemaakt door de twee uiteinden ervan in een buisvormige structuur te verbinden (Fig. 6B).De hoes wordt over de wijsvinger van een persoon gedragen om compressie te bieden, een vorm van massagetherapie om pijn te verlichten of de bloedsomloop te verbeteren.Het kan worden geschaald om op andere lichaamsdelen te passen, zoals armen, heupen en benen.
Mogelijkheid om vellen in één richting te weven.(A) Creatie van vervormbare structuren vanwege de programmeerbaarheid van de vorm van naaigaren.(B) Vingercompressiehuls.(C) Een andere versie van het gevlochten vel en de implementatie ervan als compressiehuls voor de onderarm.(D) Nog een prototype van een compressiehuls gemaakt van AMF type M, acrylgaren en klittenband.Gedetailleerde specificaties zijn te vinden in de sectie Methoden.
Figuur 6C toont een ander voorbeeld van een unidirectioneel geweven vel gemaakt van een enkel AMF- en katoengaren.De plaat kan in oppervlakte met 45% uitzetten (bij 1,2 MPa) of onder druk een cirkelvormige beweging veroorzaken.We hebben ook een laken ingebouwd om een compressiehoes voor de onderarm te creëren door magnetische banden aan het uiteinde van het laken te bevestigen.Een ander prototype van een compressiehuls voor de onderarm wordt getoond in figuur 6D, waarin unidirectionele gevlochten vellen werden gemaakt van Type M AMF (zie Methoden) en acrylgarens om sterkere compressiekrachten te genereren.We hebben de uiteinden van de lakens voorzien van klittenband voor eenvoudige bevestiging en voor verschillende handgroottes.
De fixatietechniek, die lineaire verlenging omzet in buigbeweging, is ook toepasbaar op bidirectioneel geweven platen.We weven de katoendraden aan één kant van de ketting- en inslaggeweven vellen zodat ze niet uitzetten (Fig. 7A).Wanneer twee AMF's dus onafhankelijk van elkaar hydraulische druk ontvangen, ondergaat de plaat een bidirectionele buigbeweging om een willekeurige driedimensionale structuur te vormen.In een andere benadering gebruiken we niet-rekbare garens om één richting van bidirectioneel geweven vellen te beperken (Figuur 7B).Zo kan de plaat onafhankelijke buig- en rekbewegingen maken wanneer de bijbehorende AMF onder druk staat.Op afb.7B toont een voorbeeld waarin een in twee richtingen gevlochten vel wordt bestuurd om tweederde van een menselijke vinger te wikkelen met een buigbeweging en vervolgens zijn lengte uit te breiden om de rest te bedekken met een rekbeweging.De tweerichtingsbeweging van lakens kan handig zijn voor modeontwerp of slimme kledingontwikkeling.
Bidirectioneel geweven plaat, gebreide plaat en radiaal uitbreidbare ontwerpmogelijkheden.(A) Bidirectioneel verlijmde bidirectionele rieten panelen om een bidirectionele bocht te creëren.(B) Unidirectioneel beperkte bidirectionele rieten panelen produceren flexibiliteit en rek.(C) Zeer elastische gebreide plaat, die zich kan aanpassen aan verschillende oppervlaktekrommingen en zelfs buisvormige structuren kan vormen.(D) afbakening van de middellijn van een radiaal uitzettende structuur die een hyperbolische parabolische vorm vormt (chips).
We hebben twee aangrenzende lussen van de bovenste en onderste rijen van het gebreide deel met naaigaren verbonden, zodat deze niet uit elkaar zouden vallen (Fig. 7C).Het geweven vel is dus volledig flexibel en past zich goed aan verschillende oppervlaktekrommingen aan, zoals het huidoppervlak van menselijke handen en armen.We creëerden ook een buisvormige structuur (mouw) door de uiteinden van het gebreide deel in de rijrichting met elkaar te verbinden.De hoes sluit goed om de wijsvinger van de persoon (fig. 7C).De bochtigheid van de geweven stof zorgt voor een uitstekende pasvorm en vervormbaarheid, waardoor het gemakkelijk te gebruiken is bij slimme slijtage (handschoenen, compressiemouwen), wat comfort (door pasvorm) en therapeutisch effect (door compressie) biedt.
Naast 2D radiale uitzetting in meerdere richtingen kunnen circulair geweven platen ook worden geprogrammeerd om 3D-structuren te vormen.We hebben de middellijn van de ronde vlecht beperkt met acrylgaren om de uniforme radiale uitzetting te verstoren.Als resultaat werd de oorspronkelijke platte vorm van het rondgeweven vel na het onder druk zetten getransformeerd in een hyperbolische parabolische vorm (of chips) (Fig. 7D).Dit vermogen om van vorm te veranderen zou kunnen worden geïmplementeerd als een liftmechanisme, een optische lens, mobiele robotpoten, of zou nuttig kunnen zijn in modeontwerp en bionische robots.
We hebben een eenvoudige techniek ontwikkeld om buigaandrijvingen te creëren door AMF op een strook niet-rekbare stof te lijmen (Figuur 3).We gebruiken dit concept om vormprogrammeerbare threads te creëren, waarbij we op strategische wijze meerdere actieve en passieve secties in één AMF kunnen distribueren om de gewenste vormen te creëren.We hebben vier actieve filamenten gefabriceerd en geprogrammeerd die hun vorm konden veranderen van recht naar letter (UNSW) naarmate de druk werd verhoogd (aanvullende figuur S4).Deze eenvoudige methode maakt de vervormbaarheid van de AMF mogelijk om 1D-lijnen om te zetten in 2D-vormen en mogelijk zelfs 3D-structuren.
In een vergelijkbare aanpak gebruikten we een enkele AMF om een stukje passief normaal weefsel te herconfigureren tot een actieve tetrapod (Fig. 8A).Routing- en programmeerconcepten zijn vergelijkbaar met die getoond in figuur 3C.In plaats van rechthoekige vellen begonnen ze echter stoffen met een viervoetig patroon te gebruiken (schildpad, katoenen mousseline).Daarom zijn de poten langer en kan de structuur hoger worden gezet.De hoogte van de constructie neemt onder druk geleidelijk toe totdat de poten loodrecht op de grond staan.Als de inlaatdruk blijft stijgen, zullen de poten naar binnen zakken, waardoor de hoogte van de constructie afneemt.Tetrapoden kunnen voortbeweging uitvoeren als hun benen zijn uitgerust met unidirectionele patronen of meerdere AMF's gebruiken met bewegingsmanipulatiestrategieën.Zachte voortbewegingsrobots zijn nodig voor een verscheidenheid aan taken, waaronder reddingsacties bij bosbranden, ingestorte gebouwen of gevaarlijke omgevingen, en robots voor de afgifte van medische medicijnen.
De stof is opnieuw geconfigureerd om vormveranderende structuren te creëren.(A) Lijm de AMF op de rand van de passieve stoffen plaat en verander deze in een bestuurbare vierpotige structuur.(BD) Twee andere voorbeelden van weefselherconfiguratie, waarbij passieve vlinders en bloemen in actieve worden veranderd.Niet-stretchstof: effen katoenen mousseline.
We profiteren ook van de eenvoud en veelzijdigheid van deze weefselherconfiguratietechniek door twee extra bio-geïnspireerde structuren te introduceren voor het hervormen (figuren 8B-D).Met een routeerbare AMF worden deze vormvervormbare structuren opnieuw geconfigureerd van vellen passief weefsel naar actieve en bestuurbare structuren.Geïnspireerd door de monarchvlinder hebben we een transformerende vlinderstructuur gemaakt met behulp van een stuk vlindervormige stof (katoenen mousseline) en een lang stuk AMF dat onder de vleugels is geplakt.Wanneer de AMF onder druk staat, klappen de vleugels omhoog.Net als bij de monarchvlinder klappen de linker- en rechtervleugels van de vlinderrobot op dezelfde manier, omdat ze beide worden bestuurd door de AMF.Vlinderkleppen zijn uitsluitend bedoeld voor weergavedoeleinden.Hij kan niet vliegen zoals Smart Bird (Festo Corp., VS).We hebben ook een stoffen bloem gemaakt (Figuur 8D), bestaande uit twee lagen van elk vijf bloemblaadjes.We plaatsten de AMF onder elke laag na de buitenrand van de bloembladen.Aanvankelijk staan de bloemen in volle bloei, met alle bloemblaadjes volledig open.Onder druk veroorzaakt de AMF een buigbeweging van de bloembladen, waardoor ze sluiten.De twee AMF's regelen onafhankelijk de beweging van de twee lagen, terwijl de vijf bloemblaadjes van één laag tegelijkertijd buigen.
Posttijd: 26 december 2022