Tèxtils intel·ligents que utilitzen fibres musculars artificials impulsades per fluids

Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositives alhora.Utilitzeu els botons Anterior i Següent per moure's per tres diapositives alhora, o utilitzeu els botons lliscants al final per moure's per tres diapositives alhora.
Combinar tèxtils i músculs artificials per crear tèxtils intel·ligents està cridant molta atenció tant de la comunitat científica com industrial.Els tèxtils intel·ligents ofereixen molts avantatges, inclòs la comoditat adaptativa i un alt grau de conformitat amb els objectes, alhora que proporcionen una acció activa per al moviment i la força desitjats.Aquest article presenta una nova classe de teixits intel·ligents programables fets amb diversos mètodes de teixir, teixir i enganxar fibres musculars artificials impulsades per fluids.Es va desenvolupar un model matemàtic per descriure la relació de la força d'allargament de les làmines tèxtils de punt i teixides, i després es va provar experimentalment la seva validesa.El nou tèxtil "intel·ligent" presenta una gran flexibilitat, conformalitat i programació mecànica, que permet moviments multimodals i capacitats de deformació per a una gamma més àmplia d'aplicacions.S'han creat diversos prototips tèxtils intel·ligents mitjançant la verificació experimental, inclosos diversos casos de canvi de forma, com ara l'allargament (fins a un 65%), l'expansió de l'àrea (108%), l'expansió radial (25%) i el moviment de flexió.També s'està explorant el concepte de reconfiguració de teixits tradicionals passius en estructures actives per a estructures de conformació biomimètica.S'espera que els tèxtils intel·ligents proposats facilitin el desenvolupament de dispositius portàtils intel·ligents, sistemes hàptics, robots biomimètics suaus i electrònica portàtil.
Els robots rígids són efectius quan treballen en entorns estructurats, però tenen problemes amb el context desconegut d'entorns canviants, que limita el seu ús en la recerca o l'exploració.La natura ens continua sorprenent amb moltes estratègies inventives per fer front als factors externs i la diversitat.Per exemple, els zarcissos de les plantes enfiladisses realitzen moviments multimodals, com ara flexió i espiral, per explorar un entorn desconegut a la recerca d'un suport adequat1.La Venus atrapamosques (Dionaea muscipula) té pèls sensibles a les seves fulles que, quan s'activa, s'enganxen al seu lloc per atrapar les preses2.En els últims anys, la deformació o deformació dels cossos des de superfícies bidimensionals (2D) fins a formes tridimensionals (3D) que imiten estructures biològiques s'ha convertit en un tema d'investigació interessant3,4.Aquestes configuracions robòtiques suaus canvien de forma per adaptar-se als entorns canviants, permeten la locomoció multimodal i apliquen forces per realitzar treballs mecànics.El seu abast s'ha estès a una àmplia gamma d'aplicacions de robòtica, incloent desplegables5, robots reconfigurables i autoplegables6,7, dispositius biomèdics8, vehicles9,10 i electrònica ampliable11.
S'ha investigat molt per desenvolupar plaques planes programables que, quan s'activen, es transformen en complexes estructures tridimensionals3.Una idea senzilla per crear estructures deformables és combinar capes de diferents materials que es flexionen i s'arruga quan s'exposen a estímuls12,13.Janbaz et al.14 i Li et al.15 han implementat aquest concepte per crear robots deformables multimodals sensibles a la calor.S'han utilitzat estructures basades en origami que incorporen elements sensibles a l'estímul per crear estructures tridimensionals complexes16,17,18.Inspirats en la morfogènesi de les estructures biològiques, Emmanuel et al.Els elastòmers deformables de forma es creen organitzant canals d'aire dins d'una superfície de cautxú que, sota pressió, es transformen en formes tridimensionals complexes i arbitràries.
La integració de tèxtils o teixits en robots tous deformables és un altre projecte de nou concepte que ha generat un interès generalitzat.Els tèxtils són materials suaus i elàstics fets de fil mitjançant tècniques de teixit com ara teixir, teixir, trenar o teixir nusos.Les sorprenents propietats dels teixits, com ara la flexibilitat, l'ajust, l'elasticitat i la transpirabilitat, els fan molt populars en tot, des de roba fins a aplicacions mèdiques20.Hi ha tres enfocaments amplis per incorporar tèxtils a la robòtica21.El primer enfocament és utilitzar el tèxtil com a suport passiu o base per a altres components.En aquest cas, els tèxtils passius proporcionen un ajust còmode per a l'usuari quan transporta components rígids (motors, sensors, font d'alimentació).La majoria de robots portàtils suaus o exoesquelets suaus es troben sota aquest enfocament.Per exemple, exoesquelets suaus per a ajudes per a la marxa 22 i colzes ajudes 23, 24, 25, guants suaus per a mà 26 per a ajudes per a mà i dits, i robots biònics tous 27.
El segon enfocament és utilitzar tèxtils com a components passius i limitats de dispositius robòtics tous.Els actuadors basats en tèxtils entren en aquesta categoria, on el teixit es construeix normalment com un contenidor exterior per contenir la mànega o la cambra interior, formant un actuador reforçat amb fibra suau.Quan se sotmeten a una font externa pneumàtica o hidràulica, aquests actuadors suaus pateixen canvis de forma, incloent allargament, flexió o torsió, depenent de la seva composició i configuració originals.Per exemple, Talman et al.S'ha introduït roba ortopèdica del turmell, que consisteix en una sèrie de butxaques de tela, per facilitar la flexió plantar per restaurar la marxa28.Es poden combinar capes tèxtils amb diferent extensibilitat per crear moviment anisòtrop 29 .OmniSkins: pells robòtiques suaus fetes d'una varietat d'actuadors tous i materials de substrat poden transformar objectes passius en robots actius multifuncionals que poden realitzar moviments i deformacions multimodals per a diverses aplicacions.Zhu et al.han desenvolupat una làmina muscular de teixit líquid31 que pot generar elongació, flexió i diversos moviments de deformació.Buckner et al.Integrar fibres funcionals en teixits convencionals per crear teixits robòtics amb múltiples funcions com ara l'actuació, la detecció i la rigidesa variable32.Altres mètodes d'aquesta categoria es poden trobar en aquests articles 21, 33, 34, 35.
Un enfocament recent per aprofitar les propietats superiors dels tèxtils en el camp de la robòtica suau és utilitzar filaments reactius o sensibles a l'estímul per crear tèxtils intel·ligents mitjançant mètodes tradicionals de fabricació tèxtil com ara els mètodes de teixir, teixir i teixir21,36,37.Depenent de la composició del material, el fil reactiu provoca un canvi de forma quan està sotmès a una acció elèctrica, tèrmica o de pressió, que provoca una deformació del teixit.En aquest enfocament, on els tèxtils tradicionals s'integren en un sistema robòtic suau, la remodelació del tèxtil es produeix a la capa interior (fil) en lloc de la capa exterior.Com a tal, els tèxtils intel·ligents ofereixen un maneig excel·lent en termes de moviment multimodal, deformació programable, estirabilitat i la capacitat d'ajustar la rigidesa.Per exemple, els aliatges amb memòria de forma (SMA) i els polímers amb memòria de forma (SMP) es poden incorporar a les teles per controlar-ne activament la forma mitjançant l'estimulació tèrmica, com ara l'ajuntament38, l'eliminació d'arrugues36,39, la retroalimentació tàctil i tàctil40,41, així com la retroalimentació adaptativa. roba usable.dispositius 42 .No obstant això, l'ús d'energia tèrmica per a la calefacció i la refrigeració provoca una resposta lenta i un refredament i control difícils.Més recentment, Hiramitsu et al.Els músculs fins de McKibben43,44, músculs artificials pneumàtics, s'utilitzen com a fils d'ordit per crear diverses formes de tèxtils actius canviant l'estructura del teixit45.Tot i que aquest enfocament proporciona forces elevades, a causa de la naturalesa del múscul de McKibben, la seva taxa d'expansió és limitada (< 50%) i no es pot aconseguir una mida petita (diàmetre < 0,9 mm).A més, ha estat difícil formar patrons tèxtils intel·ligents a partir de mètodes de teixit que requereixen cantonades afilades.Per formar una gamma més àmplia de tèxtils intel·ligents, Maziz et al.Els tèxtils electroactius per vestir s'han desenvolupat teixint i teixint fils de polímer electrosensible46.
En els darrers anys, ha sorgit un nou tipus de múscul artificial termosensible, construït a partir de fibres polimèriques molt retorçades i de baix cost47,48.Aquestes fibres estan disponibles comercialment i s'incorporen fàcilment al teixit o teixit per produir roba intel·ligent assequible.Malgrat els avenços, aquests nous tèxtils sensibles a la calor tenen uns temps de resposta limitats a causa de la necessitat d'escalfament i refrigeració (p. ex. tèxtils amb temperatura controlada) o la dificultat de fer patrons complexos de punt i teixit que es poden programar per generar les deformacions i moviments desitjats. .Alguns exemples inclouen l'expansió radial, la transformació de formes 2D a 3D o l'expansió bidireccional, que oferim aquí.
Per superar aquests problemes esmentats anteriorment, aquest article presenta un nou tèxtil intel·ligent impulsat per fluids fet de les nostres fibres musculars artificials toves (AMF) introduïdes recentment49,50,51.Els AMF són altament flexibles, escalables i es poden reduir a un diàmetre de 0,8 mm i grans longituds (almenys 5000 mm), oferint una alta relació d'aspecte (longitud a diàmetre), així com un gran allargament (almenys 245%), alta energia eficiència, resposta ràpida de menys de 20 Hz).Per crear teixits intel·ligents, utilitzem AMF com a fil actiu per formar capes musculars actives en 2D mitjançant tècniques de teixir i teixir.Hem estudiat quantitativament la velocitat d'expansió i la força de contracció d'aquests teixits "intel·ligents" en termes de volum de fluid i pressió lliurada.S'han desenvolupat models analítics per establir la relació de força d'allargament per a làmines de punt i teixides.També descrivim diverses tècniques de programació mecànica per a tèxtils intel·ligents per al moviment multimodal, com ara l'extensió bidireccional, la flexió, l'expansió radial i la capacitat de transició de 2D a 3D.Per demostrar la força del nostre enfocament, també integrarem l'AMF en teixits comercials o tèxtils per canviar la seva configuració d'estructures passives a actives que provoquen diverses deformacions.També hem demostrat aquest concepte en diversos bancs de proves experimentals, inclosa la flexió programable de fils per produir lletres desitjades i estructures biològiques que canvien de forma en la forma d'objectes com papallones, estructures quadrúpedes i flors.
Els tèxtils són estructures bidimensionals flexibles formades a partir de fils unidimensionals entrellaçats com ara fils, fils i fibres.El tèxtil és una de les tecnologies més antigues de la humanitat i s'utilitza àmpliament en tots els aspectes de la vida per la seva comoditat, adaptabilitat, transpirabilitat, estètica i protecció.Els tèxtils intel·ligents (també coneguts com a roba intel·ligent o teixits robòtics) s'utilitzen cada cop més en investigació pel seu gran potencial en aplicacions robòtiques20,52.Els tèxtils intel·ligents prometen millorar l'experiència humana d'interaccionar amb objectes tous, marcant un canvi de paradigma en el camp on el moviment i les forces del teixit prim i flexible es poden controlar per realitzar tasques específiques.En aquest article, explorem dos enfocaments per a la producció de tèxtils intel·ligents basats en el nostre recent AMF49: (1) utilitzar AMF com a fil actiu per crear tèxtils intel·ligents mitjançant tecnologies tradicionals de fabricació tèxtil;(2) inseriu AMF directament en teixits tradicionals per estimular el moviment i la deformació desitjats.
L'AMF consta d'un tub intern de silicona per subministrar energia hidràulica i una bobina helicoïdal externa per limitar la seva expansió radial.Així, els AMF s'allargan longitudinalment quan s'aplica pressió i, posteriorment, presenten forces contràctils per tornar a la seva longitud original quan s'allibera la pressió.Tenen propietats similars a les fibres tradicionals, incloent flexibilitat, diàmetre petit i llargada.Tanmateix, l'AMF és més actiu i controlat en termes de moviment i força que els seus homòlegs convencionals.Inspirats pels avenços ràpids recents en tèxtils intel·ligents, aquí presentem quatre enfocaments principals per produir tèxtils intel·ligents aplicant AMF a una tecnologia de fabricació de teixits establerta des de fa temps (figura 1).
La primera manera és teixir.Utilitzem la tecnologia de teixit de trama per produir un teixit de punt reactiu que es desplega en una direcció quan s'acciona hidràulicament.Els llençols de punt són molt elàstics i estirables, però tendeixen a desfer-se més fàcilment que els llençols teixits.Segons el mètode de control, AMF pot formar files individuals o productes complets.A més de les làmines planes, els patrons de teixit tubular també són adequats per a la fabricació d'estructures buides AMF.El segon mètode és el teixit, on utilitzem dos AMF com a ordit i trama per formar una làmina teixida rectangular que es pot expandir independentment en dues direccions.Els llençols teixits proporcionen més control (en ambdues direccions) que els llençols de punt.També hem teixit AMF a partir de fil tradicional per fer una làmina teixida més senzilla que només es pot desenrotllar en una direcció.El tercer mètode, l'expansió radial, és una variant de la tècnica de teixit, en què els AMP no es troben en un rectangle, sinó en una espiral, i els fils proporcionen una restricció radial.En aquest cas, la trena s'expandeix radialment sota la pressió d'entrada.Un quart enfocament és enganxar l'AMF a una làmina de teixit passiu per crear un moviment de flexió en la direcció desitjada.Hem reconfigurat el tauler de ruptura passiu en un tauler de ruptura actiu fent córrer l'AMF per la seva vora.Aquesta naturalesa programable d'AMF obre innombrables possibilitats per a estructures suaus que transformen la forma bio-inspirada on podem convertir objectes passius en actius.Aquest mètode és senzill, fàcil i ràpid, però pot comprometre la longevitat del prototip.Es remet el lector a altres enfocaments de la literatura que detallen els punts forts i febles de cada propietat del teixit21,33,34,35.
La majoria de fils o fils utilitzats per fer teixits tradicionals contenen estructures passives.En aquest treball, utilitzem el nostre AMF desenvolupat anteriorment, que pot assolir metres de longitud i diàmetres submilimètrics, per substituir els fils tèxtils passius tradicionals per AFM per crear teixits intel·ligents i actius per a una gamma més àmplia d'aplicacions.Les seccions següents descriuen mètodes detallats per fer prototips tèxtils intel·ligents i presenten les seves principals funcions i comportaments.
Hem fet a mà tres samarretes AMF mitjançant la tècnica de teixit de trama (Fig. 2A).La selecció de material i les especificacions detallades per a AMF i prototips es poden trobar a la secció Mètodes.Cada AMF segueix un camí sinuós (també anomenat ruta) que forma un bucle simètric.Els bucles de cada fila es fixen amb bucles de les files per sobre i per sota.Els anells d'una columna perpendiculars al curs es combinen en un eix.El nostre prototip de punt consta de tres fileres de set punts (o set punts) a cada fila.Els anells superior i inferior no estan fixos, així que els podem enganxar a les barres metàl·liques corresponents.Els prototips de punt es van desenredar més fàcilment que els teixits de punt convencionals a causa de la major rigidesa de l'AMF en comparació amb els fils convencionals.Per tant, vam lligar els bucles de les files adjacents amb cordons elàstics prims.
S'estan implementant diversos prototips tèxtils intel·ligents amb diferents configuracions AMF.(A) Full de punt fet de tres AMF.(B) Full de teixit bidireccional de dos AMF.(C) Una làmina teixida unidireccional feta amb AMF i fil acrílic pot suportar una càrrega de 500 g, que és 192 vegades el seu pes (2,6 g).(D) Estructura d'expansió radial amb un AMF i fil de cotó com a restricció radial.Les especificacions detallades es poden trobar a la secció Mètodes.
Tot i que els bucles en ziga-zaga d'un punt es poden estirar en diferents direccions, el nostre prototip de punt s'expandeix principalment en la direcció del bucle sota pressió a causa de les limitacions en la direcció del viatge.L'allargament de cada AMF contribueix a l'ampliació de l'àrea total del full de punt.Depenent dels requisits específics, podem controlar tres AMF independentment de tres fonts de fluids diferents (figura 2A) o simultàniament des d'una font de fluid mitjançant un distribuïdor de fluids d'1 a 3.A la fig.La figura 2A mostra un exemple de prototip de punt, l'àrea inicial del qual va augmentar un 35% mentre s'aplicava pressió a tres AMP (1,2 MPa).En particular, AMF aconsegueix un alt allargament d'almenys el 250% de la seva longitud original49, de manera que els llençols de punt es poden estirar encara més que les versions actuals.
També vam crear làmines de teixit bidireccional formades a partir de dos AMF mitjançant la tècnica de teixit pla (figura 2B).L'ordit i la trama AMF s'entrellacen en angle recte, formant un patró senzill entrecreuat.El nostre prototip de teixit es va classificar com a teixit llis equilibrat perquè tant els fils d'ordit com els de trama es van fer amb la mateixa mida de fil (vegeu la secció Mètodes per a més detalls).A diferència dels fils normals que poden formar plecs afilats, l'AMF aplicat requereix un cert radi de flexió quan es torna a un altre fil del patró de teixit.Per tant, les làmines teixides fetes amb AMP tenen una densitat menor en comparació amb els teixits convencionals.El tipus S AMF (diàmetre exterior 1,49 mm) té un radi de flexió mínim d'1,5 mm.Per exemple, el teixit prototip que presentem en aquest article té un patró de fil de 7×7 on cada intersecció s'estabilitza amb un nus de cordó elàstic prim.Amb la mateixa tècnica de teixit, podeu obtenir més fils.
Quan l'AMF corresponent rep pressió de fluid, la làmina teixida expandeix la seva àrea en la direcció de l'ordit o la trama.Per tant, vam controlar les dimensions de la làmina trenada (longada i amplada) canviant de manera independent la quantitat de pressió d'entrada aplicada als dos AMP.A la fig.La figura 2B mostra un prototip teixit que es va expandir fins al 44% de la seva àrea original mentre s'aplicava pressió a un AMP (1, 3 MPa).Amb l'acció simultània de pressió sobre dos AMF, la superfície va augmentar un 108%.
També vam fer una làmina teixida unidireccional a partir d'un sol AMF amb ordit i fils acrílics com a trama (figura 2C).Els AMF estan disposats en set files en ziga-zaga i els fils teixeixen aquestes files d'AMF per formar una làmina rectangular de tela.Aquest prototip teixit era més dens que a la figura 2B, gràcies a uns fils acrílics suaus que omplien fàcilment tota la làmina.Com que només utilitzem un AMF com a ordit, la làmina teixida només es pot expandir cap a l'ordit sota pressió.La figura 2C mostra un exemple d'un prototip teixit l'àrea inicial del qual augmenta un 65% amb l'augment de la pressió (1,3 MPa).A més, aquesta peça trenada (de 2,6 grams de pes) pot aixecar una càrrega de 500 grams, que és 192 vegades la seva massa.
En lloc d'organitzar l'AMF en un patró en ziga-zaga per crear una làmina teixida rectangular, vam fabricar una forma espiral plana de l'AMF, que després es va limitar radialment amb fil de cotó per crear una làmina teixida rodona (figura 2D).L'alta rigidesa de l'AMF limita el seu ompliment de la regió molt central de la placa.Tanmateix, aquest encoixinat es pot fer amb fils elàstics o teixits elàstics.En rebre pressió hidràulica, l'AMP converteix el seu allargament longitudinal en una expansió radial de la làmina.També val la pena assenyalar que tant els diàmetres exteriors com els interiors de la forma espiral augmenten a causa de la limitació radial dels filaments.La figura 2D mostra que amb una pressió hidràulica aplicada d'1 MPa, la forma d'una làmina rodona s'expandeix fins al 25% de la seva àrea original.
Presentem aquí un segon enfocament per fer tèxtils intel·ligents on enganxem un AMF a una peça plana de teixit i el reconfigurem d'una estructura passiva a una estructura controlada activament.El diagrama de disseny de l'accionament de flexió es mostra a la fig.3A, on l'AMP es doblega pel mig i s'enganxa a una tira de teixit inextensible (tela de muselina de cotó) utilitzant una cinta de doble cara com a adhesiu.Un cop segellat, la part superior de l'AMF es pot estendre lliurement, mentre que la part inferior està limitada per la cinta i la tela, fent que la tira es doblegui cap a la tela.Podem desactivar qualsevol part de l'actuador de flexió en qualsevol lloc simplement enganxant-hi una tira de cinta.Un segment desactivat no es pot moure i es converteix en un segment passiu.
Els teixits es reconfiguren enganxant AMF als teixits tradicionals.(A) Concepte de disseny per a un accionament de flexió fet enganxant un AMF plegat sobre un teixit inextensible.(B) Flexió del prototip de l'actuador.(C) Reconfiguració d'un drap rectangular en un robot actiu de quatre potes.Teixit inelàstic: jersei de cotó.Teixit elàstic: polièster.Les especificacions detallades es poden trobar a la secció Mètodes.
Vam fer diversos prototips d'actuadors de flexió de diferents longituds i els vam pressionar amb hidràulica per crear un moviment de flexió (figura 3B).És important destacar que l'AMF es pot disposar en línia recta o plegar per formar múltiples fils i després enganxar-se a la tela per crear una unitat de flexió amb el nombre adequat de fils.També vam convertir la làmina de teixit passiu en una estructura de tetràpode activa (figura 3C), on vam utilitzar AMF per encaminar les vores d'un teixit rectangular inextensible (tela de muselina de cotó).AMP s'uneix a la tela amb un tros de cinta de doble cara.El mig de cada vora està gravat per passar a ser passiu, mentre que les quatre cantonades romanen actives.La coberta superior de teixit elàstic (polièster) és opcional.Les quatre cantonades de la tela es dobleguen (semblan cames) quan es pressiona.
Hem construït un banc de proves per estudiar quantitativament les propietats dels tèxtils intel·ligents desenvolupats (vegeu la secció Mètodes i la figura suplementària S1).Com que totes les mostres es van fer amb AMF, la tendència general dels resultats experimentals (Fig. 4) és coherent amb les característiques principals de l'AMF, és a dir, la pressió d'entrada és directament proporcional a l'allargament de sortida i inversament proporcional a la força de compressió.Tanmateix, aquests teixits intel·ligents tenen característiques úniques que reflecteixen les seves configuracions específiques.
Presenta configuracions tèxtils intel·ligents.(A, B) Corbes d'histèresi per a la pressió d'entrada i allargament i força de sortida per a làmines teixides.(C) Ampliació de l'àrea de la làmina teixida.(D,E) Relació entre la pressió d'entrada i l'allargament i la força de sortida per als teixits de punt.(F) Expansió d'àrea d'estructures d'expansió radial.(G) Angles de flexió de tres longituds diferents d'accionaments de flexió.
Cada AMF de la làmina teixida es va sotmetre a una pressió d'entrada d'1 MPa per generar aproximadament un 30% d'allargament (Fig. 4A).Hem escollit aquest llindar per a tot l'experiment per diversos motius: (1) per crear un allargament significatiu (aproximadament un 30%) per emfatitzar les seves corbes d'histèresi, (2) per evitar el cicle de diferents experiments i prototips reutilitzables que resultin en danys o fallades accidentals..sota alta pressió de fluid.La zona morta és clarament visible i la trena roman immòbil fins que la pressió d'entrada arriba a 0,3 MPa.El gràfic d'histèresi d'allargament de pressió mostra un gran buit entre les fases de bombeig i alliberament, cosa que indica que hi ha una pèrdua important d'energia quan la làmina teixida canvia el seu moviment d'expansió a contracció.(Fig. 4A).Després d'obtenir una pressió d'entrada d'1 MPa, la làmina teixida podria exercir una força de contracció de 5,6 N (Fig. 4B).El gràfic d'histèresi pressió-força també mostra que la corba de restabliment gairebé se solapa amb la corba d'acumulació de pressió.L'expansió de l'àrea de la làmina teixida depenia de la quantitat de pressió aplicada a cadascun dels dos AMF, tal com es mostra a la trama de superfície 3D (figura 4C).Els experiments també mostren que una làmina teixida pot produir una expansió d'àrea del 66% quan els seus AMF d'ordit i de trama estan sotmesos simultàniament a una pressió hidràulica d'1 MPa.
Els resultats experimentals per a la làmina de punt mostren un patró similar al de la làmina teixida, inclòs un ampli buit d'histèresi al diagrama de tensió-pressió i corbes de pressió-força superposades.La làmina de punt mostrava un allargament del 30%, després del qual la força de compressió era de 9 N a una pressió d'entrada d'1 MPa (Fig. 4D, E).
En el cas d'una làmina teixida rodona, la seva àrea inicial va augmentar un 25% en comparació amb l'àrea inicial després de l'exposició a una pressió de líquid d'1 MPa (Fig. 4F).Abans que la mostra comenci a expandir-se, hi ha una gran zona morta de pressió d'entrada de fins a 0,7 MPa.S'esperava aquesta gran zona morta, ja que les mostres es feien a partir d'AMF més grans que requerien pressions més altes per superar la seva tensió inicial.A la fig.4F també mostra que la corba d'alliberament gairebé coincideix amb la corba d'augment de pressió, cosa que indica poca pèrdua d'energia quan es canvia el moviment del disc.
Els resultats experimentals dels tres actuadors de flexió (reconfiguració del teixit) mostren que les seves corbes d'histèresi tenen un patró similar (figura 4G), on experimenten una zona morta de pressió d'entrada de fins a 0, 2 MPa abans de l'aixecament.Hem aplicat el mateix volum de líquid (0,035 ml) a tres unitats de flexió (L20, L30 i L50 mm).Tanmateix, cada actuador va experimentar diferents pics de pressió i va desenvolupar diferents angles de flexió.Els actuadors L20 i L30 mm van experimentar una pressió d'entrada de 0,72 i 0,67 MPa, assolint angles de flexió de 167 ° i 194 ° respectivament.L'accionament de flexió més llarg (longitud 50 mm) va suportar una pressió de 0,61 MPa i va assolir un angle de flexió màxim de 236 °.Els gràfics d'histèresi de l'angle de pressió també van revelar espais relativament grans entre les corbes de pressurització i d'alliberament de les tres unitats de flexió.
La relació entre el volum d'entrada i les propietats de sortida (allargament, força, expansió de l'àrea, angle de flexió) per a les configuracions tèxtils intel·ligents anteriors es pot trobar a la figura complementària S2.
Els resultats experimentals de la secció anterior demostren clarament la relació proporcional entre la pressió d'entrada aplicada i l'allargament de sortida de mostres d'AMF.Com més fort és l'AMB, més gran és l'allargament que desenvolupa i més energia elàstica acumula.Per tant, com més gran és la força de compressió que exerceix.Els resultats també van mostrar que les mostres van assolir la seva màxima força de compressió quan es va eliminar completament la pressió d'entrada.Aquesta secció pretén establir una relació directa entre l'allargament i la força de contracció màxima de les làmines de punt i teixides mitjançant el modelatge analític i la verificació experimental.
La màxima força contràctil Fout (a la pressió d'entrada P = 0) d'un sol AMF es va donar a la referència 49 i es va tornar a introduir de la següent manera:
Entre ells, α, E i A0 són el factor d'estirament, el mòdul de Young i l'àrea de la secció transversal del tub de silicona, respectivament;k és el coeficient de rigidesa de la bobina espiral;x i li són desplaçaments i longitud inicial.AMP, respectivament.
l'equació correcta.(1) Preneu com a exemple llençols de punt i teixits (Fig. 5A, B).Les forces de contracció del producte de punt Fkv i del producte teixit Fwh s'expressen mitjançant l'equació (2) i (3), respectivament.
on mk és el nombre de bucles, φp és l'angle de bucle del teixit de punt durant la injecció (Fig. 5A), mh és el nombre de fils, θhp és l'angle d'enganxament del teixit de punt durant la injecció (Fig. 5B), εkv εwh és la làmina de punt i la deformació de la làmina teixida, F0 és la tensió inicial de la bobina espiral.Derivació detallada de l'equació.(2) i (3) es poden trobar a la informació de suport.
Crear un model analític per a la relació elongació-força.(A, B) Il·lustracions de models analítics per a làmines de punt i teixides, respectivament.(C,D) Comparació de models analítics i dades experimentals per a làmines de punt i teixits.RMSE Error quadrat mitjà de l'arrel.
Per provar el model desenvolupat, vam realitzar experiments d'allargament utilitzant els patrons de punt de la figura 2A i mostres trenades a la figura 2B.La força de contracció es va mesurar en increments del 5% per a cada extensió bloquejada del 0% al 50%.La mitjana i la desviació estàndard dels cinc assaigs es presenten a la figura 5C (punt) i la figura 5D (punt).Les corbes del model analític es descriuen mitjançant equacions.Els paràmetres (2) i (3) es donen a la taula.1. Els resultats mostren que el model analític està d'acord amb les dades experimentals en tot el rang d'allargament amb un error quadrat mitjà (RMSE) de 0,34 N per a peces de punt, 0,21 N per a teixit AMF H (direcció horitzontal) i 0,17 N. per teixit AMF.V (direcció vertical).
A més dels moviments bàsics, els teixits intel·ligents proposats es poden programar mecànicament per proporcionar moviments més complexos, com ara la flexió en S, la contracció radial i la deformació 2D a 3D.Presentem aquí diversos mètodes per programar teixits intel·ligents plans en estructures desitjades.
A més d'ampliar el domini en la direcció lineal, les làmines teixides unidireccionals es poden programar mecànicament per crear moviment multimodal (Fig. 6A).Reconfigurem l'extensió del full trenat com un moviment de flexió, restringint una de les seves cares (superior o inferior) amb fil de cosir.Les làmines tendeixen a doblegar-se cap a la superfície de límit sota pressió.A la fig.La figura 6A mostra dos exemples de panells teixits que esdevenen en forma de S quan una meitat està estreta a la part superior i l'altra meitat a la part inferior.Alternativament, podeu crear un moviment de flexió circular on només es restringeixi tota la cara.També es pot convertir una làmina trenada unidireccional en una màniga de compressió connectant els seus dos extrems en una estructura tubular (Fig. 6B).La màniga es porta sobre el dit índex d'una persona per proporcionar compressió, una forma de massatge teràpia per alleujar el dolor o millorar la circulació.Es pot escalar per adaptar-se a altres parts del cos, com ara braços, malucs i cames.
Capacitat de teixir llençols en una direcció.(A) Creació d'estructures deformables a causa de la programabilitat de la forma dels fils de cosir.(B) Màniga de compressió dels dits.(C) Una altra versió de la làmina trenada i la seva implementació com a màniga de compressió de l'avantbraç.(D) Un altre prototip de màniga de compressió feta amb AMF tipus M, fil acrílic i corretges de velcro.Les especificacions detallades es poden trobar a la secció Mètodes.
La figura 6C mostra un altre exemple d'un full teixit unidireccional fet d'un sol fil AMF i cotó.La làmina pot expandir-se un 45% d'àrea (a 1,2 MPa) o provocar moviment circular sota pressió.També hem incorporat una làmina per crear una màniga de compressió de l'avantbraç enganxant corretges magnètiques a l'extrem de la làmina.A la figura 6D es mostra un altre prototip de màniga de compressió de l'avantbraç, en què es van fabricar làmines trenades unidireccionals a partir de tipus M AMF (vegeu Mètodes) i fils acrílics per generar forces de compressió més fortes.Hem equipat els extrems dels llençols amb corretges de velcro per a una fàcil fixació i per a diferents mides de mans.
La tècnica de contenció, que converteix l'extensió lineal en moviment de flexió, també és aplicable a les làmines teixides bidireccionals.Teixim els fils de cotó a un costat de l'ordit i trames llençols teixits perquè no s'expandeixin (Fig. 7A).Així, quan dos AMF reben pressió hidràulica independentment l'un de l'altre, la làmina experimenta un moviment de flexió bidireccional per formar una estructura tridimensional arbitrària.En un altre enfocament, utilitzem fils inextensibles per limitar una direcció de les làmines teixides bidireccionals (figura 7B).Així, la làmina pot fer moviments de flexió i estirament independents quan l'AMF corresponent està sota pressió.A la fig.La figura 7B mostra un exemple en què es controla un full trenat bidireccional per embolicar al voltant de dos terços d'un dit humà amb un moviment de flexió i després estendre la seva longitud per cobrir la resta amb un moviment d'estirament.El moviment bidireccional dels llençols pot ser útil per al disseny de moda o el desenvolupament de roba intel·ligent.
Full teixit bidireccional, full de punt i capacitats de disseny radialment ampliables.(A) Panells de vímet bidireccionals units bidireccionals per crear una corba bidireccional.(B) Els panells de vímet bidireccionals restringits unidireccionalment produeixen flexió i allargament.(C) Full de punt altament elàstic, que pot adaptar-se a diferents curvatures superficials i fins i tot formar estructures tubulars.(D) delimitació de la línia central d'una estructura que s'expandeix radialment formant una forma parabòlica hiperbòlica (patates fregides).
Vam connectar dos bucles adjacents de les files superior i inferior de la part de punt amb fil de cosir perquè no es desenrollés (Fig. 7C).Així, la làmina teixida és totalment flexible i s'adapta bé a diverses corbes superficials, com ara la superfície de la pell de les mans i els braços humans.També hem creat una estructura tubular (màniga) connectant els extrems de la peça de punt en la direcció de la marxa.La màniga envolta bé el dit índex de la persona (Fig. 7C).La sinuositat del teixit proporciona un ajust i una deformabilitat excel·lents, facilitant el seu ús en roba intel·ligent (guants, mànigues de compressió), proporcionant comoditat (a través de l'ajust) i efecte terapèutic (a través de la compressió).
A més de l'expansió radial 2D en múltiples direccions, també es poden programar làmines teixides circulars per formar estructures 3D.Hem limitat la línia central de la trena rodona amb fil acrílic per interrompre la seva expansió radial uniforme.Com a resultat, la forma plana original de la làmina teixida rodona es va transformar en una forma parabòlica hiperbòlica (o patates fregides) després de la pressurització (Fig. 7D).Aquesta capacitat de canvi de forma es podria implementar com a mecanisme d'elevació, una lent òptica, potes de robot mòbil o podria ser útil en disseny de moda i robots biònics.
Hem desenvolupat una tècnica senzilla per crear unitats de flexió enganxant AMF a una tira de teixit no estirable (figura 3).Utilitzem aquest concepte per crear fils de forma programable on podem distribuir estratègicament múltiples seccions actives i passives en un AMF per crear les formes desitjades.Hem fabricat i programat quatre filaments actius que podrien canviar la seva forma de recta a lletra (UNSW) a mesura que augmentava la pressió (figura suplementària S4).Aquest mètode senzill permet que la deformabilitat de l'AMF converteixi línies 1D en formes 2D i possiblement fins i tot estructures 3D.
En un enfocament similar, vam utilitzar un únic AMF per reconfigurar un tros de teixit normal passiu en un tetràpode actiu (Fig. 8A).Els conceptes d'encaminament i programació són similars als que es mostren a la figura 3C.Tanmateix, en comptes de llençols rectangulars, van començar a utilitzar teles amb un patró quadrúpede (tortuga, muselina de cotó).Per tant, les cames són més llargues i l'estructura es pot aixecar més.L'alçada de l'estructura augmenta gradualment sota pressió fins que les seves potes queden perpendiculars al terra.Si la pressió d'entrada continua augmentant, les cames s'enfonsaran cap a dins, baixant l'alçada de l'estructura.Els tetràpodes poden realitzar la locomoció si les seves cames estan equipades amb patrons unidireccionals o utilitzen múltiples AMF amb estratègies de manipulació del moviment.Els robots de locomoció suaus són necessaris per a una varietat de tasques, com ara rescats d'incendis forestals, edificis col·lapsats o entorns perillosos i robots de lliurament de medicaments mèdics.
El teixit es reconfigura per crear estructures que canvien de forma.(A) Enganxeu l'AMF a la vora del full de teixit passiu, convertint-lo en una estructura orientable de quatre potes.(BD) Dos exemples més de reconfiguració de teixits, convertint papallones i flors passives en actives.Teixit no elàstic: muselina de cotó llisa.
També aprofitem la simplicitat i la versatilitat d'aquesta tècnica de reconfiguració de teixits introduint dues estructures bioinspirades addicionals per remodelar (figures 8B-D).Amb un AMF encaminable, aquestes estructures deformables en forma es reconfiguren des de làmines de teixit passiu fins a estructures actives i orientables.Inspirats en la papallona monarca, vam fer una estructura de papallona transformadora utilitzant un tros de tela en forma de papallona (muselina de cotó) i un tros llarg d'AMF enganxat sota les seves ales.Quan l'AMF està sota pressió, les ales es pleguen cap amunt.Igual que la papallona monarca, les ales esquerra i dreta del robot papallona baten de la mateixa manera perquè totes dues estan controlades per l'AMF.Les solapes de papallona només tenen finalitats de visualització.No pot volar com Smart Bird (Festo Corp., EUA).També hem fet una flor de tela (Figura 8D) formada per dues capes de cinc pètals cadascuna.Vam col·locar l'AMF a sota de cada capa després de la vora exterior dels pètals.Inicialment, les flors estan en plena floració, amb tots els pètals totalment oberts.Sota pressió, l'AMF provoca un moviment de flexió dels pètals, fent-los tancar.Els dos AMF controlen de manera independent el moviment de les dues capes, mentre que els cinc pètals d'una capa es flexionen al mateix temps.