tékstil pinter ngagunakeun serat otot jieunan cairan-disetir

Hatur nuhun pikeun ngadatangan Nature.com.Anjeun nganggo versi browser kalayan dukungan CSS kawates.Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun yén anjeun nganggo browser anu diropéa (atanapi nganonaktipkeun Mode Kasaluyuan dina Internet Explorer).Sajaba ti éta, pikeun mastikeun rojongan lumangsung, urang némbongkeun situs tanpa gaya na JavaScript.
Nampilkeun carousel tilu slide sakaligus.Pake tombol Saméméhna jeung Salajengna pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu, atawa make tombol geseran di ahir pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu.
Ngagabungkeun tékstil sareng otot jieunan pikeun nyiptakeun tékstil pinter narik seueur perhatian ti komunitas ilmiah sareng industri.Tékstil pinter nawiskeun seueur mangpaat, kalebet kanyamanan adaptif sareng tingkat luhur konformasi kana objék bari nyayogikeun aktuasi aktip pikeun gerakan sareng kakuatan anu dipikahoyong.Artikel ieu presents kelas anyar fabrics pinter programmable dijieun maké rupa-rupa métode anyaman, anyaman jeung gluing serat otot jieunan cairan-disetir.Model matematika dikembangkeun pikeun ngajelaskeun rasio gaya elongasi tina rajutan sareng anyaman lembaran tékstil, teras validitasna diuji sacara ékspériméntal.Tekstil "pinter" anyar gaduh kalenturan anu luhur, konformalitas, sareng program mékanis, ngamungkinkeun gerakan multi-modal sareng kamampuan deformasi pikeun aplikasi anu langkung lega.Rupa-rupa prototipe tékstil pinter geus dijieun ngaliwatan verifikasi ékspériméntal, kaasup rupa-rupa kasus robah bentuk kayaning elongation (nepi ka 65%), ékspansi aréa (108%), ékspansi radial (25%), sarta gerak bending.Konsep rekonfigurasi jaringan tradisional pasif kana struktur aktif pikeun struktur biomimetic shaping ogé keur digali.Tékstil pinter anu diusulkeun dipiharep tiasa ngagampangkeun pamekaran anu tiasa dianggo pinter, sistem haptic, robot lemes biomimetik, sareng éléktronika anu tiasa dianggo.
Robot kaku éféktif nalika digawé di lingkungan terstruktur, tapi boga masalah jeung konteks kanyahoan ngarobah lingkungan, nu ngawatesan pamakéan maranéhanana dina pilarian atawa éksplorasi.Alam terus kaget urang ku loba strategi inventive nungkulan faktor éksternal sarta diversity.Contona, tendrils tutuwuhan climbing ngalakukeun gerakan multimodal, kayaning bending jeung spiraling, pikeun ngajajah lingkungan kanyahoan dina neangan rojongan cocog1.Perangkap laleur Venus (Dionaea muscipula) boga bulu sénsitip dina daunna anu, nalika dipicu, nyerep kana tempatna pikeun nyekel mangsa2.Dina taun-taun ayeuna, deformasi atanapi deformasi awak tina permukaan dua diménsi (2D) kana bentuk tilu diménsi (3D) anu meniru struktur biologis parantos janten topik panalungtikan anu pikaresepeun3,4.Konfigurasi robotic lemes ieu ngarobah bentuk pikeun adaptasi jeung lingkungan ngarobah, ngaktifkeun locomotion multimodal, sarta nerapkeun gaya pikeun ngalakukeun pagawean mékanis.Jangkauan maranéhanana geus ngalegaan ka rupa-rupa aplikasi robotics, kaasup deployables5, reconfigurable na timer tilepan robots6,7, alat biomedis8, kandaraan9,10 jeung éléktronika expandable11.
Loba panalungtikan geus dipigawé pikeun ngembangkeun piring datar programmable nu, nalika diaktipkeun, robah jadi struktur tilu diménsi kompléks3.Hiji gagasan basajan pikeun nyieun struktur deformable nyaéta ngagabungkeun lapisan bahan béda nu flex na wrinkle mun kakeunaan stimuli12,13.Janbaz et al.14 jeung Li et al.15 parantos ngalaksanakeun konsép ieu pikeun nyiptakeun robot deformable multimodal anu sénsitip panas.Struktur basis origami incorporating elemen stimulus-responsif geus dipaké pikeun nyieun struktur tilu diménsi kompléks16,17,18.Diideuan ku morfogenesis struktur biologis, Emmanuel et al.Elastomer-deformable bentukna dijieun ku cara ngatur saluran hawa dina beungeut karét nu, dina tekenan, robah jadi kompléks, wangun tilu diménsi sawenang.
Integrasi tékstil atanapi lawon kana robot lemes deformable mangrupikeun proyék konsép énggal anu parantos ngahasilkeun minat anu nyebar.Tékstil nyaéta bahan lemes sareng elastis anu didamel tina benang ku téknik anyaman sapertos nyulam, anyaman, jalinan, atanapi anyaman knot.Sipat luar biasa tina lawon, kalebet kalenturan, pas, élastisitas sareng engapan, ngajantenkeun aranjeunna populer pisan dina sagala hal tina pakean dugi ka aplikasi médis20.Aya tilu pendekatan lega pikeun ngasupkeun tékstil kana robotics21.Pendekatan anu munggaran nyaéta ngagunakeun tékstil salaku panyungsi pasip atanapi dasar pikeun komponén anu sanés.Dina hal ieu, tékstil pasip nyadiakeun fit nyaman keur pamaké nalika mawa komponén kaku (motor, sensor, catu daya).Paling robot wearable lemes atawa exoskeletons lemes digolongkeun dina pendekatan ieu.Contona, exoskeletons anu tiasa dianggo lemes pikeun alat bantu leumpang 22 sareng alat bantu siku 23, 24, 25, sarung tangan anu tiasa dianggo lemes 26 pikeun alat bantu leungeun sareng ramo, sareng robot lemes bionic 27.
Pendekatan kadua nyaéta ngagunakeun tékstil salaku komponén pasip sareng kawates alat robotic lemes.Actuators dumasar tékstil digolongkeun kana kategori ieu, dimana lawon biasana diwangun salaku wadah luar ngandung selang jero atawa chamber, ngabentuk actuator bertulang serat lemes.Nalika ngalaman sumber pneumatik atanapi hidrolik éksternal, aktuator lemes ieu ngalaman parobahan bentuk, kalebet manjang, bending atanapi twisting, gumantung kana komposisi sareng konfigurasi aslina.Contona, Talman et al.Pakean ankle ortopedi, diwangun ku runtuyan kantong lawon, geus diwanohkeun pikeun mempermudah flexion plantar mulangkeun gait28.Lapisan tékstil kalayan ékstensibilitas anu béda-béda tiasa digabungkeun pikeun nyiptakeun gerakan anisotropik 29 .OmniSkins - kulit robotic lemes dijieun tina rupa-rupa actuators lemes sareng bahan substrat bisa transformasi objék pasip kana robot aktip multifungsi nu bisa ngalakukeun gerakan multi-modal sarta deformasi pikeun sagala rupa aplikasi.Zhu et al.geus ngembangkeun hiji jaringan otot sheet31 cair nu bisa ngahasilkeun elongation, bending, sarta sagala rupa gerakan deformasi.Buckner et al.Ngahijikeun serat fungsional kana jaringan konvensional pikeun nyieun jaringan robotic kalawan sababaraha fungsi kayaning actuation, sensing, sarta stiffness variabel32.Métode séjén dina kategori ieu tiasa dipendakan dina makalah 21, 33, 34, 35.
Pendekatan anu anyar pikeun ngamangpaatkeun sipat tékstil anu unggul dina widang robotika lemes nyaéta ngagunakeun filamén réaktif atanapi stimulus-responsif pikeun nyiptakeun tékstil pinter nganggo metode manufaktur tékstil tradisional sapertos anyaman, nyulam sareng metode anyaman21,36,37.Gumantung kana komposisi bahan, benang réaktif ngabalukarkeun parobahan dina bentuk nalika subjected kana aksi listrik, termal atawa tekanan, nu ngabalukarkeun deformasi lawon.Dina pendekatan ieu, dimana tékstil tradisional diintegrasikeun kana sistem robotic lemes, reshaping tékstil lumangsung dina lapisan jero (benang) tinimbang lapisan luar.Sapertos kitu, tékstil pinter nawiskeun penanganan anu saé dina hal gerakan multimodal, deformasi anu tiasa diprogram, régangan, sareng kamampuan pikeun nyaluyukeun kaku.Contona, alloy memori bentuk (SMA) jeung polimér memori bentuk (SMPs) bisa diasupkeun kana fabrics pikeun aktip ngadalikeun bentuk maranéhanana ngaliwatan stimulasi termal, kayaning hemming38, ngaleupaskeun wrinkle36,39, tactile jeung tactile feedback40,41, kitu ogé adaptif. pakean anu tiasa dianggo.paranti 42 .Tapi, pamakéan énérgi termal pikeun pemanasan sarta cooling ngakibatkeun respon slow sarta cooling hésé tur kontrol.Nu leuwih anyar, Hiramitsu et al.Otot halus McKibben43,44, otot jieunan pneumatik, dianggo salaku benang lungsin pikeun nyiptakeun rupa-rupa tékstil aktip ku cara ngarobah struktur anyaman45.Sanajan pendekatan ieu nyadiakeun kakuatan tinggi, alatan sipat otot McKibben, laju ékspansi na diwatesan (<50%) jeung ukuran leutik teu bisa kahontal (diaméter <0,9 mm).Sajaba ti éta, geus hésé pikeun ngabentuk pola tékstil pinter tina métode anyaman anu merlukeun juru seukeut.Pikeun ngabentuk rentang lega tina tékstil pinter, Maziz et al.Tékstil anu tiasa dianggo éléktroaktif parantos dikembangkeun ku nyulam sareng nyulam benang polimér sénsitip46.
Dina taun anyar, tipe anyar otot jieunan thermosensitive geus mecenghul, diwangun tina kacida twisted, serat polimér murah47,48.Serat ieu sadia komersil sarta gampang diasupkeun kana anyaman atawa anyaman pikeun ngahasilkeun baju pinter affordable.Sanaos kamajuan, tékstil sénsitip panas énggal ieu gaduh waktos réspon terbatas kusabab peryogi pemanasan sareng pendinginan (sapertos tékstil anu dikontrol suhu) atanapi kasusah ngadamel pola rajutan sareng anyaman anu kompleks anu tiasa diprogram pikeun ngahasilkeun deformasi sareng gerakan anu dipikahoyong. .Conto kalebet ékspansi radial, transformasi bentuk 2D ka 3D, atanapi ékspansi dua arah, anu kami tawarkeun di dieu.
Pikeun ngatasi masalah anu kasebat, tulisan ieu nampilkeun tékstil pinter anu didorong ku cairan anu didamel tina serat otot jieunan lemes (AMF) 49,50,51.AMFs kacida fléksibel, scalable sarta bisa diréduksi jadi diaméterna 0,8 mm sarta panjangna badag (sahenteuna 5000 mm), nawarkeun rasio aspék tinggi (panjang ka diaméterna) ogé elongation tinggi (sahenteuna 245%), énergi tinggi. efisiensi, kirang ti 20Hz respon gancang).Pikeun nyiptakeun tékstil pinter, kami nganggo AMF salaku benang aktip pikeun ngabentuk lapisan otot aktif 2D ngaliwatan téknik nyulam sareng anyaman.Kami sacara kuantitatif ngulik laju ékspansi sareng gaya kontraksi jaringan "pinter" ieu dina hal volume cairan sareng tekanan anu dikirimkeun.Model analitik geus dimekarkeun pikeun ngadegkeun hubungan gaya elongation pikeun knitted na anyaman lambar.Urang ogé ngajelaskeun sababaraha téhnik programming mékanis pikeun tékstil pinter pikeun gerakan multimodal, kaasup extension bi-arah, bending, ékspansi radial, sarta kamampuhan pikeun transisi tina 2D ka 3D.Pikeun nunjukkeun kakuatan pendekatan kami, kami ogé bakal ngahijikeun AMF kana lawon komérsial atanapi tékstil pikeun ngarobih konfigurasina tina pasip kana struktur aktip anu nyababkeun rupa-rupa deformasi.Kami ogé parantos nunjukkeun konsép ieu dina sababaraha bangku uji ékspérimén, kalebet ngabengkokkeun benang anu tiasa diprogram pikeun ngahasilkeun hurup anu dipikahoyong sareng struktur biologis anu ngarobah bentuk kana bentuk objék sapertos kukupu, struktur quadrupedal sareng kembang.
Tekstil mangrupikeun struktur dua diménsi anu fleksibel anu dibentuk tina benang hiji diménsi anu dijalin sapertos benang, benang sareng serat.Tekstil mangrupikeun salah sahiji téknologi pangkolotna umat manusa sareng seueur dianggo dina sagala aspek kahirupan kusabab kanyamanan, adaptasi, réspirasi, éstétika sareng panyalindungan.Tékstil pinter (ogé katelah baju pinter atanapi lawon robotic) beuki seueur dianggo dina panalungtikan kusabab poténsi anu ageung dina aplikasi robotic20,52.tékstil pinter janji pikeun ngaronjatkeun pangalaman manusa tina interacting jeung objék lemes, ushering dina shift paradigma di sawah dimana gerakan sarta gaya ipis, lawon fléksibel bisa dikawasa pikeun ngalakukeun tugas husus.Dina makalah ieu, urang neuleuman dua pendekatan kana produksi tékstil pinter dumasar kana AMF49 panganyarna kami: (1) ngagunakeun AMF salaku benang aktip pikeun nyieun tékstil pinter ngagunakeun téhnologi manufaktur tékstil tradisional;(2) selapkeun AMF langsung kana fabrics tradisional pikeun merangsang gerakan dipikahoyong tur deformasi.
AMF diwangun ku tabung silikon internal pikeun nyayogikeun kakuatan hidrolik sareng coil hélik éksternal pikeun ngawatesan ékspansi radial na.Ku kituna, AMFs manjang longitudinal nalika tekanan diterapkeun sarta salajengna némbongkeun gaya contractile balik ka panjang aslina lamun tekanan dileupaskeun.Aranjeunna mibanda sipat sarupa serat tradisional, kaasup kalenturan, diaméter leutik sarta panjangna panjang.Nanging, AMF langkung aktip sareng dikawasa dina hal gerakan sareng kakuatan tibatan mitra konvensional na.Diideuan ku kamajuan gancang dina tékstil pinter, di dieu kami nampilkeun opat pendekatan utama pikeun ngahasilkeun tékstil pinter ku cara nerapkeun AMF kana téknologi manufaktur lawon anu parantos lami (Gambar 1).
Cara kahiji nyaéta anyaman.Kami nganggo téknologi nyulam weft pikeun ngahasilkeun lawon rajutan réaktif anu dibuka dina hiji arah nalika digerakkeun sacara hidrolik.Lembar rajutan pisan elastis sareng manjang tapi langkung gampang ngabongkar tibatan sepré anyaman.Gumantung kana métode kontrol, AMF bisa ngabentuk baris individu atawa produk lengkep.Salian cadar datar, pola nyulam tubular ogé cocog pikeun pembuatan struktur kerung AMF.Metodeu kadua nyaéta anyaman, dimana urang ngagunakeun dua AMFs salaku Lungsi sarta weft pikeun ngabentuk lambaran anyaman rectangular nu bisa dilegakeun mandiri dina dua arah.Anyaman lambar nyadiakeun leuwih kontrol (dina duanana arah) ti knitted cadar.Urang ogé anyaman AMF tina benang tradisional pikeun nyieun lambaran anyaman basajan nu ngan bisa unwound dina hiji arah.Metodeu katilu - ékspansi radial - mangrupakeun varian tina téknik anyaman, dimana AMP henteu aya dina sagi opat, tapi dina spiral, sareng benang nyayogikeun konstrain radial.Dina hal ieu, untun ngembang sacara radial dina tekanan inlet.Pendekatan kaopat nyaéta nempelkeun AMF kana lambaran lawon pasip pikeun nyiptakeun gerakan ngagulung dina arah anu dipikahoyong.Kami geus reconfigured dewan breakout pasip kana hiji dewan breakout aktip ku ngajalankeun AMF sabudeureun ujung na.Sifat AMF anu tiasa diprogram ieu muka kamungkinan anu teu kaétang pikeun struktur lemes-transformasi bentuk-bio-diideuan dimana urang tiasa ngarobih objék pasip janten anu aktip.Metoda ieu basajan, gampang, sareng gancang, tapi tiasa kompromi umur panjang prototipe.Nu maca disebut pendekatan séjén dina literatur nu jéntré kaunggulan jeung kalemahan unggal jaringan property21,33,34,35.
Kalolobaan benang atawa benang dipaké pikeun nyieun lawon tradisional ngandung struktur pasif.Dina karya ieu, kami nganggo AMF anu parantos dikembangkeun sateuacana, anu tiasa ngahontal panjang méter sareng diaméter submillimeter, pikeun ngagentos benang tékstil pasip tradisional sareng AFM pikeun nyiptakeun lawon anu cerdas sareng aktip pikeun aplikasi anu langkung lega.Bagian di handap ieu ngajelaskeun metode anu lengkep pikeun ngadamel prototipe tékstil pinter sareng nampilkeun fungsi sareng paripolah utamana.
Urang handcrafted tilu jerseys AMF ngagunakeun téhnik nyulam weft (Gbr. 2A).Pilihan bahan sareng spésifikasi lengkep pikeun AMF sareng prototipe tiasa dipendakan dina bagian Métode.Unggal AMF nuturkeun jalur pungkal (disebut oge jalur) nu ngabentuk loop simetris.Gelung unggal baris dibenerkeun ku puteran barisan di luhur sareng di handapna.Cingcin tina hiji kolom jejeg kursus digabungkeun kana aci a.Prototipe knitted kami diwangun ku tilu jajar tujuh jahitan (atawa tujuh jahitan) dina unggal baris.Cingcin luhur jeung handap teu dibereskeun, sangkan bisa ngagantelkeun kana rod logam pakait.Prototipe knitted unraveled leuwih gampang ti fabrics knitted konvensional alatan stiffness luhur AMF dibandingkeun yarns konvensional.Ku alatan éta, urang ngabeungkeut puteran barisan padeukeut jeung cords elastis ipis.
Rupa-rupa prototipe tékstil pinter dilaksanakeun kalayan konfigurasi AMF anu béda.(A) Knitted lambar dijieunna tina tilu AMFs.(B) Dua arah anyaman lambar dua AMFs.(C) Lambaran anyaman saarah anu didamel tina AMF sareng benang akrilik tiasa nanggung beban 500g, nyaéta 192 kali beuratna (2.6g).(D) Struktur ngembangna radial sareng hiji AMF sareng benang katun salaku konstrain radial.Spésifikasi lengkep tiasa dipendakan dina bagian Métode.
Sanaos puteran zigzag tina knit tiasa manteng dina arah anu béda, prototipe knit urang ngalegaan utamina dina arah loop dina tekenan kusabab watesan dina arah perjalanan.Manjangkeun unggal AMF nyumbang kana ékspansi total luas lambaran rajutan.Gumantung kana sarat husus, urang bisa ngadalikeun tilu AMFs bebas tina tilu sumber cairan béda (Gambar 2A) atawa sakaligus ti hiji sumber cairan via distributor cairan 1-to-3.Dina Gbr.2A nunjukkeun conto prototipe rajutan, daérah awalna ningkat ku 35% nalika nerapkeun tekanan kana tilu AMP (1.2 MPa).Utamana, AMF ngahontal elongation luhur sahenteuna 250% tina panjang aslina49 jadi lambar knitted bisa manjang malah leuwih ti versi ayeuna.
Kami ogé nyiptakeun lambaran anyaman dua arah anu dibentuk tina dua AMF nganggo téknik anyaman polos (Gambar 2B).Warp sareng weft AMF dihijikeun dina sudut anu leres, ngabentuk pola silang silang anu sederhana.Anyaman prototipe kami digolongkeun kana anyaman polos anu saimbang sabab benang lungsin sareng benang weft dijieun tina ukuran benang anu sami (tingali bagian Métode pikeun detil).Beda sareng benang biasa anu tiasa ngabentuk lipatan anu seukeut, AMF anu diterapkeun peryogi radius bending anu tangtu nalika uih deui ka benang sanés tina pola anyaman.Ku alatan éta, anyaman lambar dijieunna tina AMP boga kapadetan handap dibandingkeun tékstil anyaman konvensional.AMF-tipe S (diaméterna luar 1,49 mm) ngabogaan radius bending minimum 1,5 mm.Salaku conto, anyaman prototipe anu kami hadir dina tulisan ieu ngagaduhan pola benang 7 × 7 dimana unggal simpang distabilkeun ku cangreud tina tali elastis ipis.Nganggo téknik anyaman anu sami, anjeun tiasa nampi langkung seueur untaian.
Nalika AMF anu saluyu nampi tekanan cairan, lambaran anyaman ngalegaan daérahna dina arah lungsin atanapi weft.Ku alatan éta, kami ngadalikeun diménsi lambaran braided (panjangna sarta rubak) ku bebas ngarobah jumlah tekanan inlet dilarapkeun ka dua AMPs.Dina Gbr.2B nembongkeun prototipe anyaman nu dimekarkeun nepi ka 44% wewengkon aslina bari nerapkeun tekanan ka hiji AMP (1.3 MPa).Kalayan aksi simultaneous tekanan dina dua AMFs, wewengkon ngaronjat ku 108%.
Urang ogé dijieun lambar anyaman unidirectional ti AMF tunggal kalawan warp na akrilik yarns sakumaha weft (Gambar 2C).AMFs disusun dina tujuh jajar zigzag sarta benang ninun jajar AMF ieu babarengan pikeun ngabentuk lambar rectangular lawon.prototipe anyaman Ieu denser ti Gbr. 2B, hatur nuhun kana threads acrylic lemes anu gampang ngeusi sakabéh lambar.Kusabab urang ngan ngagunakeun hiji AMF salaku Lungsi, lambaran anyaman ngan bisa dilegakeun ka arah Lungsi dina tekenan.Gambar 2C nunjukkeun conto prototipe anyaman anu aréa awalna ningkat ku 65% ​​sareng ningkatna tekanan (1,3 MPa).Sajaba ti éta, sapotong braided ieu (beuratna 2,6 gram) bisa ngangkat beban 500 gram, nu 192 kali massa na.
Gantina nyusun AMF dina pola zigzag pikeun nyieun lambaran anyaman rectangular, urang fabricated bentuk spiral datar tina AMF, nu lajeng radially konstrain jeung benang katun pikeun nyieun hiji lambar anyaman buleud (Gambar 2D).Kaku AMF anu luhur ngabatesan keusikan di daérah tengah piring.Nanging, padding ieu tiasa didamel tina benang elastis atanapi lawon elastis.Kana nampi tekanan hidrolik, anu AMP ngarobah elongation longitudinal na kana ékspansi radial tina lambar.Ogé sia ​​noting yén duanana diaméter luar jeung batin tina bentuk spiral ngaronjat alatan watesan radial filamén.Gambar 2D nunjukkeun yén kalayan tekanan hidrolik anu diterapkeun 1 MPa, bentuk lambaran buleud ngalegaan ka 25% tina daérah aslina.
Urang nampilkeun didieu pendekatan kadua pikeun nyieun tékstil pinter dimana urang lem hiji AMF kana salembar datar tina lawon sarta reconfigure tina pasip kana struktur dikawasa aktip.Diagram desain drive bending ditémbongkeun dina Gbr.3A, dimana AMP ieu narilep handap tengah jeung glued ka strip tina lawon inextensible (katun muslin lawon) ngagunakeun pita dua kali sided salaku napel.Sakali disegel, luhureun AMF bébas ngalegaan, sedengkeun handap diwatesan ku pita jeung lawon, ngabalukarkeun strip ngabengkokkeun ka arah lawon.Urang tiasa nganonaktipkeun bagian mana waé tina aktuator tikungan dimana waé ku ngan saukur nempelkeun pita dina éta.Bagéan anu dinonaktipkeun teu tiasa gerak sareng janten bagéan pasif.
Lawon dikonfigurasi deui ku nempelkeun AMF kana lawon tradisional.(A) Konsep desain pikeun drive bending dijieun ku gluing a AMF narilep kana lawon inextensible.(B) Bending tina prototipe actuator.(C) Reconfiguration tina lawon rectangular kana robot aktif opat suku.lawon inelastic: katun jersey.lawon manteng: poliéster.Spésifikasi lengkep tiasa dipendakan dina bagian Métode.
Urang nyieun sababaraha prototipe bending actuators tina panjangna béda jeung pressurized aranjeunna kalayan hydraulics nyieun gerak bending (Gambar 3B).Anu penting, AMF tiasa ditata dina garis anu lempeng atanapi narilep pikeun ngabentuk sababaraha benang teras dipasang kana lawon pikeun nyiptakeun drive bending kalayan jumlah benang anu pas.Urang ogé ngarobah lambaran jaringan pasip kana struktur tetrapod aktif (Gambar 3C), dimana urang ngagunakeun AMF pikeun jalur wates jaringan inextensible rectangular (lawon muslin katun).AMP digantelkeun kana lawon nganggo sapotong pita dua sisi.Bagian tengah unggal sisi ditémpél janten pasif, sedengkeun opat juru tetep aktip.Panutup luhur lawon manteng (poliéster) nyaéta pilihan.Opat juru lawon ngabengkokkeun (sigana suku) lamun dipencet.
Kami ngawangun bangku tés pikeun ngulik sacara kuantitatif sipat tékstil pinter anu dikembangkeun (tingali bagian Métode sareng Gambar Tambahan S1).Kusabab sakabeh sampel dijieunna tina AMF, trend umum tina hasil eksperimen (Gbr. 4) konsisten jeung ciri utama AMF, nyaéta, tekanan inlet sabanding langsung jeung elongation outlet sarta tibalik sabanding jeung gaya komprési.Tapi, lawon pinter ieu gaduh ciri unik anu ngagambarkeun konfigurasi khususna.
Fitur konfigurasi tékstil pinter.(A, B) Kurva histerisis pikeun tekanan inlet sareng manjangkeun outlet sareng gaya pikeun lembaran anyaman.(C) Perluasan wewengkon lembaran anyaman.(D,E) Hubungan antara tekanan input sarta elongation kaluaran sarta gaya pikeun knitwear.(F) Ékspansi aréa struktur radially ngembangna.(G) Bending sudut tilu béda panjang bending drive.
Unggal AMF tina lambaran anyaman ieu subjected ka tekanan inlet 1 MPa ngahasilkeun kira 30% elongation (Gbr. 4A).Urang milih bangbarung ieu pikeun sakabéh percobaan pikeun sababaraha alesan: (1) nyieun elongation signifikan (kira 30%) pikeun ngantebkeun kurva hysteresis maranéhna, (2) pikeun nyegah Ngabuburit tina percobaan béda jeung purwa bisa dipaké deui hasilna karuksakan teu kahaja atawa gagal..dina tekanan cairan anu luhur.Zona maot jelas katingali, sareng jalinan tetep teu gerak dugi tekanan inlet ngahontal 0,3 MPa.Plot hysteresis elongation tekanan nembongkeun gap badag antara fase ngompa jeung ngaleupaskeun, nunjukkeun yén aya leungitna signifikan énergi nalika lambaran anyaman robah gerak na ti ékspansi kana kontraksi.(Gbr. 4A).Sanggeus meunangkeun tekanan inlet 1 MPa, lambaran anyaman bisa exert gaya kontraksi 5,6 N (Gbr. 4B).Plot histeresis gaya tekanan ogé nunjukkeun yén kurva reset ampir tumpang tindih sareng kurva tekanan ngawangun.Perluasan wewengkon lembar anyaman gumantung kana jumlah tekanan dilarapkeun ka unggal dua AMFs, ditémbongkeun saperti dina plot permukaan 3D (Gambar 4C).Ékspérimén ogé nunjukkeun yén hiji lambar anyaman tiasa ngahasilkeun ékspansi daérah 66% nalika AMF lungsin sareng pakan na sakaligus diturunkeun tekanan hidrolik 1 MPa.
Hasil ékspérimén pikeun lambaran rajutan nunjukkeun pola anu sami sareng lambaran anyaman, kalebet gap histeresis anu lega dina diagram tegangan-tekanan sareng kurva tekanan-gaya anu tumpang tindih.Lambaran knitted némbongkeun hiji elongation of 30%, nu satutasna gaya komprési éta 9 N dina tekanan inlet 1 MPa (Gbr. 4D, E).
Dina kasus lambar anyaman buleud, aréa awal na ngaronjat ku 25% dibandingkeun aréa awal sanggeus paparan ka tekanan cair 1 MPa (Gbr. 4F).Sateuacan sampel mimiti dilegakeun, aya zona maot tekanan inlet badag nepi ka 0,7 MPa.Zona paéh anu ageung ieu diperkirakeun salaku conto didamel tina AMF anu langkung ageung anu peryogi tekanan anu langkung luhur pikeun ngatasi setrés awalna.Dina Gbr.4F ogé nunjukeun yen kurva release ampir coincides jeung kurva kanaékan tekanan, nunjukkeun leungitna énergi saeutik lamun gerakan disc ieu switched.
Hasil ékspérimén pikeun tilu aktuator bending (konfigurasi ulang jaringan) nunjukkeun yén kurva histeresisna gaduh pola anu sami (Gambar 4G), dimana aranjeunna ngalaman zona maot tekanan inlet dugi ka 0,2 MPa sateuacan diangkat.Urang dilarapkeun volume sarua cair (0,035 ml) kana tilu bending drive (L20, L30 na L50 mm).Sanajan kitu, unggal actuator ngalaman puncak tekanan béda jeung ngembangkeun sudut bending béda.Aktuator L20 sareng L30 mm ngalaman tekanan inlet 0,72 sareng 0,67 MPa, ngahontal sudut bending masing-masing 167 ° sareng 194 °.Drive bending pangpanjangna (panjangna 50 mm) tahan tekanan 0,61 MPa sarta ngahontal sudut bending maksimum 236 °.Plot histeresis sudut tekanan ogé ngungkabkeun jurang anu kawilang ageung antara kurva tekanan sareng sékrési pikeun sadaya tilu drive bending.
Hubungan antara volume input jeung sipat kaluaran (elongation, gaya, ékspansi aréa, sudut bending) pikeun konfigurasi tékstil pinter di luhur bisa kapanggih dina Suplemén Gambar S2.
Hasil ékspérimén dina bagian saméméhna jelas nunjukkeun hubungan proporsional antara tekanan inlet anu diterapkeun sareng pemanjangan outlet sampel AMF.Beuki kuat AMB disaring, langkung ageung pemanjanganna sareng énergi anu langkung elastis anu akumulasi.Lantaran kitu, leuwih gede gaya compressive eta exerts.Hasilna ogé nunjukkeun yén spésimén ngahontal gaya komprési maksimal nalika tekanan inlet dileungitkeun lengkep.Bagian ieu boga tujuan pikeun ngadegkeun hubungan langsung antara elongation jeung gaya shrinkage maksimum knitted na anyaman lambar ngaliwatan modeling analitik jeung verifikasi eksperimen.
Gaya contractile maksimum Fout (dina tekanan inlet P = 0) tina AMF tunggal dirumuskeun dina ref 49 sarta reintroduced kieu:
Diantarana, α, E, sareng A0 nyaéta faktor manjang, modulus Young, sareng daérah cross-sectional tina tabung silikon, masing-masing;k nyaéta koefisien stiffness tina coil spiral;x jeung li nyaéta offset jeung panjang awal.AMP, masing-masing.
persamaan katuhu.(1) Candak knitted na anyaman cadar sabagé conto (Gbr. 5A, B).Gaya shrinkage produk rajutan Fkv jeung produk anyaman Fwh dinyatakeun ku persamaan (2) jeung (3), mungguh.
dimana mk nyaéta jumlah puteran, φp nyaéta sudut loop tina lawon rajutan nalika suntik (Gbr. 5A), mh nyaéta jumlah benang, θhp nyaéta sudut papacangan tina lawon rajutan nalika suntikan (Gbr. 5B), εkv εwh nyaéta lambaran rajutan sareng deformasi lambaran anyaman, F0 nyaéta tegangan awal coil spiral.Rincian turunan tina persamaan.(2) jeung (3) bisa kapanggih dina informasi pangrojong.
Jieun model analitik pikeun hubungan elongation-gaya.(A,B) Ilustrasi model analitik pikeun lambaran rajutan sareng anyaman masing-masing.(C, D) Babandingan model analitik jeung data ékspérimén pikeun knitted jeung anyaman lambar.RMSE Root hartosna kasalahan kuadrat.
Pikeun nguji modél dimekarkeun, urang ngalakukeun percobaan elongation ngagunakeun pola knitted dina Gbr. 2A jeung sampel braided dina Gbr. 2B.Gaya kontraksi diukur dina 5% increments pikeun tiap extension dikonci ti 0% nepi ka 50%.Rata-rata jeung simpangan baku tina lima percobaan dibere dina Gambar 5C (knit) jeung Gambar 5D (knit).Kurva model analitik digambarkeun ku persamaan.Parameter (2) jeung (3) dirumuskeun dina Tabél.1. Hasilna nunjukkeun yén modél analitik aya dina perjangjian anu hadé sareng data ékspérimén dina sadaya rentang elongasi kalayan kasalahan akar rata-rata kuadrat (RMSE) 0,34 N pikeun knitwear, 0,21 N pikeun anyaman AMF H (arah horisontal) sareng 0,17 N pikeun anyaman AMF.V (arah nangtung).
Salian gerakan dasar, tékstil pinter anu diusulkeun tiasa diprogram sacara mékanis pikeun nyayogikeun gerakan anu langkung kompleks sapertos S-bend, kontraksi radial, sareng deformasi 2D ka 3D.Kami nampilkeun di dieu sababaraha metode pikeun program tékstil pinter datar kana struktur anu dipikahoyong.
Salian dilegakeun domain dina arah linier, cadar anyaman unidirectional bisa mechanically diprogram nyieun gerakan multimodal (Gbr. 6A).Urang ngonpigurasikeun deui penyuluhan lambar braided salaku gerakan bending, ngawatesan salah sahiji beungeutna (luhureun atanapi handap) nganggo benang jahit.Lambaranana condong ngabengkokkeun ka arah permukaan anu ngabeungkeut dina tekenan.Dina Gbr.6A nembongkeun dua conto panels anyaman nu jadi S-ngawangun lamun hiji satengah cramped di sisi luhur jeung satengah séjén cramped di sisi handap.Alternatipna, Anjeun bisa nyieun gerakan bending sirkular dimana ngan sakabéh beungeut anu konstrain.Lembar braided unidirectional ogé bisa dijieun kana leungeun baju komprési ku cara ngahubungkeun dua tungtung na kana struktur tubular (Gbr. 6B).Leungeun baju dipaké dina ramo indéks pikeun masihan komprési, bentuk terapi urut pikeun ngaleungitkeun nyeri atanapi ningkatkeun sirkulasi.Éta tiasa diskalakeun pikeun nyocogkeun kana bagian awak anu sanés sapertos panangan, hips, sareng suku.
Kamampuhan pikeun ninun lambar dina hiji arah.(A) Nyieun struktur deformable alatan programmability tina bentuk threads jahit.(B) leungeun baju komprési ramo.(C) Vérsi séjén tina lambaran braided sarta palaksanaan na salaku leungeun baju komprési leungeun.(D) prototipe leungeun baju komprési séjén dijieun tina tipe AMF M, benang akrilik jeung tali Velcro.Spésifikasi lengkep tiasa dipendakan dina bagian Métode.
Gambar 6C nembongkeun conto sejen tina hiji lambar anyaman unidirectional dijieunna tina hiji AMF jeung benang katun.Lambaranana tiasa dilegaan ku 45% dina daérah (dina 1,2 MPa) atanapi nyababkeun gerakan sirkular dina tekenan.Kami ogé parantos ngalebetkeun lambaran pikeun nyiptakeun leungeun baju komprési leungeun ku cara ngagantelkeun tali magnét dina tungtung lambaran.prototipe séjén leungeun baju komprési leungeun ditémbongkeun dina Gbr. 6D, nu unidirectional braided cadar dijieunna tina Tipe M AMF (tingali Métode) jeung yarns acrylic keur ngahasilkeun gaya komprési kuat.Kami geus dilengkepan tungtung cadar jeung tali Velcro pikeun kantétan gampang tur pikeun ukuran leungeun béda.
Téhnik restraint, nu ngarobah extension linier kana gerak bending, ogé lumaku pikeun lambar anyaman bidirectional.Urang ninun threads katun dina hiji sisi tina lambaran anyaman Lungsi sarta weft ambéh maranéhanana henteu dilegakeun (Gbr. 7A).Janten, nalika dua AMF nampi tekanan hidrolik sacara mandiri, lambaranana ngalaman gerakan ngagulung dua arah pikeun ngabentuk struktur tilu diménsi anu sawenang.Dina pendekatan sejen, kami nganggo benang inextensible pikeun ngawatesan hiji arah lambar anyaman bidirectional (Gambar 7B).Ku kituna, lambar bisa nyieun bebas bending jeung manjang gerakan nalika AMF pakait dina tekenan.Dina Gbr.7B nunjukkeun conto dimana lambaran braided dua arah dikontrol pikeun mungkus sakitar dua per tilu ramo manusa kalayan gerakan ngabengkokkeun teras manjangkeun panjangna pikeun nutupan sésana ku gerakan manjang.Gerakan dua arah cadar tiasa mangpaat pikeun desain busana atanapi pamekaran pakean pinter.
Lambaran anyaman dua arah, lambar rajutan sareng kamampuan desain anu tiasa dilegakeun sacara radial.(A) Bi-arah kabeungkeut panel wicker bi-arah pikeun nyieun hiji ngalipet dua arah.(B) panel wicker dua arah konstrain unidirectional ngahasilkeun flex na elongation.(C) Kacida elastis knitted lambar, nu bisa akur jeung curvature permukaan béda komo ngabentuk struktur tubular.(D) delimitasi garis tengah struktur radially ngembangna ngabentuk bentuk parabolic hyperbolic (keripik kentang).
Kami nyambungkeun dua puteran anu padeukeut tina jajaran luhur sareng handap bagian anu dirajut nganggo benang jahit supados henteu ngabongkar (Gbr. 7C).Ku kituna, lambaran anyaman téh pinuh fléksibel tur adapts ogé ka sagala rupa kurva permukaan, kayaning beungeut kulit leungeun jeung leungeun manusa.Kami ogé nyiptakeun struktur tubular (leungeun baju) ku cara ngahubungkeun tungtung bagian rajutan dina arah perjalanan.Leungeun baju wraps ogé sabudeureun ramo indéks jalma (Gbr. 7C).The sinuosity tina lawon anyaman nyadiakeun fit alus teuing jeung deformability, sahingga gampang dipaké dina maké pinter (sarung tangan, sleeves komprési), nyadiakeun kanyamanan (ngaliwatan fit) jeung pangaruh terapi (ngaliwatan komprési).
Salian ékspansi radial 2D dina sababaraha arah, lambaran anyaman sirkular ogé tiasa diprogram pikeun ngabentuk struktur 3D.Urang ngawatesan garis tengah untun buleud kalayan benang akrilik pikeun ngaganggu ékspansi radial seragam na.Hasilna, bentuk datar aslina tina lambaran anyaman buleud ieu robah jadi bentuk parabolic hyperbolic (atawa chip kentang) sanggeus pressurization (Gbr. 7D).Kamampuhan ngarobah bentuk ieu tiasa dilaksanakeun salaku mékanisme angkat, lénsa optik, suku robot sélulér, atanapi tiasa mangpaat dina desain fashion sareng robot bionik.
Kami geus ngembangkeun téknik basajan pikeun nyieun drive flexural ku gluing AMF kana strip lawon non-stretch (Gambar 3).Kami nganggo konsép ieu pikeun nyiptakeun bentuk benang anu tiasa diprogram dimana urang tiasa sacara strategis nyebarkeun sababaraha bagian aktip sareng pasip dina hiji AMF pikeun nyiptakeun bentuk anu dipikahoyong.Urang fabricated jeung diprogram opat filamén aktif nu bisa ngarobah bentuk maranéhanana ti lempeng ka hurup (UNSW) salaku tekanan ngaronjat (Suplemén Gbr. S4).Metoda basajan ieu ngamungkinkeun deformability tina AMF ngarobah garis 1D kana wangun 2D jeung kamungkinan malah struktur 3D.
Dina pendekatan sarupa, kami dipaké hiji AMF tunggal pikeun reconfigure sapotong jaringan normal pasip kana hiji tetrapod aktip (Gbr. 8A).Konsép routing sareng program sami sareng anu dipidangkeun dina Gambar 3C.Tapi, tinimbang lambaran rectangular, aranjeunna mimiti nganggo lawon kalayan pola quadrupedal (kuya, katun muslin).Ku alatan éta, suku leuwih panjang sarta struktur bisa diangkat luhur.Jangkungna struktur laun-laun ningkat dina tekenan dugi sukuna jejeg kana taneuh.Lamun tekanan inlet terus naek, suku bakal sag ka jero, nurunkeun jangkungna struktur.Tetrapods bisa ngalakukeun locomotion lamun suku maranéhanana dilengkepan pola unidirectional atawa ngagunakeun sababaraha AMFs kalawan strategi manipulasi gerak.Robot locomotion lemes diperlukeun pikeun rupa-rupa pancén, kaasup rescues ti wildfires, wangunan rubuh atawa lingkungan picilakaeun, sarta robot pangiriman ubar médis.
lawon ieu reconfigured pikeun nyieun struktur-shifting wangun.(A) Lem AMF kana wates lambaran lawon pasip, ngarobahna kana struktur opat laga steerable.(BD) Dua conto sejenna reconfiguration jaringan, ngarobah kukupu pasip jeung kembang jadi aktip.Kain non-stretch: katun polos muslin.
Urang ogé ngamangpaatkeun kesederhanaan jeung versatility téhnik reconfiguration jaringan ieu ku ngawanohkeun dua struktur bioinspired tambahan pikeun reshaping (Gambar 8B-D).Kalawan AMF routable, struktur formulir-deformable ieu reconfigured ti lembar jaringan pasip kana struktur aktip tur steerable.Diideuan ku kupu-kupu raja, kami ngadamel struktur kukupu anu ngarobih nganggo sapotong lawon ngawangun kukupu (katun muslin) sareng sapotong panjang AMF anu nempel dina jangjangna.Nalika AMF dina tekenan, jangjang ngalipet.Sapertos Monarch Butterfly, jangjang kénca sareng katuhu Robot Butterfly dikepak ku cara anu sami sabab duanana dikawasa ku AMF.Klep kukupu ngan ukur kanggo tujuan tampilan.Teu bisa ngapung kawas Smart Bird (Festo Corp., AS).Urang ogé nyieun kembang lawon (Gambar 8D) diwangun ku dua lapis lima petals unggal.Kami nempatkeun AMF di handap unggal lapisan saatos ujung luar kelopak.Mimitina, kembangna mekar pinuh, sareng sadaya kelopak dibuka pinuh.Dina tekenan, AMF ngabalukarkeun gerakan bending tina petals, ngabalukarkeun aranjeunna nutup.Dua AMF sacara mandiri ngontrol gerakan dua lapisan, sedengkeun lima kelopak tina hiji lapisan ngagulung dina waktos anu sami.