Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Адлюстроўвае карусель з трох слайдаў адначасова.Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі паўзунка ў канцы, каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова.
Спалучэнне тэкстылю і штучных цягліц для стварэння разумнага тэкстылю прыцягвае вялікую ўвагу як навуковай, так і прамысловай супольнасці.Разумны тэкстыль прапануе шмат пераваг, у тым ліку адаптыўны камфорт і высокую ступень адпаведнасці аб'ектам, адначасова забяспечваючы актыўны прывад для жаданага руху і сілы.У гэтым артыкуле прадстаўлены новы клас праграмуемых разумных тканін, вырабленых з выкарыстаннем розных метадаў пляцення, пляцення і склейвання штучных цягліцавых валокнаў, якія кіруюцца вадкасцю.Была распрацавана матэматычная мадэль, якая апісвае суадносіны сілы расцяжэння трыкатажных і тканых тэкстыльных лістоў, а затым яе справядлівасць была праверана эксперыментальна.Новы «разумны» тэкстыль адрозніваецца высокай гнуткасцю, адпаведнасцю і механічным праграмаваннем, што забяспечвае магчымасці мультымадальнага руху і дэфармацыі для больш шырокага спектру прымянення.Шляхам эксперыментальнай праверкі былі створаны розныя разумныя тэкстыльныя прататыпы, у тым ліку розныя выпадкі змены формы, такія як падаўжэнне (да 65%), пашырэнне плошчы (108%), радыяльнае пашырэнне (25%) і рух згінання.Таксама даследуецца канцэпцыя рэканфігурацыі пасіўных традыцыйных тканін у актыўныя структуры для біяміметычных формаўтваральных структур.Чакаецца, што прапанаваны разумны тэкстыль будзе спрыяць распрацоўцы разумных носных прылад, тактыльных сістэм, біяміметычных мяккіх робатаў і носнай электронікі.
Жорсткія робаты эфектыўныя пры працы ў структураваных асяроддзях, але маюць праблемы з невядомым кантэкстам зменлівых асяроддзяў, што абмяжоўвае іх выкарыстанне ў пошуку або даследаванні.Прырода працягвае здзіўляць нас мноствам вынаходлівых стратэгій барацьбы са знешнімі фактарамі і разнастайнасцю.Напрыклад, вусікі павойных раслін выконваюць шматмадальныя рухі, такія як згінанне і спіраль, каб даследаваць невядомае асяроддзе ў пошуках адпаведнай апоры1.Венерын мухалоўка (Dionaea muscipula) мае адчувальныя валасінкі на лісці, якія пры спрацоўванні зашчоўкваюцца, каб злавіць здабычу2.У апошнія гады дэфармацыя або дэфармацыя цел з двухмерных (2D) паверхняў у трохмерныя (3D) формы, якія імітуюць біялагічныя структуры, стала цікавай тэмай даследаванняў3,4.Гэтыя мяккія рабатызаваныя канфігурацыі мяняюць форму, каб адаптавацца да зменлівых умоў, забяспечваюць шматмадальнае перамяшчэнне і прыкладаюць сілы для выканання механічнай працы.Іх ахоп распаўсюдзіўся на шырокі спектр прымянення робататэхнікі, у тым ліку разгортваемыя5, рэканфігураваныя і самаскладаныя робаты6,7, біямедыцынскія прылады8, транспартныя сродкі9,10 і пашыраемую электроніку11.
Было праведзена шмат даследаванняў для распрацоўкі праграмуемых плоскіх пласцін, якія пры актывацыі ператвараюцца ў складаныя трохмерныя структуры3.Простая ідэя для стварэння дэфармаваных структур заключаецца ў спалучэнні слаёў розных матэрыялаў, якія згінаюцца і зморшчваюцца пад уздзеяннем раздражняльнікаў 12,13.Джанбаз і інш.14 і Лі і інш.15 рэалізавалі гэтую канцэпцыю для стварэння цеплаадчувальных мультымадальных робатаў, якія дэфармуюцца.Структуры на аснове арыгамі, якія ўключаюць элементы, якія рэагуюць на стымул, выкарыстоўваліся для стварэння складаных трохмерных структур16,17,18.Натхнёныя морфогенезом біялагічных структур, Emmanuel et al.Эластамеры, якія дэфармуюцца па форме, ствараюцца шляхам арганізацыі паветраных каналаў у гумавай паверхні, якія пад ціскам ператвараюцца ў складаныя адвольныя трохмерныя формы.
Інтэграцыя тэкстылю або тканін у мяккіх робатаў, якія дэфармуюцца, - яшчэ адзін новы канцэптуальны праект, які выклікаў шырокі інтарэс.Тэкстыль - гэта мяккія і эластычныя матэрыялы, вырабленыя з пражы такімі тэхнікамі пляцення, як вязанне, ткацтва, пляценне або пляценне вузлоў.Дзіўныя ўласцівасці тканін, у тым ліку гнуткасць, прылеганія, эластычнасць і паветрапранікальнасць, робяць іх вельмі папулярнымі ва ўсім - ад адзення да медыцынскіх прымянення20.Ёсць тры шырокія падыходы да ўключэння тэкстылю ў робататэхніку21.Першы падыход заключаецца ў выкарыстанні тэкстылю ў якасці пасіўнай падкладкі або асновы для іншых кампанентаў.Пры гэтым пасіўны тэкстыль забяспечвае зручную пасадку карыстальніка пры пераносцы жорсткіх кампанентаў (рухавікі, датчыкі, блок харчавання).Большасць мяккіх носных робатаў або мяккіх экзашкілетаў падпадаюць пад гэты падыход.Напрыклад, мяккія носныя экзашкілеты для дапаможнікаў пры хадзе 22 і дапаможнікаў для локцяў 23, 24, 25, мяккія носныя пальчаткі 26 для дапаможнікаў для рук і пальцаў і біянічныя мяккія робаты 27.
Другі падыход заключаецца ў выкарыстанні тэкстылю ў якасці пасіўных і абмежаваных кампанентаў мяккіх рабатызаваных прылад.Прывады на тэкстыльнай аснове трапляюць у гэтую катэгорыю, дзе тканіна звычайна пабудавана ў выглядзе вонкавага кантэйнера, які змяшчае ўнутраны шланг або камеру, утвараючы прывад, армаваны мяккім валакном.Падвяргаючыся ўздзеянню знешняй пнеўматычнай або гідраўлічнай крыніцы, гэтыя мяккія прывады падвяргаюцца зменам у форме, уключаючы падаўжэнне, згінанне або скручванне, у залежнасці ад іх першапачатковага складу і канфігурацыі.Напрыклад, Talman et al.Артапедычнае адзенне для галёнкаступнёвага сустава, якое складаецца з шэрагу тканкавых кішэняў, было ўведзена для палягчэння падэшвеннага згінання для аднаўлення хады28.Тэкстыльныя пласты з рознай расцяжымасцю можна камбінаваць для стварэння анізатропнага руху 29 .OmniSkins – мяккія робатызаваныя скіны, зробленыя з мноства мяккіх прывадаў і матэрыялаў падкладкі, могуць ператвараць пасіўныя аб'екты ў шматфункцыянальных актыўных робатаў, якія могуць выконваць мультымадальныя руху і дэфармацыі для розных прыкладанняў.Чжу і інш.распрацавалі цягліцавы ліст вадкай тканіны31, які можа генераваць падаўжэнне, згінанне і розныя дэфармацыйныя руху.Бакнер і інш.Інтэгруйце функцыянальныя валакна ў звычайныя тканіны для стварэння рабатызаваных тканін з рознымі функцыямі, такімі як прывядзенне ў дзеянне, адчуванне і зменная калянасць32.Іншыя метады ў гэтай катэгорыі можна знайсці ў гэтых артыкулах 21, 33, 34, 35.
Нядаўні падыход да выкарыстання найвышэйшых уласцівасцей тэкстылю ў галіне мяккай робататэхнікі заключаецца ў выкарыстанні рэактыўных нітак або нітак, якія рэагуюць на раздражненне, для стварэння разумных тэкстыльных вырабаў з выкарыстаннем традыцыйных метадаў вытворчасці тэкстылю, такіх як ткацтва, вязанне і ткацтва21,36,37.У залежнасці ад складу матэрыялу, рэактыўная пража выклікае змяненне формы пры ўздзеянні электрычнага, тэрмічнага або ціску, што прыводзіць да дэфармацыі тканіны.У такім падыходзе, дзе традыцыйны тэкстыль інтэграваны ў мяккую рабатызаваную сістэму, змяненне формы тэкстылю адбываецца на ўнутраным слоі (пражы), а не на вонкавым.Такім чынам, разумны тэкстыль забяспечвае выдатную кіравальнасць з пункту гледжання мультымадальнага руху, праграмуемай дэфармацыі, расцяжымасці і магчымасці рэгулявання калянасці.Напрыклад, сплавы з памяццю формы (SMA) і палімеры з памяццю формы (SMP) могуць быць уключаны ў тканіны для актыўнага кантролю іх формы з дапамогай цеплавой стымуляцыі, такой як падшыванне38, выдаленне маршчын36,39, тактыльная і тактыльная зваротная сувязь40,41, а таксама адаптыўная надзельная адзенне.прылады 42 .Аднак выкарыстанне цеплавой энергіі для ацяплення і астуджэння прыводзіць да павольнай рэакцыі і складанасці астуджэння і кантролю.Зусім нядаўна Hiramitsu et al.Тонкія мышцы Маккібена43,44, пнеўматычныя штучныя мышцы, выкарыстоўваюцца ў якасці нітак асновы для стварэння розных формаў актыўнага тэкстылю шляхам змены структуры перапляцення45.Нягледзячы на тое, што гэты падыход забяспечвае вялікія сілы, з-за прыроды мышцы Мак-Кібена хуткасць яе пашырэння абмежаваная (<50%), і малы памер не можа быць дасягнуты (дыяметр <0,9 мм).Акрамя таго, было цяжка стварыць разумныя тэкстыльныя ўзоры з метадаў ткацтва, якія патрабуюць вострых кутоў.Каб сфармаваць больш шырокі спектр разумных тэкстыльных вырабаў, Мазіз і інш.Электраактыўны носны тэкстыль быў распрацаваны шляхам вязання і пляцення электраадчувальных палімерных нітак46.
У апошнія гады з'явіўся новы тып тэрмаадчувальных штучных цягліц, пабудаваных з моцна скручаных недарагіх палімерных валокнаў47,48.Гэтыя валакна камерцыйна даступныя і лёгка ўключаюцца ў ткацтва або ткацтва для вытворчасці даступнага разумнага адзення.Нягледзячы на дасягненні, гэты новы адчувальны да цяпла тэкстыль мае абмежаваны час водгуку з-за неабходнасці нагрэву і астуджэння (напрыклад, тэкстыль з кантраляванай тэмпературай) або цяжкасці вырабу складаных вязаных і тканых узораў, якія можна запраграмаваць для стварэння жаданых дэфармацый і рухаў .Прыклады ўключаюць радыяльнае пашырэнне, трансфармацыю формы з 2D у 3D або двухнакіраванае пашырэнне, якія мы прапануем тут.
Каб пераадолець гэтыя вышэйзгаданыя праблемы, у гэтым артыкуле прадстаўлены новы разумны тэкстыль, які кіруецца вадкасцю, выраблены з нядаўна прадстаўленых намі мяккіх штучных цягліцавых валокнаў (AMF)49,50,51.AMF вельмі гнуткія, маштабуюцца і могуць быць паменшаны да дыяметра 0,8 мм і вялікай даўжыні (мінімум 5000 мм), прапаноўваючы высокія суадносіны бакоў (даўжыня да дыяметра), а таксама высокае падаўжэнне (мінімум 245%), высокую энергію эфектыўнасць, менш за 20 Гц хуткі водгук).Для стварэння разумнага тэкстылю мы выкарыстоўваем AMF у якасці актыўнай пражы для фарміравання двухмерных актыўных цягліцавых слаёў з дапамогай тэхнікі вязання і ткацтва.Мы колькасна вывучылі хуткасць пашырэння і сілу скарачэння гэтых «разумных» тканін з пункту гледжання аб'ёму вадкасці і ціску.Былі распрацаваны аналітычныя мадэлі для ўстанаўлення ўзаемасувязі сілы падаўжэння для трыкатажных і тканых лістоў.Мы таксама апісваем некалькі метадаў механічнага праграмавання разумных тэкстыльных вырабаў для мультымадальнага руху, уключаючы двухнакіраванае расцягванне, згінанне, радыяльнае пашырэнне і магчымасць пераходу ад 2D да 3D.Каб прадэманстраваць сілу нашага падыходу, мы таксама будзем інтэграваць AMF у камерцыйныя тканіны або тэкстыль, каб змяніць іх канфігурацыю з пасіўных на актыўныя структуры, якія выклікаюць розныя дэфармацыі.Мы таксама прадэманстравалі гэту канцэпцыю на некалькіх эксперыментальных выпрабавальных стэндах, уключаючы праграмуемае згінанне нітак для атрымання жаданых літар і змены формы біялагічных структур у форму такіх аб'ектаў, як матылькі, чатырохногія структуры і кветкі.
Тэкстыль - гэта гнуткія двухмерныя структуры, утвораныя з пераплеценых аднамерных нітак, такіх як пража, ніткі і валакна.Тэкстыль з'яўляецца адной з найстарэйшых тэхналогій чалавецтва і шырока выкарыстоўваецца ва ўсіх аспектах жыцця дзякуючы свайму камфорту, адаптыўнасці, паветрапранікальнасці, эстэтыцы і абароне.Разумны тэкстыль (таксама вядомы як разумнае адзенне або рабатызаваныя тканіны) усё часцей выкарыстоўваецца ў даследаваннях з-за іх вялікага патэнцыялу ў рабатызаваных прымяненнях20,52.Разумны тэкстыль абяцае палепшыць чалавечы досвед узаемадзеяння з мяккімі аб'ектамі, паклаўшы пачатак змене парадыгмы ў вобласці, дзе рухам і сіламі тонкай гнуткай тканіны можна кіраваць для выканання пэўных задач.У гэтым артыкуле мы даследуем два падыходы да вытворчасці разумнага тэкстылю на аснове нашага нядаўняга AMF49: (1) выкарыстанне AMF у якасці актыўнай пражы для стварэння разумнага тэкстылю з выкарыстаннем традыцыйных тэхналогій тэкстыльнай вытворчасці;(2) уставіць AMF непасрэдна ў традыцыйныя тканіны, каб стымуляваць жаданае рух і дэфармацыю.
AMF складаецца з унутранай сіліконавай трубкі для падачы гідраўлічнай энергіі і знешняй спіральнай шпулькі для абмежавання яе радыяльнага пашырэння.Такім чынам, AMF падаўжаюцца ў падоўжным кірунку пры прымяненні ціску і пасля дэманструюць сілы скарачэння, каб вярнуцца да сваёй першапачатковай даўжыні пры паслабленні ціску.Яны валодаюць уласцівасцямі, падобнымі з традыцыйнымі валокнамі, уключаючы гнуткасць, малы дыяметр і вялікую даўжыню.Аднак AMF больш актыўны і кантраляваны з пункту гледжання руху і сілы, чым яго звычайныя аналагі.Натхнёныя нядаўнімі хуткімі дасягненнямі разумнага тэкстылю, тут мы прадстаўляем чатыры асноўныя падыходы да вытворчасці разумнага тэкстылю шляхам прымянення AMF да даўно зарэкамендаванай тэхналогіі вырабу тканіны (малюнак 1).
Першы спосаб - пляценне.Мы выкарыстоўваем тэхналогію вязання па качку для вытворчасці рэактыўнага трыкатажу, які разгортваецца ў адным кірунку пры гідраўлічным прывадзе.Трыкатажныя прасціны вельмі эластычныя і расцягваюцца, але, як правіла, раскручваюцца лягчэй, чым тканыя прасціны.У залежнасці ад метаду кантролю AMF можа фармаваць асобныя шэрагі або цэлыя вырабы.Акрамя плоскіх лістоў, для вырабу полых канструкцый AMF падыходзяць і трубчастыя ўзоры.Другі метад - гэта ткацтва, дзе мы выкарыстоўваем два AMF у якасці асновы і качка для фарміравання прастакутнага тканага ліста, які можа незалежна пашырацца ў двух напрамках.Тканыя прасціны забяспечваюць большы кантроль (у абодвух напрамках), чым вязаныя прасціны.Мы таксама выткалі AMF з традыцыйнай пражы, каб зрабіць больш простую тканіну, якую можна размотваць толькі ў адным кірунку.Трэці спосаб - радыяльнае пашырэнне - гэта разнавіднасць тэхнікі пляцення, у якой АМП размяшчаюцца не па прастакутніку, а па спіралі, а ніткі забяспечваюць радыяльную звязку.У гэтым выпадку аплётка радыяльна пашыраецца пад ціскам на ўваходзе.Чацвёрты падыход - прыляпіць AMF да ліста пасіўнай тканіны, каб стварыць рух згінання ў патрэбным кірунку.Мы пераканфігуравалі пасіўную прарыўную плату ў актыўную прарыўную плату, правёўшы AMF вакол яе краю.Гэты праграмуемы характар AMF адкрывае незлічоныя магчымасці для мяккіх структур, якія пераўтвараюць форму, дзе мы можам ператвараць пасіўныя аб'екты ў актыўныя.Гэты метад просты, лёгкі і хуткі, але можа паставіць пад пагрозу даўгавечнасць прататыпа.Чытача адсылаюць да іншых падыходаў у літаратуры, якія падрабязна апісваюць моцныя і слабыя бакі кожнага ўласцівасці тканіны21,33,34,35.
Большасць нітак або пражы, якія выкарыстоўваюцца для вырабу традыцыйных тканін, утрымліваюць пасіўныя структуры.У гэтай працы мы выкарыстоўваем нашу раней распрацаваную AMF, якая можа дасягаць метровай даўжыні і субміліметровага дыяметра, каб замяніць традыцыйную пасіўную тэкстыльную пражу на AFM для стварэння інтэлектуальных і актыўных тканін для больш шырокага спектру прымянення.У наступных раздзелах апісваюцца падрабязныя метады стварэння разумных тэкстыльных прататыпаў і прадстаўлены іх асноўныя функцыі і паводзіны.
Мы вырабілі ўручную тры трыкатажныя вырабы AMF, выкарыстоўваючы тэхніку вязання па качку (мал. 2A).Выбар матэрыялу і падрабязныя спецыфікацыі для AMF і прататыпаў можна знайсці ў раздзеле Метады.Кожны AMF ідзе па звілістым шляху (таксама званым маршрутам), які ўтварае сіметрычную пятлю.Завесы кожнага шэрагу замацоўваюць завесамі шэрагаў над і пад імі.Кольцы адной калоны перпендыкулярна ходу аб'ядноўваюцца ў вал.Наш вязаны прататып складаецца з трох радоў па сем шыўкоў (або сем шыўкоў) у кожным шэрагу.Верхняе і ніжняе кольцы не замацаваныя, таму мы можам прымацаваць іх да адпаведных металічных стрыжняў.Трыкатажныя прататыпы развязваліся лягчэй, чым звычайныя трыкатажныя тканіны, з-за большай калянасці AMF у параўнанні са звычайнай пражай.Таму завесы суседніх шэрагаў звязалі тонкімі эластычнымі шнурамі.
Укараняюцца розныя разумныя тэкстыльныя прататыпы з рознымі канфігурацыямі AMF.(A) Вязаная прасціна з трох AMF.(B) Двунакіраваны тканы ліст з двух AMF.(C) Аднанакіраваны тканы ліст, выраблены з AMF і акрылавай пражы, можа вытрымаць нагрузку ў 500 г, што ў 192 разы перавышае яго вагу (2,6 г).(D) Радыяльна пашыраецца структура з адным AMF і баваўнянай пражы ў якасці радыяльнага абмежавання.Падрабязныя характарыстыкі можна знайсці ў раздзеле "Метады".
Хаця зігзагападобныя завесы трыкатажу могуць расцягвацца ў розныя бакі, наш прататып трыкатажу пашыраецца пераважна ў напрамку пятлі пад націскам з-за абмежаванняў у напрамку руху.Падаўжэнне кожнай АМФ спрыяе пашырэнню агульнай плошчы трыкатажнага палатна.У залежнасці ад канкрэтных патрабаванняў, мы можам кіраваць трыма AMF незалежна ад трох розных крыніц вадкасці (малюнак 2A) або адначасова з адной крыніцы вадкасці праз размеркавальнік вадкасці 1 да 3.На мал.2А паказаны прыклад вязанай прататыпа, пачатковая плошча якога павялічылася на 35% пры націску на тры АМП (1,2 МПа).Характэрна, што AMF дасягае высокага падаўжэння як мінімум 250% ад сваёй першапачатковай даўжыні49, так што трыкатажныя прасціны могуць расцягвацца нават больш, чым цяперашнія версіі.
Мы таксама стварылі лісты двухнакіраванага перапляцення, сфармаваныя з двух AMF, выкарыстоўваючы тэхніку гладкага перапляцення (малюнак 2B).Аснова і ўток AMF пераплятаюцца пад прамым вуглом, утвараючы просты ўзор крыж-накрыж.Наш прататып перапляцення быў класіфікаваны як збалансаванае палотнянае перапляценне, таму што ніткі асновы і качка былі выраблены з пражы аднаго памеру (падрабязнасці глядзіце ў раздзеле «Метады»).У адрозненне ад звычайных нітак, якія могуць утвараць вострыя зморшчыны, прымяняюцца AMF патрабуюць пэўнага радыусу выгібу пры вяртанні да іншай ніткі ўзору пляцення.Такім чынам, тканыя лісты, вырабленыя з AMP, маюць меншую шчыльнасць у параўнанні са звычайным тканым тэкстылем.AMF тыпу S (вонкавы дыяметр 1,49 мм) мае мінімальны радыус выгібу 1,5 мм.Напрыклад, прататып пляцення, які мы прадстаўляем у гэтым артыкуле, мае ўзор ніткі 7×7, дзе кожнае скрыжаванне стабілізавана вузлом тонкага эластычнага шнура.Выкарыстоўваючы такую ж тэхніку пляцення, можна атрымаць больш пасмаў.
Калі адпаведны AMF атрымлівае ціск вадкасці, тканы ліст пашырае сваю плошчу ў кірунку асновы або качка.Такім чынам, мы кантралявалі памеры плеценага ліста (даўжыню і шырыню), незалежна змяняючы велічыню ціску на ўваходзе, які прыкладаецца да двух AMP.На мал.На малюнку 2B паказаны тканы прататып, які пашырыўся да 44% сваёй першапачатковай плошчы пры прымяненні ціску да аднаго AMP (1,3 МПа).Пры адначасовым уздзеянні ціску на два АМП плошча павялічылася на 108%.
Мы таксама зрабілі аднанакіраваны тканы ліст з аднаго AMF з асновай і акрылавымі ніткамі ў якасці качка (малюнак 2C).AMF размешчаны ў сем зігзагападобных радоў, і ніткі пераплятаюць гэтыя шэрагі AMF разам, утвараючы прамавугольны ліст тканіны.Гэты тканы прататып быў больш шчыльным, чым на мал. 2B, дзякуючы мяккім акрылавым ніткам, якія лёгка запаўнялі ўвесь ліст.Паколькі мы выкарыстоўваем толькі адзін AMF у якасці асновы, тканы ліст можа пашырацца ў бок асновы толькі пад ціскам.На малюнку 2C паказаны прыклад тканага прататыпа, першапачатковая плошча якога павялічваецца на 65% з павелічэннем ціску (1,3 МПа).Акрамя таго, гэты плецены кавалак (вагой 2,6 грама) можа падняць груз у 500 грамаў, што ў 192 разы перавышае яго масу.
Замест размяшчэння AMF зігзагападобным узорам для стварэння прастакутнага тканага ліста, мы вырабілі плоскую спіральную форму AMF, якая затым была радыяльна абмежавана баваўнянай пражай для стварэння круглага тканага ліста (малюнак 2D).Высокая калянасць AMF абмяжоўвае запаўненне самай цэнтральнай вобласці пласціны.Аднак гэтая падкладка можа быць выраблена з эластычных нітак або эластычнай тканіны.Пры атрыманні гідраўлічнага ціску АМР пераўтворыць сваё падоўжнае падаўжэнне ў радыяльнае пашырэнне ліста.Варта таксама адзначыць, што як знешні, так і ўнутраны дыяметры спіральнай формы павялічаны за кошт радыяльнага абмежавання нітак.На малюнку 2D паказана, што пры прыкладзеным гідраўлічным ціску ў 1 МПа форма круглага ліста пашыраецца да 25% сваёй першапачатковай плошчы.
Мы прадстаўляем тут другі падыход да стварэння разумнага тэкстылю, калі мы прыляпляем AMF да плоскага кавалка тканіны і пераналаджваем яго з пасіўнай структуры на актыўна кіраваную структуру.Канструктыўная схема гибочного прывада прыведзена на мал.3A, дзе AMP складзены пасярэдзіне і прылеплены да паласы нерасцяжымай тканіны (бавоўна-муслінавай тканіны) з выкарыстаннем двухбаковага скотчу ў якасці клею.Пасля герметызацыі верхняя частка AMF можа свабодна пашырацца, а ніжняя частка абмежавана стужкай і тканінай, у выніку чаго паласа згінаецца да тканіны.Мы можам дэактываваць любую частку прывада згінання ў любым месцы, проста наляпіўшы на яе палоску стужкі.Дэактываваны сегмент не можа рухацца і становіцца пасіўным сегментам.
Тканіны рэканфігуруюцца шляхам налепвання AMF на традыцыйныя тканіны.(A) Канцэпцыя дызайну прывада для выгінання, зробленага шляхам склейвання складзенага AMF на нерасцяжымую тканіну.(B) Згінанне прататыпа прывада.(C) Рэканфігурацыя прамавугольнай тканіны ў актыўнага чатырохногага робата.Неэластычная тканіна: баваўняны трыкатаж.Эластычная тканіна: поліэстэр.Падрабязныя характарыстыкі можна знайсці ў раздзеле "Метады".
Мы зрабілі некалькі прататыпаў прывадаў для згінання рознай даўжыні і націснулі на іх з дапамогай гідраўлікі, каб стварыць згінальны рух (малюнак 3B).Важна адзначыць, што AMF можна выкласці па прамой лініі або скласці ў некалькі нітак, а затым прыляпіць да тканіны, каб стварыць прывад для выгінання з адпаведнай колькасцю нітак.Мы таксама пераўтварылі пасіўны ліст тканіны ў актыўную канструкцыю чатырохногіх (малюнак 3C), дзе мы выкарыстоўвалі AMF для пракладкі межаў прамавугольнай нерасцяжымай тканіны (бавоўна-муслінавай тканіны).АМП мацуецца да тканіны кавалкам двухбаковага скотчу.Сярэдзіна кожнага краю залеплена, каб стаць пасіўнай, у той час як чатыры вуглы застаюцца актыўнымі.Верхняе пакрыццё з эластычнай тканіны (поліэстэр) не з'яўляецца абавязковым.Чатыры кута тканіны згінаюцца (выглядаюць як ножкі) пры націску.
Мы пабудавалі выпрабавальны стэнд для колькаснага вывучэння ўласцівасцей распрацаванага разумнага тэкстылю (гл. раздзел «Метады» і дадатковы малюнак S1).Паколькі ўсе ўзоры былі выраблены з AMF, агульная тэндэнцыя эксперыментальных вынікаў (мал. 4) супадае з асноўнымі характарыстыкамі AMF, а менавіта: ціск на ўваходзе прама прапарцыянальны падаўжэнню на выхадзе і зваротна прапарцыянальны сіле сціску.Аднак гэтыя разумныя тканіны маюць унікальныя характарыстыкі, якія адлюстроўваюць іх спецыфічныя канфігурацыі.
Мае разумныя тэкстыльныя канфігурацыі.(A, B) Крывыя гістэрэзісу ціску на ўваходзе і падаўжэння і сілы на выхадзе для тканых лістоў.(C) Пашырэнне плошчы тканага ліста.(D,E) Залежнасць паміж уваходным ціскам і выхадным падаўжэннем і сілай для трыкатажу.(F) Пашырэнне плошчы радыяльна пашыраюцца структур.(G) Вуглы выгібу трох розных даўжынь згінаючых дыскаў.
Кожны AMF тканага ліста быў падвергнуты ўваходным ціскам 1 Мпа для атрымання прыблізна 30% падаўжэння (мал. 4A).Мы абралі гэты парог для ўсяго эксперыменту па некалькіх прычынах: (1) каб стварыць значнае падаўжэнне (прыблізна 30%), каб падкрэсліць іх крывыя гістэрэзісу, (2) каб прадухіліць пераход ад розных эксперыментаў і шматразовых прататыпаў, што прыводзіць да выпадковага пашкоджання або збою..пад высокім ціскам вадкасці.Мёртвая зона добра бачная, а аплётка застаецца нерухомай да таго часу, пакуль ціск на ўваходзе не дасягне 0,3 Мпа.Графік гістарэзісу падаўжэння пад ціскам паказвае вялікі разрыў паміж фазамі напампоўкі і выпуску, што сведчыць аб значнай страце энергіі, калі тканы ліст змяняе свой рух ад пашырэння да сціскання.(Мал. 4A).Пасля атрымання ціску на ўваходзе ў 1 МПа тканы ліст можа аказваць сілу скарачэння 5,6 Н (мал. 4B).Графік гістарэзісу ціск-сіла таксама паказвае, што крывая скіду амаль перакрываецца з крывой нарошчвання ціску.Пашырэнне плошчы тканага ліста залежала ад велічыні ціску, прыкладзенага да кожнага з двух AMF, як паказана на трохмерным графіку паверхні (малюнак 4C).Эксперыменты таксама паказваюць, што тканы ліст можа вырабляць пашырэнне плошчы на 66%, калі яго AMF асновы і качка адначасова падвяргаюцца гідраўлічнаму ціску 1 МПа.
Эксперыментальныя вынікі для трыкатажнага ліста дэманструюць карціну, падобную да тканага ліста, уключаючы шырокі разрыў у гістэрэзісе на дыяграме расцяжэнне-ціск і перакрываючыяся крывыя ціску-сілы.Трыкатажны ліст паказаў падаўжэнне 30%, пасля чаго сіла сціску склала 9 Н пры ціску на ўваходзе 1 МПа (мал. 4D, E).
У выпадку круглага тканага ліста яго пачатковая плошча павялічылася на 25% у параўнанні з пачатковай плошчай пасля ўздзеяння ціску вадкасці 1 МПа (мал. 4F).Перш чым узор пачне пашырацца, існуе вялікая мёртвая зона ціску на ўваходзе да 0,7 МПа.Такая вялікая мёртвая зона была чаканай, бо ўзоры былі зроблены з большых AMF, якім патрабаваўся больш высокі ціск для пераадолення першапачатковага напружання.На мал.4F таксама паказвае, што крывая вызвалення амаль супадае з крывой павышэння ціску, што паказвае на невялікую страту энергіі пры пераключэнні руху дыска.
Эксперыментальныя вынікі для трох прывадаў згінання (рэканфігурацыя тканіны) паказваюць, што іх крывыя гістэрэзісу маюць падобную карціну (малюнак 4G), дзе яны адчуваюць мёртвую зону ўваходнага ціску да 0,2 МПа перад узняццем.Мы нанеслі аднолькавы аб'ём вадкасці (0,035 мл) на тры гнуткія дыскі (L20, L30 і L50 мм).Аднак кожны прывад адчуваў розныя пікі ціску і развіў розныя вуглы выгібу.Прывады L20 і L30 мм адчувалі ціск на ўваходзе 0,72 і 0,67 МПа, дасягаючы вуглоў выгібу 167° і 194° адпаведна.Самы доўгі згінальны дыск (даўжыня 50 мм) вытрымаў ціск 0,61 Мпа і дасягнуў максімальнага кута згінання ў 236°.Графікі гістэрэзісу вугла ціску таксама выявілі адносна вялікія разрывы паміж крывымі нагнятання і выпуску для ўсіх трох выгінальных прывадаў.
Узаемасувязь паміж уваходным аб'ёмам і выходнымі ўласцівасцямі (падаўжэнне, сіла, пашырэнне плошчы, вугал выгібу) для вышэйзгаданых разумных тэкстыльных канфігурацый можна знайсці на дадатковым малюнку S2.
Эксперыментальныя вынікі ў папярэднім раздзеле ясна дэманструюць прапарцыйную залежнасць паміж прыкладзеным уваходным ціскам і выхадным падаўжэннем узораў AMF.Чым мацней напружаны AMB, тым большае падаўжэнне ён развівае і тым больш пругкай энергіі ён назапашвае.Такім чынам, тым большая сіла сціску, якую ён аказвае.Вынікі таксама паказалі, што ўзоры дасягнулі максімальнай сілы сціску, калі ціск на ўваходзе быў цалкам выдалены.Гэты раздзел накіраваны на тое, каб усталяваць прамую залежнасць паміж падаўжэннем і максімальнай сілай усаджвання трыкатажных і тканых лістоў шляхам аналітычнага мадэлявання і эксперыментальнай праверкі.
Максімальная сіла скарачэння Fout (пры ціску на ўваходзе P = 0) аднаго AMF была прыведзена ў спасылцы 49 і паўторна ўведзена наступным чынам:
Сярод іх α, E і A0 - гэта каэфіцыент расцяжэння, модуль Юнга і плошча папярочнага перасеку сіліконавай трубкі адпаведна;k - каэфіцыент калянасці спіральнага вітка;x і li - зрушэнне і пачатковая даўжыня.AMP, адпаведна.
правільнае ўраўненне.(1) Возьмем у якасці прыкладу трыкатажныя і тканыя прасціны (мал. 5A, B).Сілы ўсаджвання трыкатажнага вырабу Fkv і тканага вырабу Fwh выражаюцца ўраўненнем (2) і (3) адпаведна.
дзе mk - колькасць завес, φp - кут нахілу завесы трыкатажнага палатна падчас впрыскивания (мал. 5А), mh - колькасць нітак, θhp - вугал зачаплення трыкатажнага палатна падчас впрыскивания (мал. 5Б), εкв εwh - трыкатажнае палатно і дэфармацыя тканага ліста, F0 - пачатковае нацяжэнне спіральнай віткі.Падрабязны вывад раўнання.(2) і (3) можна знайсці ў дапаможнай інфармацыі.
Стварыце аналітычную мадэль залежнасці падаўжэння і сілы.(A, B) Ілюстрацыі аналітычнай мадэлі для трыкатажных і тканых лістоў адпаведна.(C, D) Параўнанне аналітычных мадэляў і эксперыментальных дадзеных для трыкатажных і тканых лістоў.RMSE Сярэднеквадратычная памылка.
Каб праверыць распрацаваную мадэль, мы правялі эксперыменты з падаўжэннем, выкарыстоўваючы вязаныя ўзоры на мал. 2A і плеценыя ўзоры на мал. 2B.Сіла скарачэння вымяралася з крокам 5% для кожнага заблакіраванага пашырэння ад 0% да 50%.Сярэдняе значэнне і стандартнае адхіленне пяці выпрабаванняў прадстаўлены на малюнку 5C (вязанне) і малюнку 5D (вязанне).Крывыя аналітычнай мадэлі апісваюцца ўраўненнямі.Параметры (2) і (3) прыведзены ў табл.1. Вынікі паказваюць, што аналітычная мадэль добра ўзгадняецца з эксперыментальнымі дадзенымі ва ўсім дыяпазоне падаўжэння з сярэднеквадратычнай памылкай (RMSE) 0,34 Н для трыкатажу, 0,21 Н для тканага AMF H (гарызантальны кірунак) і 0,17 Н для тканых AMF .V (вертыкальны кірунак).
У дадатак да асноўных рухаў, прапанаваны разумны тэкстыль можа быць механічна запраграмаваны для забеспячэння больш складаных рухаў, такіх як S-вобразны выгіб, радыяльнае скарачэнне і дэфармацыя ад 2D да 3D.Мы прадстаўляем тут некалькі метадаў праграмавання плоскіх разумных тэкстыльных вырабаў у патрэбныя структуры.
У дадатак да пашырэння дамена ў лінейным кірунку, аднанакіраваныя тканыя лісты могуць быць механічна запраграмаваны для стварэння мультымадальнага руху (мал. 6A).Выцягванне плеценага ліста перабудоўваем як згінальны рух, стрымліваючы адну з яго граняў (верхнюю або ніжнюю) швейнай ніткай.Лісты, як правіла, згінаюцца да абмежавальнай паверхні пад ціскам.На мал.На малюнку 6А паказаны два прыклады плеценых панэляў, якія набываюць S-вобразную форму, калі адна палова заціснута на верхнім баку, а другая палова - на ніжнім.У якасці альтэрнатывы вы можаце зрабіць кругавыя згінальныя руху, дзе абмежаваны толькі ўвесь твар.Аднанакіраваны плецены ліст можна таксама зрабіць у кампрэсійную гільзу, злучыўшы два яе канцы ў трубчастую структуру (мал. 6B).Чалавек апранаецца на ўказальны палец, каб забяспечыць сціск, форму масажу для зняцця болю або паляпшэння кровазвароту.Яго можна маштабаваць, каб ён адпавядаў іншым часткам цела, такім як рукі, клубы і ногі.
Магчымасць пляцення лістоў у адным кірунку.(А) Стварэнне дэфармаваных структур за кошт праграмуемасці формы швейных нітак.(B) Рукаў для сціску пальцаў.(C) Іншая версія плеценай прасціны і яе выкананне ў якасці кампрэсійнага рукава для перадплечча.(D) Яшчэ адзін прататып кампрэсійнага рукава, зроблены з AMF тыпу M, акрылавай ніткі і ліпучак.Падрабязныя характарыстыкі можна знайсці ў раздзеле "Метады".
На малюнку 6C паказаны яшчэ адзін прыклад аднанакіраванага тканага ліста, зробленага з адной AMF і баваўнянай пражы.Ліст можа пашырацца на 45% па плошчы (пры 1,2 МПа) або выклікаць кругавы рух пад ціскам.Мы таксама ўключылі ліст для стварэння кампрэсійнай гільзы перадплечча шляхам прымацавання магнітных рамянёў да канца ліста.Іншы прататып кампрэсійнай гільзы для перадплечча паказаны на мал. 6D, у якой аднанакіраваныя плеценыя лісты былі зроблены з тыпу M AMF (гл. Метады) і акрылавых нітак для стварэння большай сілы сціску.Мы абсталявалі канцы прасцін ліпучкамі для зручнага мацавання і для рук рознага памеру.
Тэхніка стрымлівання, якая ператварае лінейнае расцяжэнне ў рух згінання, таксама прымяняецца да двухнакіраваных тканых лістоў.Мы пераплятаем баваўняныя ніткі з аднаго боку палотнаў асновы і качка, каб яны не пашыраліся (мал. 7А).Такім чынам, калі два AMF атрымліваюць гідраўлічны ціск незалежна адзін ад аднаго, ліст падвяргаецца двухнакіраванаму выгібу, утвараючы адвольную трохмерную структуру.У іншым падыходзе мы выкарыстоўваем нерасцяжныя ніткі, каб абмежаваць адзін кірунак двухнакіраваных тканых лістоў (малюнак 7B).Такім чынам, ліст можа здзяйсняць незалежныя руху згінання і расцягвання, калі адпаведны AMF знаходзіцца пад ціскам.На мал.На малюнку 7B паказаны прыклад, у якім двунакіраванае плеценае палатно кантралюецца так, каб згінаючы рух ахінаць дзве траціны пальца чалавека, а затым расцягваць яго даўжыню, каб пакрыць астатнюю частку.Двухбаковы рух прасцін можа быць карысным для дызайну моды або распрацоўкі разумнага адзення.
Двунакіраваны тканы ліст, вязаны ліст і радыяльна пашыраемыя магчымасці дызайну.(A) Двунакіраваныя клееныя двухнакіраваныя плеценыя панэлі для стварэння двухнакіраванага выгібу.(B) Аднанакіравана абмежаваныя двухнакіраваныя плеценыя панэлі вырабляюць згінанне і падаўжэнне.(C) Высокаэластычны трыкатажны ліст, які можа адпавядаць рознай крывізне паверхні і нават утвараць трубчастыя структуры.(D) размежаванне цэнтральнай лініі радыяльна пашыранай структуры, якая ўтварае гіпербалічную парабалічную форму (бульбяныя чыпсы).
Дзве суседнія завесы верхняга і ніжняга шэрагаў вязанай дэталі злучаем швейнай ніткай так, каб яна не распускалася (мал. 7В).Такім чынам, тканы ліст цалкам гнуткі і добра прыстасоўваецца да розных паверхневых крывых, такіх як паверхня скуры рук і рук чалавека.Мы таксама стварылі трубчастую канструкцыю (рукаў), злучыўшы канцы вязанай часткі па кірунку руху.Рукаў добра абгортваецца вакол указальнага пальца чалавека (мал. 7C).Звілістасць тканіны забяспечвае выдатную пасадку і здольнасць да дэфармацыі, што дазваляе лёгка выкарыстоўваць яе ў разумнай вопратцы (пальчаткі, кампрэсійныя рукавы), забяспечваючы камфорт (праз пасадку) і тэрапеўтычны эфект (праз сціск).
У дадатак да двухмернага радыяльнага пашырэння ў розных напрамках круглыя тканыя лісты таксама можна запраграмаваць для фарміравання трохмерных структур.Мы абмежавалі цэнтральную лінію круглай касы акрылавай прадзівам, каб парушыць яе раўнамернае радыяльнае пашырэнне.У выніку зыходная плоская форма круглага тканага ліста была пераўтворана ў гіпербалічную парабалічную форму (або бульбяныя чыпсы) пасля націску (мал. 7D).Гэтая здольнасць змяняць форму можа быць рэалізавана ў выглядзе пад'ёмнага механізму, аптычнай лінзы, ног мабільнага робата або можа быць карысная ў дызайне адзення і біянічных робатах.
Мы распрацавалі простую тэхніку стварэння гнуткіх прывадаў шляхам наклейвання AMF на палоску нецягучай тканіны (малюнак 3).Мы выкарыстоўваем гэтую канцэпцыю для стварэння праграмаваных патокаў формы, дзе мы можам стратэгічна размеркаваць некалькі актыўных і пасіўных секцый у адным AMF для стварэння жаданых формаў.Мы вырабілі і запраграмавалі чатыры актыўныя ніткі, якія маглі мяняць сваю форму з прамой на літарную (UNSW) пры павелічэнні ціску (дадатковы малюнак S4).Гэты просты метад дазваляе дэфармаванасці AMF ператвараць 1D-лініі ў 2D-фігуры і, магчыма, нават у 3D-структуры.
У аналагічным падыходзе, мы выкарыстоўвалі адзіную AMF, каб пераналадзіць кавалак пасіўнай нармальнай тканіны ў актыўны чатырохногіх (мал. 8A).Канцэпцыі маршрутызацыі і праграмавання падобныя на паказаныя на малюнку 3C.Аднак замест прастакутных палотнаў сталі выкарыстоўваць тканіны з чатырохвугольным малюнкам (чарапаха, баваўняны муслін).Такім чынам, ножкі даўжэй і канструкцыю можна падняць вышэй.Вышыня канструкцыі пад ціскам паступова павялічваецца, пакуль яе ножкі не апынуцца перпендыкулярныя зямлі.Калі ціск на ўваходзе працягне расці, ножкі будуць правісаць ўнутр, зніжаючы вышыню канструкцыі.Чатырохногія могуць выконваць перамяшчэнне, калі іх ногі абсталяваны аднанакіраванымі ўзорамі або выкарыстоўваюць некалькі AMF са стратэгіямі маніпулявання рухам.Мяккія робаты для перамяшчэння неабходныя для розных задач, у тым ліку для выратавання ад лясных пажараў, абваленых будынкаў або небяспечных умоў, а таксама робаты для дастаўкі медыцынскіх лекаў.
Тканіна рэканфігуруецца для стварэння структур, якія змяняюць форму.(A) Прыляпіце AMF да мяжы пасіўнага тканкавага ліста, ператварыўшы яго ў кіраваную чатырохногую структуру.(BD) Два іншых прыкладу рэканфігурацыі тканін, ператварэнне пасіўных матылькоў і кветак у актыўныя.Нерасцягваецца тканіна: аднатонны баваўняны муслін.
Мы таксама выкарыстоўваем перавагі прастаты і ўніверсальнасці гэтага метаду рэканфігурацыі тканіны, уводзячы дзве дадатковыя біяінспіраваныя структуры для змены формы (малюнкі 8B-D).З маршрутызаванай AMF гэтыя структуры, якія дэфармуюцца, пераналаджваюцца з лістоў пасіўнай тканіны ў актыўныя і кіраваныя структуры.Натхніўшыся матыльком-манархам, мы зрабілі канструкцыю матылька-трансфарматара, выкарыстоўваючы кавалак тканіны ў форме матылька (бавоўна-муслін) і доўгі кавалак AMF, замацаваны пад яго крыламі.Калі AMF знаходзіцца пад ціскам, крылы складваюцца.Як і ў матылька-манарха, левае і правае крылы робата-матылька махаюць аднолькава, таму што яны абодва кіруюцца AMF.Закрылкі-матылькі прызначаны толькі для паказу.Ён не можа лётаць, як Smart Bird (Festo Corp., ЗША).Мы таксама зрабілі тканкавую кветку (малюнак 8D), якая складаецца з двух слаёў па пяць пялёсткаў у кожным.Мы размясцілі AMF пад кожным пластом пасля вонкавага краю пялёсткаў.Спачатку кветкі цалкам распусціліся, усе пялёсткі цалкам раскрытыя.Пад ціскам AMF выклікае згінальны рух пялёсткаў, у выніку чаго яны зачыняюцца.Два AMF незалежна кіруюць рухам двух слаёў, у той час як пяць пялёсткаў аднаго пласта згінаюцца адначасова.
Час публікацыі: 26 снежня 2022 г