Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
A combinación de téxtiles e músculos artificiais para crear téxtiles intelixentes está a atraer moita atención tanto da comunidade científica como da industria.Os téxtiles intelixentes ofrecen moitas vantaxes, incluíndo comodidade adaptativa e un alto grao de conformidade cos obxectos ao tempo que proporcionan unha actuación activa para o movemento e a forza desexados.Este artigo presenta unha nova clase de tecidos intelixentes programables feitos mediante varios métodos de tecer, tecer e pegar fibras musculares artificiais impulsadas por fluídos.Desenvolveuse un modelo matemático para describir a relación entre a forza de alongamento das follas téxtiles de punto e tecidas, e despois probouse experimentalmente a súa validez.O novo téxtil "intelixente" presenta unha gran flexibilidade, conformidade e programación mecánica, o que permite movementos multimodais e capacidades de deformación para unha gama máis ampla de aplicacións.A través da verificación experimental creáronse varios prototipos de téxtiles intelixentes, incluíndo varios casos de cambio de forma, como alongamento (ata un 65%), expansión da área (108%), expansión radial (25%) e movemento de flexión.Tamén se está a explorar o concepto de reconfiguración de tecidos tradicionais pasivos en estruturas activas para estruturas de conformación biomimética.Espérase que os téxtiles intelixentes propostos faciliten o desenvolvemento de wearables intelixentes, sistemas hápticos, robots brandos biomiméticos e produtos electrónicos wearables.
Os robots ríxidos son efectivos cando traballan en contornos estruturados, pero teñen problemas co contexto descoñecido de ambientes cambiantes, o que limita o seu uso na busca ou exploración.A natureza segue a sorprendernos con moitas estratexias inventivas para facer fronte aos factores externos e á diversidade.Por exemplo, os zarcillos das plantas trepadoras realizan movementos multimodais, como flexión e espiral, para explorar un entorno descoñecido na procura dun soporte axeitado1.A atrapamoscas de Venus (Dionaea muscipula) ten pelos sensibles nas súas follas que, cando se activan, encaixan no seu lugar para atrapar as súas presas2.Nos últimos anos, a deformación ou deformación de corpos desde superficies bidimensionais (2D) ata formas tridimensionais (3D) que imitan estruturas biolóxicas converteuse nun tema de investigación interesante3,4.Estas configuracións robóticas suaves cambian de forma para adaptarse a ambientes cambiantes, permiten a locomoción multimodal e aplican forzas para realizar traballos mecánicos.O seu alcance estendeuse a unha ampla gama de aplicacións de robótica, incluíndo despregables5, robots reconfigurables e auto-pregables6,7, dispositivos biomédicos8, vehículos9,10 e electrónica expansible11.
Realizáronse moitas investigacións para desenvolver placas planas programables que, cando se activan, transfórmanse en complexas estruturas tridimensionais3.Unha idea sinxela para crear estruturas deformables é combinar capas de diferentes materiais que se flexionen e se engurran ao exporse a estímulos12,13.Janbaz et al.14 e Li et al.15 implementaron este concepto para crear robots deformables multimodais sensibles á calor.Utilizáronse estruturas baseadas en origami que incorporan elementos sensibles a estímulos para crear estruturas tridimensionais complexas16,17,18.Inspirados na morfoxénese das estruturas biolóxicas, Emmanuel et al.Os elastómeros deformables de forma créanse organizando canles de aire dentro dunha superficie de goma que, baixo presión, transfórmanse en formas tridimensionais complexas e arbitrarias.
A integración de téxtiles ou tecidos en robots brandos deformables é outro proxecto novo concepto que xerou un amplo interese.Os téxtiles son materiais suaves e elásticos feitos a partir de fíos mediante técnicas de teceduría como tricotar, tecer, trenzar ou tecer nós.As sorprendentes propiedades dos tecidos, incluíndo flexibilidade, axuste, elasticidade e transpirabilidade, fanos moi populares en todo, desde roupa ata aplicacións médicas20.Existen tres enfoques xerais para incorporar téxtiles á robótica21.O primeiro enfoque é utilizar o téxtil como soporte pasivo ou base para outros compoñentes.Neste caso, os téxtiles pasivos proporcionan un axuste cómodo ao usuario cando transporta compoñentes ríxidos (motores, sensores, fonte de alimentación).A maioría dos robots ou exoesqueletos brandos que se poden vestir e brandos encóntranse neste enfoque.Por exemplo, exoesqueletos brandos para a marcha 22 e cóbados 23, 24, 25, luvas suaves 26 para as mans e os dedos, e robots biónicos brandos 27.
O segundo enfoque é utilizar téxtiles como compoñentes pasivos e limitados de dispositivos robóticos brandos.Os actuadores baseados en téxtiles entran nesta categoría, onde o tecido adoita construírse como un recipiente exterior para conter a mangueira ou a cámara interior, formando un actuador reforzado con fibras brandas.Cando se someten a unha fonte pneumática ou hidráulica externa, estes actuadores brandos sofren cambios de forma, incluíndo alongamento, flexión ou torsión, dependendo da súa composición e configuración orixinal.Por exemplo, Talman et al.Introduciuse roupa ortopédica de nocello, que consiste nunha serie de petos de tecido, para facilitar a flexión plantar para restaurar a marcha28.Pódense combinar capas téxtiles con diferente extensibilidade para crear movemento anisótropo 29 .OmniSkins: as peles robóticas brandas feitas a partir dunha variedade de actuadores brandos e materiais de substrato poden transformar obxectos pasivos en robots activos multifuncionais que poden realizar movementos e deformacións multimodais para varias aplicacións.Zhu et al.desenvolveron unha lámina muscular de tecido líquido31 que pode xerar elongación, flexión e varios movementos de deformación.Buckner et al.Integrar fibras funcionais en tecidos convencionais para crear tecidos robóticos con múltiples funcións como a actuación, a detección e a rixidez variable32.Outros métodos desta categoría pódense atopar nestes traballos 21, 33, 34, 35.
Un enfoque recente para aproveitar as propiedades superiores dos téxtiles no campo da robótica branda é o uso de filamentos reactivos ou sensibles a estímulos para crear téxtiles intelixentes utilizando métodos tradicionais de fabricación téxtil como os métodos de teceduría, tricô e teceduría21,36,37.Segundo a composición do material, o fío reactivo provoca un cambio de forma cando se somete a accións eléctricas, térmicas ou de presión, o que leva á deformación do tecido.Neste enfoque, onde os téxtiles tradicionais están integrados nun sistema robótico suave, a remodelación do téxtil prodúcese na capa interna (fío) en lugar da capa exterior.Polo tanto, os téxtiles intelixentes ofrecen un excelente manexo en termos de movemento multimodal, deformación programable, elasticidade e capacidade de axustar a rixidez.Por exemplo, as aliaxes con memoria de forma (SMA) e os polímeros con memoria de forma (SMP) pódense incorporar aos tecidos para controlar activamente a súa forma mediante estimulación térmica, como o dobladillo38, a eliminación de engurras36,39, a retroalimentación táctil e táctil40,41, así como a resposta adaptativa. roupa de vestir.dispositivos 42 .Non obstante, o uso de enerxía térmica para quentar e arrefriar ten como resultado unha resposta lenta e un arrefriamento e control difíciles.Máis recentemente, Hiramitsu et al.Os músculos finos de McKibben43,44, músculos artificiais pneumáticos, úsanse como fíos de urdimbre para crear diversas formas de téxtiles activos cambiando a estrutura do tecido45.Aínda que este enfoque proporciona forzas elevadas, debido á natureza do músculo McKibben, a súa taxa de expansión é limitada (< 50 %) e non se pode acadar un tamaño pequeno (diámetro < 0,9 mm).Ademais, foi difícil formar patróns téxtiles intelixentes a partir de métodos de tecido que requiren cantos afiados.Para formar unha gama máis ampla de téxtiles intelixentes, Maziz et al.Os téxtiles para vestir electroactivos desenvolvéronse tecendo e tecendo fíos de polímero electrosensible46.
Nos últimos anos, xurdiu un novo tipo de músculo artificial termosensible, construído a partir de fibras poliméricas moi retorcidas e baratas47,48.Estas fibras están dispoñibles comercialmente e incorpóranse facilmente ao tecido ou tecido para producir roupa intelixente a prezos accesibles.A pesar dos avances, estes novos téxtiles termosensibles teñen uns tempos de resposta limitados debido á necesidade de quecemento e arrefriamento (p. ex. téxtiles con temperatura controlada) ou á dificultade de facer patróns complexos de punto e tecido que se poden programar para xerar as deformacións e movementos desexados. .Os exemplos inclúen a expansión radial, a transformación de formas 2D a 3D ou a expansión bidireccional, que ofrecemos aquí.
Para superar estes problemas mencionados anteriormente, este artigo presenta un novo téxtil intelixente impulsado por fluídos feito a partir das nosas fibras musculares artificiais brandas (AMF) introducidas recentemente49,50,51.Os AMF son altamente flexibles, escalables e pódense reducir a un diámetro de 0,8 mm e grandes lonxitudes (polo menos 5000 mm), ofrecendo unha alta relación de aspecto (longitud a diámetro), así como un alto alongamento (polo menos 245 %), alta enerxía. eficiencia, resposta rápida inferior a 20 Hz).Para crear téxtiles intelixentes, usamos AMF como un fío activo para formar capas musculares activas en 2D mediante técnicas de tricô e tecido.Estudamos cuantitativamente a taxa de expansión e a forza de contracción destes tecidos "intelixentes" en termos de volume de fluído e presión entregada.Desenvolvéronse modelos analíticos para establecer a relación de forzas de alongamento para follas de punto e tecidas.Tamén describimos varias técnicas de programación mecánica para téxtiles intelixentes para o movemento multimodal, incluíndo extensión bidireccional, flexión, expansión radial e a capacidade de transición de 2D a 3D.Para demostrar a forza do noso enfoque, tamén integraremos AMF en tecidos comerciais ou téxtiles para cambiar a súa configuración de estruturas pasivas a activas que provocan varias deformacións.Tamén demostramos este concepto en varios bancos de proba experimentais, incluíndo dobrado programable de fíos para producir letras desexadas e estruturas biolóxicas que cambian de forma en forma de obxectos como bolboretas, estruturas cuadrúpedas e flores.
Os téxtiles son estruturas flexibles bidimensionais formadas a partir de fíos unidimensionales entretecidos como fíos, fíos e fibras.O téxtil é unha das tecnoloxías máis antigas da humanidade e é moi utilizado en todos os aspectos da vida debido á súa comodidade, adaptabilidade, transpirabilidade, estética e protección.Os téxtiles intelixentes (tamén coñecidos como roupa intelixente ou tecidos robóticos) úsanse cada vez máis na investigación debido ao seu gran potencial en aplicacións robóticas20,52.Os téxtiles intelixentes prometen mellorar a experiencia humana de interactuar con obxectos brandos, marcando o inicio dun cambio de paradigma no campo onde se poden controlar o movemento e as forzas do tecido fino e flexible para realizar tarefas específicas.Neste artigo, exploramos dous enfoques para a produción de téxtiles intelixentes baseados no noso recente AMF49: (1) usar AMF como fío activo para crear téxtiles intelixentes utilizando tecnoloxías tradicionais de fabricación téxtil;(2) inserir AMF directamente nos tecidos tradicionais para estimular o movemento e a deformación desexados.
O AMF consta dun tubo interno de silicona para subministrar enerxía hidráulica e unha bobina helicoidal externa para limitar a súa expansión radial.Así, os AMF alonganse lonxitudinalmente cando se aplica presión e, posteriormente, exhiben forzas contráctiles para volver á súa lonxitude orixinal cando se libera a presión.Teñen propiedades similares ás fibras tradicionais, incluíndo flexibilidade, diámetro pequeno e lonxitude longa.Non obstante, o AMF é máis activo e controlado en termos de movemento e forza que os seus homólogos convencionais.Inspirados polos rápidos avances recentes nos téxtiles intelixentes, aquí presentamos catro enfoques principais para producir téxtiles intelixentes aplicando AMF a unha tecnoloxía de fabricación de tecidos de longa data (Figura 1).
A primeira forma é tecendo.Usamos tecnoloxía de malla de trama para producir un tecido de punto reactivo que se desprega nunha dirección cando se acciona hidráulicamente.As follas de punto son moi elásticas e elásticas, pero tenden a desfacerse máis facilmente que as sabas tecidas.Dependendo do método de control, AMF pode formar filas individuais ou produtos completos.Ademais das follas planas, os patróns de tricô tubulares tamén son axeitados para a fabricación de estruturas ocas AMF.O segundo método é o tecido, onde usamos dous AMF como urdimbre e trama para formar unha folla tecida rectangular que se pode expandir independentemente en dúas direccións.As follas tecidas proporcionan máis control (en ambas direccións) que as follas de punto.Tamén tecemos AMF a partir de fíos tradicionais para facer unha folla tecida máis sinxela que só se pode desenrolar nunha dirección.O terceiro método, a expansión radial, é unha variante da técnica de teceduría, na que os AMP non están situados nun rectángulo, senón en espiral, e os fíos proporcionan restrición radial.Neste caso, a trenza se expande radialmente baixo a presión de entrada.Un cuarto enfoque é pegar o AMF nunha folla de tecido pasivo para crear un movemento de flexión na dirección desexada.Reconfiguramos o taboleiro de ruptura pasivo nun taboleiro de ruptura activo executando o AMF ao redor do seu bordo.Esta natureza programable de AMF abre innumerables posibilidades para estruturas brandas que transforman formas bio-inspiradas onde podemos converter obxectos pasivos en activos.Este método é sinxelo, sinxelo e rápido, pero pode comprometer a lonxevidade do prototipo.O lector remítese a outros enfoques da literatura que detallan os puntos fortes e débiles de cada propiedade do tecido21,33,34,35.
A maioría dos fíos ou fíos utilizados para facer tecidos tradicionais conteñen estruturas pasivas.Neste traballo, utilizamos o noso AMF desenvolvido previamente, que pode alcanzar metros de lonxitude e diámetros submilimétricos, para substituír os fíos téxtiles pasivos tradicionais por AFM para crear tecidos intelixentes e activos para unha gama máis ampla de aplicacións.Nas seguintes seccións descríbense métodos detallados para facer prototipos téxtiles intelixentes e preséntanse as súas principais funcións e comportamentos.
Elaboramos artesanalmente tres camisolas de AMF mediante a técnica de malla de trama (Fig. 2A).A selección de materiais e as especificacións detalladas para AMF e prototipos pódense atopar na sección de Métodos.Cada AMF segue un camiño sinuoso (tamén chamado ruta) que forma un bucle simétrico.Os bucles de cada fila están fixados con bucles das filas por riba e por debaixo delas.Os aneis dunha columna perpendiculares ao curso combínanse nun eixe.O noso prototipo de punto consta de tres filas de sete puntos (ou sete puntos) en cada fila.Os aneis superior e inferior non están fixos, polo que podemos unilos ás varillas metálicas correspondentes.Os prototipos de punto desveláronse máis facilmente que os tecidos de punto convencionais debido á maior rixidez de AMF en comparación cos fíos convencionais.Polo tanto, atamos os lazos das filas adxacentes con cordóns elásticos finos.
Están a implementarse varios prototipos de téxtiles intelixentes con diferentes configuracións de AMF.(A) Folla de punto feita a partir de tres AMF.(B) Folla tecida bidireccional de dúas AMF.(C) Unha folla tecida unidireccional feita de AMF e fío acrílico pode soportar unha carga de 500 g, que é 192 veces o seu peso (2,6 g).(D) Estrutura de expansión radial cun AMF e fío de algodón como restrición radial.As especificacións detalladas pódense atopar na sección Métodos.
Aínda que os bucles en zigzag dunha malla poden estirarse en diferentes direccións, o noso prototipo de malla se expande principalmente na dirección do bucle baixo presión debido ás limitacións na dirección da viaxe.O alongamento de cada AMF contribúe á expansión da área total da folla de punto.Dependendo dos requisitos específicos, podemos controlar tres AMF independentemente de tres fontes de fluídos diferentes (Figura 2A) ou simultáneamente desde unha fonte de fluído mediante un distribuidor de fluídos de 1 a 3.Sobre a fig.A figura 2A mostra un exemplo dun prototipo de punto, cuxa área inicial aumentou un 35% mentres se aplicaba presión a tres AMP (1,2 MPa).Notablemente, AMF consegue un alto alongamento de polo menos o 250% da súa lonxitude orixinal49 polo que as follas de punto poden estirarse aínda máis que as versións actuais.
Tamén creamos follas de tecido bidireccional formadas a partir de dous AMF usando a técnica de tecido liso (Figura 2B).A urdimbre e a trama AMF están entrelazadas en ángulo recto, formando un patrón cruzado sinxelo.O noso prototipo de tecido clasificouse como un tecido liso equilibrado porque tanto os fíos de urdimbre como de trama foron feitos co mesmo tamaño de fío (consulta a sección Métodos para máis detalles).A diferenza dos fíos ordinarios que poden formar pregamentos afiados, o AMF aplicado require un certo radio de curvatura ao volver a outro fío do patrón de teceduría.Polo tanto, as follas tecidas feitas con AMP teñen unha densidade menor en comparación cos téxtiles tecidos convencionais.O tipo S AMF (diámetro exterior 1,49 mm) ten un radio de curvatura mínimo de 1,5 mm.Por exemplo, o prototipo de tecido que presentamos neste artigo ten un patrón de fíos de 7×7 onde cada intersección se estabiliza cun nó de cordón elástico fino.Usando a mesma técnica de tecido, podes obter máis fíos.
Cando o AMF correspondente recibe presión de fluído, a folla tecida expande a súa área na dirección de urdimbre ou trama.Polo tanto, controlamos as dimensións da folla trenzada (longo e ancho) cambiando de forma independente a cantidade de presión de entrada aplicada aos dous AMP.Sobre a fig.2B mostra un prototipo de tecido que se expandiu ata o 44% da súa área orixinal ao aplicar presión a un AMP (1,3 MPa).Coa acción simultánea da presión sobre dous AMF, a superficie aumentou un 108%.
Tamén fixemos unha folla tecida unidireccional a partir dunha única AMF con urdimbre e fíos acrílicos como trama (Figura 2C).Os AMF están dispostos en sete filas en zigzag e os fíos tecen estas filas de AMF xuntos para formar unha folla rectangular de tea.Este prototipo tecido era máis denso que na figura 2B, grazas a fíos acrílicos suaves que enchían facilmente toda a folla.Como só usamos un AMF como urdimbre, a folla tecida só se pode expandir cara a urdimbre baixo presión.A figura 2C mostra un exemplo dun prototipo de tecido cuxa área inicial aumenta un 65% co aumento da presión (1,3 MPa).Ademais, esta peza trenzada (con un peso de 2,6 gramos) pode levantar unha carga de 500 gramos, o que supón 192 veces a súa masa.
En lugar de organizar o AMF nun patrón en zigzag para crear unha folla tecida rectangular, fabricamos unha forma de espiral plana do AMF, que despois foi restrinxida radialmente con fíos de algodón para crear unha folla tecida redonda (Figura 2D).A alta rixidez de AMF limita o seu recheo da rexión moi central da placa.Non obstante, este acolchado pódese facer con fíos elásticos ou tecidos elásticos.Ao recibir presión hidráulica, o AMP converte o seu alongamento lonxitudinal nunha expansión radial da folla.Tamén vale a pena sinalar que tanto o diámetro exterior como o interior da forma espiral aumentan debido á limitación radial dos filamentos.A figura 2D mostra que cunha presión hidráulica aplicada de 1 MPa, a forma dunha folla redonda se expande ata o 25% da súa área orixinal.
Presentamos aquí un segundo enfoque para facer téxtiles intelixentes onde pegamos un AMF a un anaco de tecido plano e o reconfiguramos dunha estrutura pasiva a unha activamente controlada.O diagrama de deseño da unidade de flexión móstrase na fig.3A, onde o AMP está dobrado polo medio e pegado a unha tira de tecido inextensible (tecido de muselina de algodón) usando cinta de dobre cara como adhesivo.Unha vez selado, a parte superior do AMF pode estenderse libremente, mentres que a parte inferior está limitada pola cinta e o tecido, o que fai que a tira se doble cara ao tecido.Podemos desactivar calquera parte do actuador de curvatura en calquera lugar simplemente pegando unha tira de cinta sobre el.Un segmento desactivado non pode moverse e pasa a ser un segmento pasivo.
Os tecidos son reconfigurados pegando AMF nos tecidos tradicionais.(A) Concepto de deseño para un accionamento de flexión feito pegando un AMF dobrado nun tecido inextensible.(B) Flexión do prototipo do actuador.(C) Reconfiguración dun pano rectangular nun robot activo de catro patas.Tecido inelástico: punto de algodón.Tecido elástico: poliéster.As especificacións detalladas pódense atopar na sección Métodos.
Fixemos varios prototipos de actuadores de flexión de diferentes lonxitudes e presurizámolos con hidráulico para crear un movemento de flexión (Figura 3B).É importante destacar que o AMF pódese colocar en liña recta ou dobrarse para formar varios fíos e despois pegarse ao tecido para crear unha unidade de flexión co número adecuado de fíos.Tamén convertemos a folla de tecido pasivo nunha estrutura tetrápoda activa (Figura 3C), onde usamos AMF para enrutar os bordos dun tecido rectangular inextensible (tecido de muselina de algodón).AMP está unido ao tecido cun anaco de cinta de dobre cara.O medio de cada bordo está pegado para facerse pasivo, mentres que as catro esquinas permanecen activas.A tapa superior de tecido elástico (poliéster) é opcional.As catro esquinas do tecido dobran (semellan pernas) cando se presionan.
Construímos un banco de probas para estudar cuantitativamente as propiedades dos téxtiles intelixentes desenvolvidos (consulte a sección Métodos e a Figura complementaria S1).Dado que todas as mostras foron feitas de AMF, a tendencia xeral dos resultados experimentais (Fig. 4) é consistente coas principais características de AMF, é dicir, a presión de entrada é directamente proporcional ao alongamento de saída e inversamente proporcional á forza de compresión.Non obstante, estes tecidos intelixentes teñen características únicas que reflicten as súas configuracións específicas.
Presenta configuracións téxtiles intelixentes.(A, B) Curvas de histérese para presión de entrada e alongamento e forza de saída para follas tecidas.(C) Ampliación da área da folla tecida.(D,E) Relación entre a presión de entrada e o alongamento e forza de saída para as pezas de punto.(F) Ampliación da área de estruturas de expansión radial.(G) Ángulos de flexión de tres lonxitudes diferentes de unidades de flexión.
Cada AMF da folla tecida foi sometida a unha presión de entrada de 1 MPa para xerar aproximadamente un 30% de elongación (Fig. 4A).Escollemos este limiar para todo o experimento por varias razóns: (1) para crear un alongamento significativo (aproximadamente un 30%) para enfatizar as súas curvas de histérese, (2) para evitar o ciclo de diferentes experimentos e prototipos reutilizables que provocan danos ou fallos accidentais..baixo alta presión de fluído.A zona morta é claramente visible e a trenza permanece inmóbil ata que a presión de entrada chega a 0,3 MPa.O gráfico de histérese de elongación de presión mostra unha gran brecha entre as fases de bombeo e de liberación, o que indica que hai unha perda importante de enerxía cando a folla tecida cambia o seu movemento de expansión a contracción.(Fig. 4A).Despois de obter unha presión de entrada de 1 MPa, a folla tecida podería exercer unha forza de contracción de 5,6 N (Fig. 4B).O gráfico de histérese presión-forza tamén mostra que a curva de reinicio case se solapa coa curva de acumulación de presión.A expansión da área da folla tecida dependía da cantidade de presión aplicada a cada un dos dous AMF, como se mostra no gráfico de superficie 3D (Figura 4C).Os experimentos tamén mostran que unha folla tecida pode producir unha expansión de área do 66% cando os seus AMF de urdimbre e trama están sometidos simultáneamente a unha presión hidráulica de 1 MPa.
Os resultados experimentais para a folla de punto mostran un patrón similar á folla tecida, incluíndo unha gran brecha de histérese no diagrama tensión-presión e curvas de presión-forza superpostas.A folla de punto mostrou un alongamento do 30%, despois do cal a forza de compresión foi de 9 N a unha presión de entrada de 1 MPa (Fig. 4D, E).
No caso dunha folla tecida redonda, a súa área inicial aumentou un 25% en comparación coa área inicial despois da exposición a unha presión de líquido de 1 MPa (Fig. 4F).Antes de que a mostra comece a expandirse, hai unha gran zona morta de presión de entrada de ata 0,7 MPa.Esta gran zona morta era de esperar xa que as mostras foron feitas a partir de AMF máis grandes que requirían presións máis altas para superar o seu estrés inicial.Sobre a fig.4F tamén mostra que a curva de liberación case coincide coa curva de aumento de presión, o que indica pouca perda de enerxía cando se cambia o movemento do disco.
Os resultados experimentais dos tres actuadores de flexión (reconfiguración do tecido) mostran que as súas curvas de histérese teñen un patrón similar (Figura 4G), onde experimentan unha zona morta de presión de entrada de ata 0,2 MPa antes do levantamento.Aplicamos o mesmo volume de líquido (0,035 ml) a tres unidades de flexión (L20, L30 e L50 mm).Non obstante, cada actuador experimentou diferentes picos de presión e desenvolveu diferentes ángulos de flexión.Os actuadores L20 e L30 mm experimentaron unha presión de entrada de 0,72 e 0,67 MPa, alcanzando ángulos de flexión de 167° e 194° respectivamente.O accionamento de flexión máis longo (50 mm de lonxitude) resistiu unha presión de 0,61 MPa e alcanzou un ángulo de flexión máximo de 236 °.Os gráficos de histérese do ángulo de presión tamén revelaron fendas relativamente grandes entre as curvas de presurización e liberación das tres unidades de flexión.
A relación entre o volume de entrada e as propiedades de saída (elongación, forza, expansión da área, ángulo de flexión) para as configuracións téxtiles intelixentes anteriores pódese atopar na figura complementaria S2.
Os resultados experimentais da sección anterior demostran claramente a relación proporcional entre a presión de entrada aplicada e o alongamento de saída das mostras de AMF.Canto máis forte se tense o AMB, maior será o alongamento que desenvolve e máis enerxía elástica acumula.Polo tanto, canto maior sexa a forza de compresión que exerce.Os resultados tamén mostraron que as mostras alcanzaron a súa máxima forza de compresión cando se eliminou completamente a presión de entrada.Esta sección pretende establecer unha relación directa entre o alongamento e a máxima forza de contracción das follas de punto e tecidas mediante a modelización analítica e a verificación experimental.
A máxima forza contráctil Fout (á presión de entrada P = 0) dun único AMF deuse na ref 49 e reintroduciuse do seguinte xeito:
Entre eles, α, E e A0 son o factor de estiramento, o módulo de Young e a área de sección transversal do tubo de silicona, respectivamente;k é o coeficiente de rixidez da espiral;x e li son desplazados e lonxitude inicial.AMP, respectivamente.
a ecuación correcta.(1) Tome como exemplo as follas de punto e tecidas (Fig. 5A, B).As forzas de contracción do produto de punto Fkv e do produto de tecido Fwh exprésanse pola ecuación (2) e (3), respectivamente.
onde mk é o número de bucles, φp é o ángulo de bucle do tecido de punto durante a inxección (Fig. 5A), mh é o número de fíos, θhp é o ángulo de enganche do tecido de punto durante a inxección (Fig. 5B), εkv εwh é a folla de punto e a deformación da folla tecida, F0 é a tensión inicial da bobina espiral.Derivación detallada da ecuación.(2) e (3) pódense atopar na información de apoio.
Crear un modelo analítico para a relación elongación-forza.(A,B) Ilustracións de modelos analíticos para follas de punto e tecidas, respectivamente.(C,D) Comparación de modelos analíticos e datos experimentais para follas de punto e tecidas.Erro cuadrático medio RMSE.
Para probar o modelo desenvolvido, realizamos experimentos de alongamento usando os patróns de punto na figura 2A e mostras trenzadas na figura 2B.A forza de contracción mediuse en incrementos do 5% para cada extensión bloqueada do 0% ao 50%.A media e a desviación estándar dos cinco ensaios preséntanse na figura 5C (punta) e na figura 5D (punta).As curvas do modelo analítico descríbense mediante ecuacións.Os parámetros (2) e (3) aparecen na táboa.1. Os resultados mostran que o modelo analítico está de acordo cos datos experimentais en todo o intervalo de alongamento cun erro cadrado medio (RMSE) de 0,34 N para prendas de punto, 0,21 N para tecido AMF H (dirección horizontal) e 0,17 N. para tecido AMF.V (dirección vertical).
Ademais dos movementos básicos, os téxtiles intelixentes propostos pódense programar mecánicamente para proporcionar movementos máis complexos como curva en S, contracción radial e deformación 2D a 3D.Presentamos aquí varios métodos para programar tecidos intelixentes planos nas estruturas desexadas.
Ademais de expandir o dominio na dirección lineal, as follas tecidas unidireccionais pódense programar mecánicamente para crear movemento multimodal (Fig. 6A).Reconfiguramos a extensión da folla trenzada como un movemento de flexión, limitando unha das súas caras (superior ou inferior) con fío de coser.As follas tenden a dobrarse cara á superficie de delimitación baixo presión.Sobre a fig.A figura 6A mostra dous exemplos de paneis tecidos que se fan en forma de S cando unha metade está axustada na parte superior e a outra metade está axustada na parte inferior.Alternativamente, pode crear un movemento de flexión circular onde só se restrinxa toda a cara.Unha folla trenzada unidireccional tamén se pode facer nunha manga de compresión conectando os seus dous extremos nunha estrutura tubular (Fig. 6B).A manga úsase sobre o dedo índice dunha persoa para proporcionar compresión, unha forma de terapia de masaxe para aliviar a dor ou mellorar a circulación.Pódese escalar para adaptarse a outras partes do corpo, como brazos, cadeiras e pernas.
Capacidade para tecer follas nunha soa dirección.(A) Creación de estruturas deformables debido á programabilidade da forma dos fíos de coser.(B) Manga de compresión para o dedo.(C) Outra versión da folla trenzada e a súa implementación como manga de compresión do antebrazo.(D) Outro prototipo de manga de compresión feito de AMF tipo M, fío acrílico e correas de velcro.As especificacións detalladas pódense atopar na sección Métodos.
A figura 6C mostra outro exemplo dunha folla tecida unidireccional feita a partir dun só AMF e fío de algodón.A folla pode expandirse nun 45% de área (a 1,2 MPa) ou causar movemento circular baixo presión.Tamén incorporamos unha lámina para crear unha manga de compresión do antebrazo unindo correas magnéticas ao final da folla.Outro prototipo de manga de compresión do antebrazo móstrase na figura 6D, na que se fixeron follas trenzadas unidireccionais a partir de AMF Tipo M (ver Métodos) e fíos acrílicos para xerar forzas de compresión máis fortes.Equipamos os extremos das sabas con correas de velcro para facilitar a fixación e para diferentes tamaños de man.
A técnica de restrición, que converte a extensión lineal en movemento de flexión, tamén é aplicable ás follas tecidas bidireccionais.Tecemos os fíos de algodón nun lado da urdimbre e tecemos follas tecidas para que non se expandan (Fig. 7A).Así, cando dous AMF reciben presión hidráulica independentemente entre si, a folla sofre un movemento de flexión bidireccional para formar unha estrutura tridimensional arbitraria.Noutro enfoque, usamos fíos inextensibles para limitar unha dirección das follas tecidas bidireccionais (Figura 7B).Así, a folla pode facer movementos independentes de flexión e estiramento cando o AMF correspondente está baixo presión.Sobre a fig.A figura 7B mostra un exemplo no que se controla unha folla trenzada bidireccional para envolver ao redor de dous terzos dun dedo humano cun movemento de flexión e despois estender a súa lonxitude para cubrir o resto cun movemento de estiramento.O movemento bidireccional das sabas pode ser útil para o deseño de moda ou o desenvolvemento de roupa intelixente.
Sabas tecidas bidireccionais, follas de punto e capacidades de deseño expansibles radialmente.(A) Paneis de vimbio bidireccionais unidos bidireccionais para crear unha curva bidireccional.(B) Os paneis de vimbio bidireccionais restrinxidos unidireccionalmente producen flexión e alongamento.(C) Folla de punto altamente elástica, que pode adaptarse a diferentes curvaturas da superficie e mesmo formar estruturas tubulares.(D) delimitación da liña central dunha estrutura en expansión radial formando unha forma parabólica hiperbólica (patacas fritas).
Conectamos dous bucles adxacentes das filas superior e inferior da parte de punto con fío de costura para que non se desenrolle (Fig. 7C).Así, a folla tecida é totalmente flexible e adáptase ben a varias curvas de superficie, como a superficie da pel de mans e brazos humanos.Tamén creamos unha estrutura tubular (manga) conectando os extremos da parte de punto na dirección da viaxe.A manga envolve ben o dedo índice da persoa (Fig. 7C).A sinuosidade do tecido proporciona un excelente axuste e deformabilidade, polo que é fácil de usar en roupa intelixente (luvas, mangas de compresión), proporcionando confort (a través do axuste) e efecto terapéutico (a través da compresión).
Ademais da expansión radial 2D en varias direccións, tamén se poden programar follas tecidas circulares para formar estruturas 3D.Limitamos a liña central da trenza redonda con fío acrílico para perturbar a súa expansión radial uniforme.Como resultado, a forma plana orixinal da folla tecida redonda transformouse nunha forma parabólica hiperbólica (ou patacas fritas) despois da presurización (Fig. 7D).Esta capacidade de cambio de forma podería implementarse como un mecanismo de elevación, unha lente óptica, patas de robot móbiles ou podería ser útil no deseño de moda e en robots biónicos.
Desenvolvemos unha técnica sinxela para crear unidades de flexión pegando AMF nunha tira de tecido non elástico (Figura 3).Usamos este concepto para crear fíos programables de formas onde podemos distribuír estratexicamente varias seccións activas e pasivas nun AMF para crear as formas desexadas.Fabricamos e programamos catro filamentos activos que podían cambiar a súa forma de recta a letra (UNSW) a medida que aumentaba a presión (figura complementaria S4).Este método sinxelo permite que a deformabilidade do AMF converta liñas 1D en formas 2D e posiblemente incluso estruturas 3D.
Nun enfoque similar, usamos un único AMF para reconfigurar un anaco de tecido normal pasivo nun tetrápodo activo (Fig. 8A).Os conceptos de enrutamento e programación son similares aos mostrados na Figura 3C.Non obstante, en lugar de sabas rectangulares, comezaron a utilizar tecidos cun patrón cuadrúpedo (tartaruga, muselina de algodón).Polo tanto, as pernas son máis longas e a estrutura pódese elevar máis.A altura da estrutura aumenta gradualmente baixo presión ata que as súas patas quedan perpendiculares ao chan.Se a presión de entrada segue aumentando, as patas caerán cara a dentro, baixando a altura da estrutura.Os tetrápodos poden realizar a locomoción se as súas pernas están equipadas con patróns unidireccionais ou usan múltiples AMF con estratexias de manipulación de movemento.Os robots de locomoción suave son necesarios para unha variedade de tarefas, incluíndo rescates de incendios forestais, edificios colapsados ou ambientes perigosos e robots de entrega de medicamentos médicos.
O tecido reconfigurase para crear estruturas que cambian de forma.(A) Pegue o AMF ao bordo da folla de tecido pasiva, converténdoo nunha estrutura de catro patas orientable.(BD) Outros dous exemplos de reconfiguración de tecidos, convertendo bolboretas e flores pasivas en activas.Tecido non elástico: muselina lisa de algodón.
Tamén aproveitamos a sinxeleza e versatilidade desta técnica de reconfiguración de tecidos introducindo dúas estruturas bioinspiradas adicionais para remodelar (Figuras 8B-D).Cun AMF enrutable, estas estruturas deformables de forma reconfiguran a partir de follas de tecido pasivo a estruturas activas e orientables.Inspirados na bolboreta monarca, fixemos unha estrutura de bolboreta transformadora utilizando un anaco de tea con forma de bolboreta (muselina de algodón) e un anaco longo de AMF pegado debaixo das ás.Cando o AMF está baixo presión, as ás dobran cara arriba.Do mesmo xeito que a bolboreta monarca, as ás esquerda e dereita do robot bolboreta baten do mesmo xeito porque están controladas pola AMF.As solapas de bolboreta son só para fins de exhibición.Non pode voar como Smart Bird (Festo Corp., EUA).Tamén fixemos unha flor de tea (Figura 8D) formada por dúas capas de cinco pétalos cada unha.Colocamos o AMF debaixo de cada capa despois do bordo exterior dos pétalos.Inicialmente, as flores están en plena floración, con todos os pétalos totalmente abertos.Baixo presión, o AMF provoca un movemento de flexión dos pétalos, facendo que se pechen.Os dous AMF controlan de forma independente o movemento das dúas capas, mentres que os cinco pétalos dunha capa flexan ao mesmo tempo.
Hora de publicación: 26-12-2022