Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Ο συνδυασμός υφασμάτων και τεχνητών μυών για τη δημιουργία έξυπνων υφασμάτων προσελκύει μεγάλη προσοχή τόσο από την επιστημονική όσο και από τη βιομηχανική κοινότητα.Τα έξυπνα υφάσματα προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της προσαρμοστικής άνεσης και του υψηλού βαθμού συμμόρφωσης με αντικείμενα, ενώ παρέχουν ενεργή ενεργοποίηση για την επιθυμητή κίνηση και δύναμη.Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια νέα κατηγορία προγραμματιζόμενων έξυπνων υφασμάτων που κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους ύφανσης, ύφανσης και κόλλησης τεχνητών μυϊκών ινών που κινούνται με υγρό.Αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο για να περιγράψει την αναλογία της δύναμης επιμήκυνσης των πλεκτών και υφασμένων φύλλων υφασμάτων και στη συνέχεια δοκιμάστηκε πειραματικά η εγκυρότητά του.Το νέο «έξυπνο» ύφασμα διαθέτει υψηλή ευελιξία, συμμόρφωση και μηχανικό προγραμματισμό, επιτρέποντας πολλαπλές δυνατότητες κίνησης και παραμόρφωσης για ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογών.Διάφορα πρωτότυπα έξυπνων υφασμάτων έχουν δημιουργηθεί μέσω πειραματικής επαλήθευσης, συμπεριλαμβανομένων διαφόρων περιπτώσεων αλλαγής σχήματος όπως επιμήκυνση (έως 65%), επέκταση επιφάνειας (108%), ακτινική διαστολή (25%) και κίνηση κάμψης.Η έννοια της αναδιαμόρφωσης παθητικών παραδοσιακών ιστών σε ενεργές δομές για βιομιμητικές δομές διαμόρφωσης διερευνάται επίσης.Τα προτεινόμενα έξυπνα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα αναμένεται να διευκολύνουν την ανάπτυξη έξυπνων wearables, απτικών συστημάτων, βιομιμητικών μαλακών ρομπότ και φορετών ηλεκτρονικών.
Τα άκαμπτα ρομπότ είναι αποτελεσματικά όταν εργάζονται σε δομημένα περιβάλλοντα, αλλά έχουν προβλήματα με το άγνωστο πλαίσιο της αλλαγής του περιβάλλοντος, το οποίο περιορίζει τη χρήση τους στην αναζήτηση ή την εξερεύνηση.Η φύση συνεχίζει να μας εκπλήσσει με πολλές εφευρετικές στρατηγικές για την αντιμετώπιση των εξωτερικών παραγόντων και της διαφορετικότητας.Για παράδειγμα, οι έλικες των αναρριχώμενων φυτών εκτελούν πολυτροπικές κινήσεις, όπως κάμψη και σπειροειδή κίνηση, για να εξερευνήσουν ένα άγνωστο περιβάλλον αναζητώντας ένα κατάλληλο στήριγμα1.Η μυγοπαγίδα της Αφροδίτης (Dionaea muscipula) έχει ευαίσθητες τρίχες στα φύλλα της που, όταν ενεργοποιούνται, κουμπώνουν στη θέση τους για να πιάσουν θήραμα2.Τα τελευταία χρόνια, η παραμόρφωση ή η παραμόρφωση σωμάτων από δισδιάστατες (2D) επιφάνειες σε τρισδιάστατα (3D) σχήματα που μιμούνται βιολογικές δομές έχει γίνει ένα ενδιαφέρον ερευνητικό θέμα3,4.Αυτές οι μαλακές ρομποτικές διαμορφώσεις αλλάζουν σχήμα για να προσαρμόζονται σε μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα, επιτρέπουν την πολυτροπική μετακίνηση και εφαρμόζουν δυνάμεις για την εκτέλεση μηχανικών εργασιών.Η εμβέλειά τους έχει επεκταθεί σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών ρομποτικής, συμπεριλαμβανομένων των deployables5, των επαναδιαμορφώσιμων και αυτοαναδιπλούμενων ρομπότ6,7, των βιοϊατρικών συσκευών8, των οχημάτων9,10 και των επεκτάσιμων ηλεκτρονικών ειδών11.
Έχει γίνει πολλή έρευνα για την ανάπτυξη προγραμματιζόμενων επίπεδων πλακών που, όταν ενεργοποιηθούν, μετατρέπονται σε περίπλοκες τρισδιάστατες δομές3.Μια απλή ιδέα για τη δημιουργία παραμορφώσιμων δομών είναι ο συνδυασμός στρωμάτων διαφορετικών υλικών που λυγίζουν και τσαλακώνονται όταν εκτίθενται σε ερεθίσματα12,13.Οι Janbaz et al.14 και Li et al.15 έχουν εφαρμόσει αυτήν την ιδέα για να δημιουργήσουν ευαίσθητα στη θερμότητα πολυτροπικά παραμορφώσιμα ρομπότ.Οι δομές με βάση το Origami που ενσωματώνουν στοιχεία που ανταποκρίνονται σε ερεθίσματα έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία πολύπλοκων τρισδιάστατων δομών16,17,18.Εμπνευσμένοι από τη μορφογένεση των βιολογικών δομών, οι Emmanuel et al.Τα ελαστομερή που παραμορφώνονται με σχήμα δημιουργούνται οργανώνοντας κανάλια αέρα μέσα σε μια επιφάνεια από καουτσούκ που, υπό πίεση, μετατρέπονται σε πολύπλοκα, αυθαίρετα τρισδιάστατα σχήματα.
Η ενσωμάτωση κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων ή υφασμάτων σε παραμορφώσιμα μαλακά ρομπότ είναι ένα άλλο νέο πρωτότυπο έργο που έχει προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον.Τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα είναι μαλακά και ελαστικά υλικά που κατασκευάζονται από νήμα με τεχνικές ύφανσης όπως πλέξιμο, ύφανση, πλέξιμο ή ύφανση κόμπων.Οι εκπληκτικές ιδιότητες των υφασμάτων, συμπεριλαμβανομένης της ευελιξίας, της εφαρμογής, της ελαστικότητας και της διαπνοής, τα καθιστούν πολύ δημοφιλή σε οτιδήποτε, από ρούχα μέχρι ιατρικές εφαρμογές20.Υπάρχουν τρεις γενικές προσεγγίσεις για την ενσωμάτωση υφασμάτων στη ρομποτική21.Η πρώτη προσέγγιση είναι να χρησιμοποιηθεί το ύφασμα ως παθητικό υπόστρωμα ή βάση για άλλα εξαρτήματα.Σε αυτή την περίπτωση, τα παθητικά υφάσματα παρέχουν άνετη εφαρμογή στον χρήστη όταν μεταφέρει άκαμπτα εξαρτήματα (κινητήρες, αισθητήρες, τροφοδοτικό).Τα περισσότερα ρομπότ που φοριούνται μαλακά ή μαλακοί εξωσκελετές εμπίπτουν σε αυτήν την προσέγγιση.Για παράδειγμα, μαλακοί φορετοί εξωσκελετές για βοηθήματα βάδισης 22 και βοηθήματα αγκώνων 23, 24, 25, μαλακά φορητά γάντια 26 για βοηθήματα χεριών και δακτύλων και βιονικά μαλακά ρομπότ 27.
Η δεύτερη προσέγγιση είναι η χρήση υφασμάτων ως παθητικά και περιορισμένα εξαρτήματα μαλακών ρομποτικών συσκευών.Οι ενεργοποιητές με βάση το ύφασμα εμπίπτουν σε αυτήν την κατηγορία, όπου το ύφασμα κατασκευάζεται συνήθως ως εξωτερικό δοχείο για να περιέχει τον εσωτερικό σωλήνα ή θάλαμο, σχηματίζοντας έναν ενεργοποιητή ενισχυμένο με μαλακές ίνες.Όταν υποβάλλονται σε μια εξωτερική πνευματική ή υδραυλική πηγή, αυτοί οι μαλακοί ενεργοποιητές υφίστανται αλλαγές στο σχήμα τους, συμπεριλαμβανομένης της επιμήκυνσης, της κάμψης ή της συστροφής, ανάλογα με την αρχική τους σύνθεση και διαμόρφωση.Για παράδειγμα, οι Talman et al.Ορθοπεδικά ρούχα αστραγάλου, που αποτελούνται από μια σειρά από υφασμάτινες τσέπες, έχουν εισαχθεί για να διευκολύνουν την πελματιαία κάμψη για την αποκατάσταση του βαδίσματος28.Τα στρώματα υφασμάτων με διαφορετική εκτασιμότητα μπορούν να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν ανισότροπη κίνηση 29 .OmniSkins – μαλακά ρομποτικά δέρματα κατασκευασμένα από μια ποικιλία μαλακών ενεργοποιητών και υλικών υποστρώματος μπορούν να μετατρέψουν παθητικά αντικείμενα σε πολυλειτουργικά ενεργά ρομπότ που μπορούν να εκτελούν πολλαπλές κινήσεις και παραμορφώσεις για διάφορες εφαρμογές.Οι Zhu et al.έχουν αναπτύξει ένα μυϊκό φύλλο υγρού ιστού31 που μπορεί να δημιουργήσει επιμήκυνση, κάμψη και διάφορες κινήσεις παραμόρφωσης.Οι Buckner et al.Ενσωματώστε λειτουργικές ίνες σε συμβατικούς ιστούς για να δημιουργήσετε ρομποτικούς ιστούς με πολλαπλές λειτουργίες όπως ενεργοποίηση, αίσθηση και μεταβλητή ακαμψία32.Άλλες μέθοδοι αυτής της κατηγορίας μπορούν να βρεθούν σε αυτές τις εργασίες 21, 33, 34, 35.
Μια πρόσφατη προσέγγιση για την αξιοποίηση των ανώτερων ιδιοτήτων των κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων στον τομέα της μαλακής ρομποτικής είναι η χρήση αντιδραστικών ή ανταποκρινόμενων σε ερεθίσματα νημάτων για τη δημιουργία έξυπνων υφασμάτων χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής υφασμάτων όπως η ύφανση, το πλέξιμο και οι μέθοδοι ύφανσης21,36,37.Ανάλογα με τη σύνθεση του υλικού, το αντιδραστικό νήμα προκαλεί αλλαγή στο σχήμα όταν υποβάλλεται σε ηλεκτρική, θερμική ή πίεση δράση, η οποία οδηγεί σε παραμόρφωση του υφάσματος.Σε αυτή την προσέγγιση, όπου τα παραδοσιακά υφάσματα ενσωματώνονται σε ένα μαλακό ρομποτικό σύστημα, η αναμόρφωση του υφάσματος λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό στρώμα (νήμα) και όχι στο εξωτερικό στρώμα.Ως εκ τούτου, τα έξυπνα υφάσματα προσφέρουν εξαιρετικό χειρισμό όσον αφορά την πολυτροπική κίνηση, την προγραμματιζόμενη παραμόρφωση, την ελαστικότητα και την ικανότητα προσαρμογής της ακαμψίας.Για παράδειγμα, τα κράματα μνήμης σχήματος (SMAs) και τα πολυμερή μνήμης σχήματος (SMPs) μπορούν να ενσωματωθούν σε υφάσματα για τον ενεργό έλεγχο του σχήματός τους μέσω θερμικής διέγερσης, όπως το στρίφωμα38, η αφαίρεση ρυτίδων36,39, η απτική και απτική ανάδραση40,41, καθώς και η προσαρμοστική φορητό ρουχισμό.συσκευές 42 .Ωστόσο, η χρήση θερμικής ενέργειας για θέρμανση και ψύξη έχει ως αποτέλεσμα την αργή απόκριση και τη δύσκολη ψύξη και έλεγχο.Πιο πρόσφατα, οι Hiramitsu et al.Οι λεπτοί μύες του McKibben43,44, πνευματικοί τεχνητοί μύες, χρησιμοποιούνται ως νήματα στημονιού για τη δημιουργία διαφόρων μορφών ενεργών υφασμάτων αλλάζοντας τη δομή της ύφανσης45.Αν και αυτή η προσέγγιση παρέχει υψηλές δυνάμεις, λόγω της φύσης του μυός McKibben, ο ρυθμός διαστολής του είναι περιορισμένος (< 50%) και δεν μπορεί να επιτευχθεί μικρό μέγεθος (διάμετρος < 0,9 mm).Επιπλέον, ήταν δύσκολο να σχηματιστούν έξυπνα υφαντικά σχέδια από μεθόδους ύφανσης που απαιτούν αιχμηρές γωνίες.Για να σχηματίσουν ένα ευρύτερο φάσμα έξυπνων υφασμάτων, οι Maziz et al.Τα ηλεκτροενεργά υφάσματα που φοριούνται έχουν αναπτυχθεί με πλέξιμο και ύφανση ηλεκτροευαίσθητων πολυμερών νημάτων46.
Τα τελευταία χρόνια, έχει εμφανιστεί ένας νέος τύπος θερμοευαίσθητου τεχνητού μυός, κατασκευασμένος από πολύ στριμμένες, φθηνές πολυμερικές ίνες47,48.Αυτές οι ίνες είναι εμπορικά διαθέσιμες και ενσωματώνονται εύκολα στην ύφανση ή στην ύφανση για την παραγωγή έξυπνων ρούχων σε προσιτές τιμές.Παρά τις προόδους, αυτά τα νέα ευαίσθητα στη θερμότητα υφάσματα έχουν περιορισμένους χρόνους απόκρισης λόγω της ανάγκης για θέρμανση και ψύξη (π.χ. υφάσματα ελεγχόμενης θερμοκρασίας) ή τη δυσκολία κατασκευής πολύπλοκων πλεκτών και υφαντών σχεδίων που μπορούν να προγραμματιστούν για να δημιουργήσουν τις επιθυμητές παραμορφώσεις και κινήσεις .Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν ακτινική επέκταση, μετασχηματισμό σχήματος 2D σε 3D ή αμφίδρομη επέκταση, που προσφέρουμε εδώ.
Για να ξεπεραστούν αυτά τα προαναφερθέντα προβλήματα, αυτό το άρθρο παρουσιάζει ένα νέο έξυπνο ύφασμα που βασίζεται σε υγρά, κατασκευασμένο από μαλακές τεχνητές μυϊκές ίνες (AMF) 49,50,51 που παρουσιάσαμε πρόσφατα.Τα AMF είναι εξαιρετικά ευέλικτα, επεκτάσιμα και μπορούν να μειωθούν σε διάμετρο 0,8 mm και μεγάλα μήκη (τουλάχιστον 5000 mm), προσφέροντας υψηλή αναλογία διαστάσεων (μήκος προς διάμετρο) καθώς και υψηλή επιμήκυνση (τουλάχιστον 245%), υψηλή ενέργεια αποδοτικότητα, γρήγορη απόκριση μικρότερη από 20 Hz).Για να δημιουργήσουμε έξυπνα υφάσματα, χρησιμοποιούμε το AMF ως ενεργό νήμα για να σχηματίσουμε δισδιάστατα ενεργά στρώματα μυών μέσω τεχνικών πλεξίματος και ύφανσης.Έχουμε μελετήσει ποσοτικά τον ρυθμό διαστολής και τη δύναμη συστολής αυτών των «έξυπνων» ιστών όσον αφορά τον όγκο του υγρού και την πίεση που παρέχεται.Αναπτύχθηκαν αναλυτικά μοντέλα για τον καθορισμό της σχέσης δύναμης επιμήκυνσης για πλεκτά και υφαντά φύλλα.Περιγράφουμε επίσης διάφορες τεχνικές μηχανικού προγραμματισμού για έξυπνα υφάσματα για πολυτροπική κίνηση, συμπεριλαμβανομένης της αμφίδρομης επέκτασης, της κάμψης, της ακτινικής διαστολής και της δυνατότητας μετάβασης από 2D σε 3D.Για να δείξουμε τη δύναμη της προσέγγισής μας, θα ενσωματώσουμε επίσης το AMF σε εμπορικά υφάσματα ή υφάσματα για να αλλάξουμε τη διαμόρφωσή τους από παθητικές σε ενεργητικές δομές που προκαλούν διάφορες παραμορφώσεις.Έχουμε επίσης επιδείξει αυτήν την ιδέα σε αρκετούς πειραματικούς πάγκους δοκιμών, συμπεριλαμβανομένης της προγραμματιζόμενης κάμψης νημάτων για την παραγωγή των επιθυμητών γραμμάτων και των βιολογικών δομών που μετατοπίζουν το σχήμα σε σχήμα αντικειμένων όπως πεταλούδες, τετράποδες δομές και λουλούδια.
Τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα είναι εύκαμπτες δισδιάστατες κατασκευές που σχηματίζονται από συνυφασμένα μονοδιάστατα νήματα όπως νήματα, κλωστές και ίνες.Η κλωστοϋφαντουργία είναι μια από τις παλαιότερες τεχνολογίες της ανθρωπότητας και χρησιμοποιείται ευρέως σε όλες τις πτυχές της ζωής λόγω της άνεσης, της προσαρμοστικότητας, της αναπνοής, της αισθητικής και της προστασίας.Τα έξυπνα υφάσματα (γνωστά και ως έξυπνα ρούχα ή ρομποτικά υφάσματα) χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στην έρευνα λόγω των μεγάλων δυνατοτήτων τους σε ρομποτικές εφαρμογές20,52.Τα έξυπνα υφάσματα υπόσχονται να βελτιώσουν την ανθρώπινη εμπειρία αλληλεπίδρασης με μαλακά αντικείμενα, εγκαινιάζοντας μια αλλαγή παραδείγματος στον τομέα όπου η κίνηση και οι δυνάμεις του λεπτού, εύκαμπτου υφάσματος μπορούν να ελεγχθούν για την εκτέλεση συγκεκριμένων εργασιών.Σε αυτό το άρθρο, διερευνούμε δύο προσεγγίσεις για την παραγωγή έξυπνων υφασμάτων με βάση το πρόσφατο AMF49: (1) χρήση AMF ως ενεργό νήμα για τη δημιουργία έξυπνων υφασμάτων χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνολογίες κατασκευής κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων.(2) εισάγετε το AMF απευθείας σε παραδοσιακά υφάσματα για να τονώσετε την επιθυμητή κίνηση και παραμόρφωση.
Το AMF αποτελείται από έναν εσωτερικό σωλήνα σιλικόνης για την παροχή υδραυλικής ισχύος και ένα εξωτερικό ελικοειδές πηνίο για τον περιορισμό της ακτινικής διαστολής του.Έτσι, τα AMF επιμηκύνονται κατά μήκος όταν εφαρμόζεται πίεση και στη συνέχεια εμφανίζουν συσταλτικές δυνάμεις για να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος όταν απελευθερώνεται η πίεση.Έχουν ιδιότητες παρόμοιες με τις παραδοσιακές ίνες, όπως ευελιξία, μικρή διάμετρος και μεγάλο μήκος.Ωστόσο, το AMF είναι πιο ενεργό και ελεγχόμενο όσον αφορά την κίνηση και τη δύναμη από τα συμβατικά αντίστοιχά του.Εμπνευσμένο από τις πρόσφατες γρήγορες εξελίξεις στα έξυπνα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, εδώ παρουσιάζουμε τέσσερις κύριες προσεγγίσεις για την παραγωγή έξυπνων υφασμάτων με την εφαρμογή AMF σε μια μακροχρόνια τεχνολογία κατασκευής υφασμάτων (Εικόνα 1).
Ο πρώτος τρόπος είναι η ύφανση.Χρησιμοποιούμε τεχνολογία πλεξίματος υφαδιού για να παράγουμε ένα αντιδραστικό πλεκτό ύφασμα που ξεδιπλώνεται προς μία κατεύθυνση όταν ενεργοποιείται υδραυλικά.Τα πλεκτά σεντόνια είναι πολύ ελαστικά και ελαστικά, αλλά τείνουν να ξετυλίγονται πιο εύκολα από τα υφαντά.Ανάλογα με τη μέθοδο ελέγχου, το AMF μπορεί να σχηματίσει μεμονωμένες σειρές ή πλήρη προϊόντα.Εκτός από τα επίπεδα φύλλα, τα σωληνωτά σχέδια πλεξίματος είναι επίσης κατάλληλα για την κατασκευή κοίλων κατασκευών AMF.Η δεύτερη μέθοδος είναι η ύφανση, όπου χρησιμοποιούμε δύο AMF ως στημόνι και υφάδι για να σχηματίσουμε ένα ορθογώνιο υφαντό φύλλο που μπορεί να επεκταθεί ανεξάρτητα προς δύο κατευθύνσεις.Τα υφαντά φύλλα παρέχουν περισσότερο έλεγχο (και προς τις δύο κατευθύνσεις) από τα πλεκτά φύλλα.Πλέξαμε επίσης AMF από παραδοσιακό νήμα για να φτιάξουμε ένα απλούστερο υφαντό φύλλο που μπορεί να ξετυλιχθεί μόνο προς μία κατεύθυνση.Η τρίτη μέθοδος - η ακτινική διαστολή - είναι μια παραλλαγή της τεχνικής ύφανσης, στην οποία τα AMP δεν βρίσκονται σε ορθογώνιο, αλλά σε μια σπείρα και τα νήματα παρέχουν ακτινωτό περιορισμό.Σε αυτή την περίπτωση, η πλεξούδα διαστέλλεται ακτινικά κάτω από την πίεση εισόδου.Μια τέταρτη προσέγγιση είναι να κολλήσετε το AMF σε ένα φύλλο παθητικού υφάσματος για να δημιουργήσετε μια κίνηση κάμψης προς την επιθυμητή κατεύθυνση.Έχουμε διαμορφώσει εκ νέου την πλακέτα παθητικού ξεμπλοκαρίσματος σε μια ενεργή πλακέτα διακοπής περνώντας το AMF γύρω από την άκρη του.Αυτή η προγραμματιζόμενη φύση του AMF ανοίγει αμέτρητες δυνατότητες για μαλακές δομές που μετασχηματίζουν το σχήμα βιολογικής έμπνευσης, όπου μπορούμε να μετατρέψουμε τα παθητικά αντικείμενα σε ενεργά.Αυτή η μέθοδος είναι απλή, εύκολη και γρήγορη, αλλά μπορεί να θέσει σε κίνδυνο τη μακροζωία του πρωτοτύπου.Ο αναγνώστης αναφέρεται σε άλλες προσεγγίσεις στη βιβλιογραφία που περιγράφουν λεπτομερώς τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία κάθε ιδιότητας ιστού21,33,34,35.
Τα περισσότερα νήματα ή νήματα που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή παραδοσιακών υφασμάτων περιέχουν παθητικές δομές.Σε αυτή την εργασία, χρησιμοποιούμε το προηγουμένως αναπτυγμένο AMF μας, το οποίο μπορεί να φτάσει σε μήκη μέτρων και διαμέτρους υποχιλιοστών, για να αντικαταστήσουμε τα παραδοσιακά παθητικά κλωστοϋφαντουργικά νήματα με AFM για να δημιουργήσουμε έξυπνα και ενεργά υφάσματα για ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογών.Οι ακόλουθες ενότητες περιγράφουν λεπτομερείς μεθόδους για την κατασκευή πρωτότυπων έξυπνων υφασμάτων και παρουσιάζουν τις κύριες λειτουργίες και συμπεριφορές τους.
Κατασκευάσαμε στο χέρι τρεις φανέλες AMF χρησιμοποιώντας την τεχνική του πλέξιμο με υφάδι (Εικ. 2Α).Η επιλογή υλικού και οι λεπτομερείς προδιαγραφές για AMF και πρωτότυπα βρίσκονται στην ενότητα Μέθοδοι.Κάθε AMF ακολουθεί μια διαδρομή με στροφές (ονομάζεται επίσης διαδρομή) που σχηματίζει έναν συμμετρικό βρόχο.Οι βρόχοι κάθε σειράς στερεώνονται με βρόχους των σειρών πάνω και κάτω από αυτές.Οι δακτύλιοι μιας στήλης κάθετα στην πορεία συνδυάζονται σε έναν άξονα.Το πλεκτό μας πρωτότυπο αποτελείται από τρεις σειρές με επτά βελονιές (ή επτά βελονιές) σε κάθε σειρά.Οι επάνω και κάτω δακτύλιοι δεν είναι σταθεροί, οπότε μπορούμε να τους στερεώσουμε στις αντίστοιχες μεταλλικές ράβδους.Τα πλεκτά πρωτότυπα ξετυλίγονταν πιο εύκολα από τα συμβατικά πλεκτά υφάσματα λόγω της υψηλότερης ακαμψίας του AMF σε σύγκριση με τα συμβατικά νήματα.Επομένως, δέσαμε τις θηλιές των παρακείμενων σειρών με λεπτά ελαστικά κορδόνια.
Διάφορα πρωτότυπα έξυπνων υφασμάτων υλοποιούνται με διαφορετικές διαμορφώσεις AMF.(Α) Πλεκτό φύλλο από τρία AMF.(Β) Αμφίδρομο υφαντό φύλλο δύο AMF.(Γ) Ένα υφαντό φύλλο μονής κατεύθυνσης κατασκευασμένο από AMF και ακρυλικό νήμα μπορεί να αντέξει φορτίο 500 g, που είναι 192 φορές το βάρος του (2,6 g).(D) Ακτινικά διαστελλόμενη δομή με ένα AMF και βαμβακερό νήμα ως ακτινικό περιορισμό.Λεπτομερείς προδιαγραφές μπορείτε να βρείτε στην ενότητα Μέθοδοι.
Αν και οι ζιγκ-ζαγκ θηλιές ενός πλεκτού μπορούν να τεντωθούν σε διαφορετικές κατευθύνσεις, το πρωτότυπο πλεκτό μας επεκτείνεται κυρίως προς την κατεύθυνση του βρόχου υπό πίεση λόγω περιορισμών στην κατεύθυνση του ταξιδιού.Η επιμήκυνση κάθε AMF συμβάλλει στην επέκταση της συνολικής επιφάνειας του πλεκτού φύλλου.Ανάλογα με τις συγκεκριμένες απαιτήσεις, μπορούμε να ελέγξουμε τρία AMF ανεξάρτητα από τρεις διαφορετικές πηγές υγρών (Εικόνα 2Α) ή ταυτόχρονα από μία πηγή υγρού μέσω ενός διανομέα ρευστού 1 έως 3.Στο σχ.Το 2Α δείχνει ένα παράδειγμα πλεκτού πρωτοτύπου, η αρχική επιφάνεια του οποίου αυξήθηκε κατά 35% ενώ ασκούσε πίεση σε τρία AMP (1,2 MPa).Συγκεκριμένα, το AMF επιτυγχάνει υψηλή επιμήκυνση τουλάχιστον 250% του αρχικού του μήκους49, έτσι ώστε τα πλεκτά φύλλα να μπορούν να τεντώνονται ακόμη περισσότερο από τις τρέχουσες εκδόσεις.
Δημιουργήσαμε επίσης φύλλα αμφίδρομης ύφανσης που σχηματίστηκαν από δύο AMF χρησιμοποιώντας την τεχνική της απλής ύφανσης (Εικόνα 2Β).Το στημόνι και το υφάδι AMF συμπλέκονται σε ορθές γωνίες, σχηματίζοντας ένα απλό σταυρωτό σχέδιο.Η πρωτότυπη ύφανσή μας ταξινομήθηκε ως ισορροπημένη απλή ύφανση, επειδή τόσο τα νήματα στημονιού όσο και του υφαδιού κατασκευάστηκαν από το ίδιο μέγεθος νήματος (βλ. ενότητα Μέθοδοι για λεπτομέρειες).Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα νήματα που μπορούν να σχηματίσουν αιχμηρές πτυχές, το εφαρμοσμένο AMF απαιτεί μια ορισμένη ακτίνα κάμψης όταν επιστρέφει σε άλλο νήμα του σχεδίου ύφανσης.Επομένως, τα υφαντά φύλλα από AMP έχουν χαμηλότερη πυκνότητα σε σύγκριση με τα συμβατικά υφαντά υφάσματα.Ο τύπος AMF S (εξωτερική διάμετρος 1,49 mm) έχει ελάχιστη ακτίνα κάμψης 1,5 mm.Για παράδειγμα, η πρωτότυπη ύφανση που παρουσιάζουμε σε αυτό το άρθρο έχει ένα σχέδιο κλωστών 7×7 όπου κάθε διασταύρωση σταθεροποιείται με έναν κόμπο από λεπτό ελαστικό κορδόνι.Χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνική ύφανσης, μπορείτε να πάρετε περισσότερα σκέλη.
Όταν το αντίστοιχο AMF δέχεται πίεση ρευστού, το υφαντό φύλλο διευρύνει την περιοχή του στην κατεύθυνση του στημονιού ή του υφαδιού.Επομένως, ελέγξαμε τις διαστάσεις του πλεγμένου φύλλου (μήκος και πλάτος) αλλάζοντας ανεξάρτητα την ποσότητα της πίεσης εισόδου που εφαρμόζεται στα δύο AMP.Στο σχ.Το 2Β δείχνει ένα υφαντό πρωτότυπο που επεκτάθηκε στο 44% της αρχικής του επιφάνειας ενώ ασκούσε πίεση σε ένα AMP (1,3 MPa).Με την ταυτόχρονη δράση πίεσης σε δύο AMF, η περιοχή αυξήθηκε κατά 108%.
Κατασκευάσαμε επίσης ένα υφαντό φύλλο μονής κατεύθυνσης από ένα μόνο AMF με στημόνι και ακρυλικά νήματα ως υφάδι (Εικόνα 2Γ).Τα AMF είναι διατεταγμένα σε επτά σειρές ζιγκ-ζαγκ και οι κλωστές υφαίνουν αυτές τις σειρές AMF μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα ορθογώνιο φύλλο υφάσματος.Αυτό το υφαντό πρωτότυπο ήταν πιο πυκνό από ό,τι στο Σχ. 2Β, χάρη στα μαλακά ακρυλικά νήματα που γέμιζαν εύκολα ολόκληρο το φύλλο.Επειδή χρησιμοποιούμε μόνο ένα AMF ως στημόνι, το υφαντό φύλλο μπορεί να επεκταθεί προς το στημόνι μόνο υπό πίεση.Το σχήμα 2Γ δείχνει ένα παράδειγμα υφαντού πρωτοτύπου του οποίου η αρχική περιοχή αυξάνεται κατά 65% με την αύξηση της πίεσης (1,3 MPa).Επιπλέον, αυτό το πλεκτό κομμάτι (βάρους 2,6 γραμμάρια) μπορεί να σηκώσει ένα φορτίο 500 γραμμαρίων, δηλαδή 192 φορές τη μάζα του.
Αντί να τακτοποιήσουμε το AMF σε μοτίβο ζιγκ-ζαγκ για να δημιουργήσουμε ένα ορθογώνιο υφαντό φύλλο, κατασκευάσαμε ένα επίπεδο σπειροειδές σχήμα του AMF, το οποίο στη συνέχεια περιορίστηκε ακτινικά με βαμβακερό νήμα για να δημιουργήσουμε ένα στρογγυλό υφαντό φύλλο (Εικόνα 2D).Η υψηλή ακαμψία του AMF περιορίζει την πλήρωσή του στην πολύ κεντρική περιοχή της πλάκας.Ωστόσο, αυτή η επένδυση μπορεί να κατασκευαστεί από ελαστικά νήματα ή ελαστικά υφάσματα.Με τη λήψη της υδραυλικής πίεσης, το AMP μετατρέπει τη διαμήκη επιμήκυνσή του σε ακτινική διαστολή του φύλλου.Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι τόσο η εξωτερική όσο και η εσωτερική διάμετρος του σπειροειδούς σχήματος είναι αυξημένες λόγω του ακτινικού περιορισμού των νημάτων.Το σχήμα 2Δ δείχνει ότι με ασκούμενη υδραυλική πίεση 1 MPa, το σχήμα ενός στρογγυλού φύλλου επεκτείνεται στο 25% της αρχικής του επιφάνειας.
Παρουσιάζουμε εδώ μια δεύτερη προσέγγιση για την κατασκευή έξυπνων υφασμάτων όπου κολλάμε ένα AMF σε ένα επίπεδο κομμάτι ύφασμα και το επαναδιαμορφώνουμε από μια παθητική σε μια ενεργά ελεγχόμενη δομή.Το σχέδιο σχεδίασης του μηχανισμού κίνησης κάμψης φαίνεται στο σχ.3Α, όπου το AMP διπλώνεται στη μέση και κολλιέται σε μια λωρίδα από μη εκτατό ύφασμα (ύφασμα από βαμβακερή μουσελίνα) χρησιμοποιώντας ταινία διπλής όψης ως κόλλα.Μόλις σφραγιστεί, το πάνω μέρος του AMF είναι ελεύθερο να εκτείνεται, ενώ το κάτω μέρος περιορίζεται από την ταινία και το ύφασμα, με αποτέλεσμα η λωρίδα να λυγίζει προς το ύφασμα.Μπορούμε να απενεργοποιήσουμε οποιοδήποτε μέρος του ενεργοποιητή κάμψης οπουδήποτε, απλά κολλώντας μια λωρίδα ταινίας πάνω του.Ένα απενεργοποιημένο τμήμα δεν μπορεί να μετακινηθεί και γίνεται παθητικό τμήμα.
Τα υφάσματα αναδιαμορφώνονται με την επικόλληση AMF σε παραδοσιακά υφάσματα.(Α) Σχεδιαστική ιδέα για μια κίνηση κάμψης που δημιουργείται με κόλληση ενός διπλωμένου AMF σε ένα μη εκτατό ύφασμα.(Β) Κάμψη του πρωτοτύπου ενεργοποιητή.(Γ) Αναδιαμόρφωση ενός ορθογώνιου υφάσματος σε ενεργό τετράποδο ρομπότ.Ανελαστικό ύφασμα: βαμβακερό ζέρσεϊ.Stretch ύφασμα: πολυεστέρας.Λεπτομερείς προδιαγραφές μπορείτε να βρείτε στην ενότητα Μέθοδοι.
Κατασκευάσαμε αρκετούς πρωτότυπους ενεργοποιητές κάμψης διαφορετικών μηκών και τους συμπιέσαμε με υδραυλικό σύστημα για να δημιουργήσουμε μια κίνηση κάμψης (Εικόνα 3Β).Είναι σημαντικό ότι το AMF μπορεί να τοποθετηθεί σε ευθεία γραμμή ή να διπλωθεί για να σχηματίσει πολλαπλές κλωστές και στη συνέχεια να κολληθεί στο ύφασμα για να δημιουργήσει μια κίνηση κάμψης με τον κατάλληλο αριθμό νημάτων.Μετατρέψαμε επίσης το φύλλο παθητικού ιστού σε μια ενεργή δομή τετραπόδων (Εικόνα 3C), όπου χρησιμοποιήσαμε AMF για να δρομολογήσουμε τα όρια ενός ορθογώνιου μη εκτατού ιστού (ύφασμα από βαμβακερή μουσελίνα).Το AMP συνδέεται στο ύφασμα με ένα κομμάτι ταινίας διπλής όψης.Το μέσο κάθε άκρης είναι κολλημένο για να γίνει παθητικό, ενώ οι τέσσερις γωνίες παραμένουν ενεργές.Το επάνω κάλυμμα από ελαστικό ύφασμα (πολυεστέρας) είναι προαιρετικό.Οι τέσσερις γωνίες του υφάσματος λυγίζουν (μοιάζουν με πόδια) όταν πιέζονται.
Κατασκευάσαμε έναν πάγκο δοκιμών για να μελετήσουμε ποσοτικά τις ιδιότητες των αναπτυγμένων έξυπνων κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων (δείτε την ενότητα Μέθοδοι και το Συμπληρωματικό Σχήμα S1).Δεδομένου ότι όλα τα δείγματα κατασκευάστηκαν από AMF, η γενική τάση των πειραματικών αποτελεσμάτων (Εικ. 4) είναι συνεπής με τα κύρια χαρακτηριστικά του AMF, δηλαδή, η πίεση εισόδου είναι ευθέως ανάλογη με την επιμήκυνση εξόδου και αντιστρόφως ανάλογη με τη δύναμη συμπίεσης.Ωστόσο, αυτά τα έξυπνα υφάσματα έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά που αντικατοπτρίζουν τις συγκεκριμένες διαμορφώσεις τους.
Διαθέτει έξυπνες διαμορφώσεις υφασμάτων.(Α, Β) Καμπύλες υστέρησης για πίεση εισόδου και επιμήκυνση εξόδου και δύναμη για υφαντά φύλλα.(Γ) Επέκταση της περιοχής του υφαντού φύλλου.(D,E) Σχέση μεταξύ πίεσης εισόδου και επιμήκυνσης εξόδου και δύναμης για πλεκτά.(ΣΤ) Επέκταση περιοχής ακτινικά διαστελλόμενων κατασκευών.(Ζ) Γωνίες κάμψης τριών διαφορετικών μηκών μηχανισμών κίνησης κάμψης.
Κάθε AMF του υφασμένου φύλλου υποβλήθηκε σε πίεση εισόδου 1 MPa για να δημιουργήσει περίπου 30% επιμήκυνση (Εικ. 4Α).Επιλέξαμε αυτό το όριο για ολόκληρο το πείραμα για διάφορους λόγους: (1) για να δημιουργήσουμε μια σημαντική επιμήκυνση (περίπου 30%) για να τονίσουμε τις καμπύλες υστέρησης, (2) για να αποτρέψουμε την ανακύκλωση από διαφορετικά πειράματα και επαναχρησιμοποιήσιμα πρωτότυπα με αποτέλεσμα τυχαία βλάβη ή αστοχία..υπό υψηλή πίεση υγρού.Η νεκρή ζώνη είναι καθαρά ορατή και η πλεξούδα παραμένει ακίνητη έως ότου η πίεση εισόδου φτάσει τα 0,3 MPa.Το διάγραμμα υστέρησης επιμήκυνσης πίεσης δείχνει ένα μεγάλο κενό μεταξύ των φάσεων άντλησης και απελευθέρωσης, υποδεικνύοντας ότι υπάρχει σημαντική απώλεια ενέργειας όταν το υφαντό φύλλο αλλάζει την κίνησή του από διαστολή σε συστολή.(Εικ. 4Α).Αφού ληφθεί πίεση εισόδου 1 MPa, το υφαντό φύλλο θα μπορούσε να ασκήσει δύναμη συστολής 5,6 N (Εικ. 4Β).Η γραφική παράσταση υστέρησης δύναμης πίεσης δείχνει επίσης ότι η καμπύλη επαναφοράς σχεδόν επικαλύπτεται με την καμπύλη συσσώρευσης πίεσης.Η επέκταση της επιφάνειας του υφαντού φύλλου εξαρτιόταν από την ποσότητα πίεσης που ασκείται σε καθένα από τα δύο AMF, όπως φαίνεται στο τρισδιάστατο διάγραμμα επιφάνειας (Εικόνα 4C).Τα πειράματα δείχνουν επίσης ότι ένα υφαντό φύλλο μπορεί να δημιουργήσει διαστολή επιφάνειας 66% όταν τα AMF του στημονιού και του υφαδιού του υποβάλλονται ταυτόχρονα σε υδραυλική πίεση 1 MPa.
Τα πειραματικά αποτελέσματα για το πλεκτό φύλλο δείχνουν παρόμοιο σχέδιο με το υφαντό φύλλο, συμπεριλαμβανομένου ενός μεγάλου κενού υστέρησης στο διάγραμμα τάσης-πίεσης και επικαλυπτόμενων καμπυλών πίεσης-δύναμης.Το πλεκτό φύλλο έδειξε επιμήκυνση 30%, μετά την οποία η δύναμη συμπίεσης ήταν 9 Ν σε πίεση εισόδου 1 MPa (Εικ. 4D, E).
Στην περίπτωση ενός στρογγυλού υφαντού φύλλου, η αρχική του επιφάνεια αυξήθηκε κατά 25% σε σύγκριση με την αρχική επιφάνεια μετά από έκθεση σε πίεση υγρού 1 MPa (Εικ. 4F).Πριν αρχίσει να διαστέλλεται το δείγμα, υπάρχει μια μεγάλη νεκρή ζώνη πίεσης εισόδου έως 0,7 MPa.Αυτή η μεγάλη νεκρή ζώνη ήταν αναμενόμενη καθώς τα δείγματα κατασκευάστηκαν από μεγαλύτερα AMF που απαιτούσαν υψηλότερες πιέσεις για να ξεπεραστεί η αρχική τους πίεση.Στο σχ.Το 4F δείχνει επίσης ότι η καμπύλη απελευθέρωσης σχεδόν συμπίπτει με την καμπύλη αύξησης της πίεσης, υποδεικνύοντας μικρή απώλεια ενέργειας όταν αλλάζει η κίνηση του δίσκου.
Τα πειραματικά αποτελέσματα για τους τρεις ενεργοποιητές κάμψης (αναδιαμόρφωση ιστού) δείχνουν ότι οι καμπύλες υστέρησης τους έχουν παρόμοιο μοτίβο (Εικόνα 4G), όπου αντιμετωπίζουν μια νεκρή ζώνη πίεσης εισόδου έως και 0,2 MPa πριν από την ανύψωση.Εφαρμόσαμε τον ίδιο όγκο υγρού (0,035 ml) σε τρεις δίσκους κάμψης (L20, L30 και L50 mm).Ωστόσο, κάθε ενεργοποιητής παρουσίασε διαφορετικές κορυφές πίεσης και ανέπτυξε διαφορετικές γωνίες κάμψης.Οι ενεργοποιητές L20 και L30 mm παρουσίασαν πίεση εισόδου 0,72 και 0,67 MPa, φτάνοντας σε γωνίες κάμψης 167° και 194° αντίστοιχα.Ο μακρύτερος οδηγός κάμψης (μήκος 50 mm) άντεξε σε πίεση 0,61 MPa και έφτασε σε μέγιστη γωνία κάμψης 236°.Τα διαγράμματα υστέρησης γωνίας πίεσης αποκάλυψαν επίσης σχετικά μεγάλα κενά μεταξύ των καμπυλών συμπίεσης και απελευθέρωσης και για τις τρεις στροφές κάμψης.
Η σχέση μεταξύ του όγκου εισόδου και των ιδιοτήτων εξόδου (επιμήκυνση, δύναμη, διαστολή επιφάνειας, γωνία κάμψης) για τις παραπάνω διαμορφώσεις έξυπνων υφασμάτων μπορεί να βρεθεί στο Συμπληρωματικό Σχήμα S2.
Τα πειραματικά αποτελέσματα στην προηγούμενη ενότητα καταδεικνύουν ξεκάθαρα την αναλογική σχέση μεταξύ της εφαρμοζόμενης πίεσης εισόδου και της επιμήκυνσης εξόδου των δειγμάτων AMF.Όσο πιο ισχυρό καταπονείται το AMB, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιμήκυνση που αναπτύσσει και τόσο περισσότερη ελαστική ενέργεια συσσωρεύει.Επομένως, τόσο μεγαλύτερη είναι η συμπιεστική δύναμη που ασκεί.Τα αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι τα δείγματα έφτασαν στη μέγιστη δύναμη συμπίεσης όταν αφαιρέθηκε εντελώς η πίεση εισόδου.Αυτή η ενότητα στοχεύει να δημιουργήσει μια άμεση σχέση μεταξύ της επιμήκυνσης και της μέγιστης δύναμης συρρίκνωσης των πλεκτών και υφαντών φύλλων μέσω αναλυτικής μοντελοποίησης και πειραματικής επαλήθευσης.
Η μέγιστη συσταλτική δύναμη Fout (στην πίεση εισόδου P = 0) ενός μεμονωμένου AMF δόθηκε στην αναφορά 49 και επανεισαχθεί ως εξής:
Μεταξύ αυτών, τα α, Ε και Α0 είναι ο παράγοντας τάνυσης, ο συντελεστής Young και η περιοχή διατομής του σωλήνα σιλικόνης, αντίστοιχα.k είναι ο συντελεστής ακαμψίας του σπειροειδούς πηνίου.Τα x και li είναι μετατόπιση και αρχικό μήκος.AMP, αντίστοιχα.
η σωστή εξίσωση.(1) Πάρτε ως παράδειγμα πλεκτά και υφαντά φύλλα (Εικ. 5Α, Β).Οι δυνάμεις συρρίκνωσης του πλεκτού προϊόντος Fkv και του υφαντού προϊόντος Fwh εκφράζονται με την εξίσωση (2) και (3), αντίστοιχα.
όπου mk είναι ο αριθμός των βρόχων, φp είναι η γωνία βρόχου του πλεκτού υφάσματος κατά την έγχυση (Εικ. 5Α), mh είναι ο αριθμός των νημάτων, θhp είναι η γωνία εμπλοκής του πλεκτού υφάσματος κατά την έγχυση (Εικ. 5Β), εkv εwh είναι το πλεκτό φύλλο και η παραμόρφωση του υφαντού φύλλου, F0 είναι η αρχική τάση του σπειροειδούς πηνίου.Αναλυτική παραγωγή της εξίσωσης.Τα (2) και (3) βρίσκονται στις υποστηρικτικές πληροφορίες.
Δημιουργήστε ένα αναλυτικό μοντέλο για τη σχέση επιμήκυνσης-δύναμης.(A,B) Αναλυτικές απεικονίσεις μοντέλων για πλεκτά και υφαντά φύλλα, αντίστοιχα.(Γ,Δ) Σύγκριση αναλυτικών μοντέλων και πειραματικών δεδομένων για πλεκτά και υφαντά φύλλα.RMSE Σφάλμα ρίζας μέσου τετραγώνου.
Για να δοκιμάσουμε το μοντέλο που αναπτύχθηκε, πραγματοποιήσαμε πειράματα επιμήκυνσης χρησιμοποιώντας τα πλεκτά σχέδια στο Σχ. 2Α και τα πλεκτά δείγματα στο Σχ. 2Β.Η δύναμη συστολής μετρήθηκε σε αυξήσεις 5% για κάθε κλειδωμένη προέκταση από 0% έως 50%.Ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση των πέντε δοκιμών παρουσιάζονται στο Σχήμα 5Γ (πλέξη) και στο Σχήμα 5Δ (πλέξη).Οι καμπύλες του αναλυτικού μοντέλου περιγράφονται με εξισώσεις.Οι παράμετροι (2) και (3) δίνονται στον Πίνακα.1. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το αναλυτικό μοντέλο είναι σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα σε όλο το εύρος επιμήκυνσης με ριζικό μέσο τετραγωνικό σφάλμα (RMSE) 0,34 N για πλεκτά, 0,21 N για υφαντά AMF H (οριζόντια κατεύθυνση) και 0,17 N για υφαντό AMF .V (κάθετη κατεύθυνση).
Εκτός από τις βασικές κινήσεις, τα προτεινόμενα έξυπνα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα μπορούν να προγραμματιστούν μηχανικά για να παρέχουν πιο σύνθετες κινήσεις όπως κάμψη S, ακτινική συστολή και παραμόρφωση 2D σε 3D.Παρουσιάζουμε εδώ διάφορες μεθόδους για τον προγραμματισμό επίπεδων έξυπνων υφασμάτων σε επιθυμητές δομές.
Εκτός από την επέκταση της περιοχής στη γραμμική κατεύθυνση, τα υφαντά φύλλα μονής κατεύθυνσης μπορούν να προγραμματιστούν μηχανικά για να δημιουργήσουν πολυτροπική κίνηση (Εικ. 6Α).Διαμορφώνουμε εκ νέου την προέκταση του πλεγμένου φύλλου ως κίνηση κάμψης, περιορίζοντας μια από τις όψεις του (πάνω ή κάτω) με κλωστή ραψίματος.Τα φύλλα τείνουν να κάμπτονται προς την οριοθετημένη επιφάνεια υπό πίεση.Στο σχ.Το 6Α δείχνει δύο παραδείγματα υφαντών πάνελ που αποκτούν σχήμα S όταν το ένα μισό είναι στενό στην επάνω πλευρά και το άλλο μισό είναι στενό στην κάτω πλευρά.Εναλλακτικά, μπορείτε να δημιουργήσετε μια κυκλική κίνηση κάμψης όπου περιορίζεται μόνο ολόκληρο το πρόσωπο.Ένα μονόδρομο πλεκτό φύλλο μπορεί επίσης να κατασκευαστεί σε χιτώνιο συμπίεσης συνδέοντας τα δύο άκρα του σε μια σωληνοειδή δομή (Εικ. 6Β).Το μανίκι φοριέται πάνω από τον δείκτη ενός ατόμου για να παρέχει συμπίεση, μια μορφή θεραπείας μασάζ για την ανακούφιση του πόνου ή τη βελτίωση της κυκλοφορίας.Μπορεί να κλιμακωθεί ώστε να ταιριάζει σε άλλα μέρη του σώματος όπως χέρια, γοφούς και πόδια.
Δυνατότητα ύφανσης φύλλων προς μία κατεύθυνση.(Α) Δημιουργία παραμορφώσιμων δομών λόγω της δυνατότητας προγραμματισμού του σχήματος των νημάτων ραπτικής.(Β) Μανίκι συμπίεσης δακτύλων.(Γ) Μια άλλη εκδοχή του πλεκτού φύλλου και η εφαρμογή του ως χιτώνιο συμπίεσης αντιβραχίου.(D) Ένα άλλο πρωτότυπο χιτώνιο συμπίεσης κατασκευασμένο από AMF τύπου M, ακρυλικό νήμα και ιμάντες Velcro.Λεπτομερείς προδιαγραφές μπορείτε να βρείτε στην ενότητα Μέθοδοι.
Το Σχήμα 6Γ δείχνει ένα άλλο παράδειγμα ενός υφαντού φύλλου μονής κατεύθυνσης κατασκευασμένου από ένα μόνο AMF και βαμβακερό νήμα.Το φύλλο μπορεί να διασταλεί κατά 45% στην περιοχή (στα 1,2 MPa) ή να προκαλέσει κυκλική κίνηση υπό πίεση.Έχουμε επίσης ενσωματώσει ένα φύλλο για να δημιουργήσουμε ένα χιτώνιο συμπίεσης του αντιβραχίου συνδέοντας μαγνητικούς ιμάντες στο άκρο του φύλλου.Ένα άλλο πρωτότυπο χιτώνιο συμπίεσης αντιβραχίου φαίνεται στο Σχήμα 6D, στο οποίο μονόδρομα πλεκτά φύλλα κατασκευάστηκαν από τύπου M AMF (βλ. Μέθοδοι) και ακρυλικά νήματα για τη δημιουργία ισχυρότερων δυνάμεων συμπίεσης.Εξοπλίσαμε τις άκρες των φύλλων με ιμάντες Velcro για εύκολη στερέωση και για διαφορετικά μεγέθη χεριών.
Η τεχνική συγκράτησης, η οποία μετατρέπει τη γραμμική επέκταση σε κίνηση κάμψης, είναι επίσης εφαρμόσιμη σε αμφίδρομα υφαντά φύλλα.Πλένουμε τις βαμβακερές κλωστές στη μία πλευρά του στημονιού και υφαδιάζουμε τα υφαντά φύλλα για να μην διαστέλλονται (Εικ. 7Α).Έτσι, όταν δύο AMF δέχονται υδραυλική πίεση ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, το φύλλο υφίσταται μια αμφίδρομη κίνηση κάμψης για να σχηματίσει μια αυθαίρετη τρισδιάστατη δομή.Σε μια άλλη προσέγγιση, χρησιμοποιούμε μη εκτατά νήματα για να περιορίσουμε τη μία κατεύθυνση των αμφίδρομων υφαντών φύλλων (Εικόνα 7Β).Έτσι, το φύλλο μπορεί να κάνει ανεξάρτητες κινήσεις κάμψης και τεντώματος όταν το αντίστοιχο AMF βρίσκεται υπό πίεση.Στο σχ.Το 7Β δείχνει ένα παράδειγμα στο οποίο ένα διπλής κατεύθυνσης πλεκτό φύλλο ελέγχεται για να τυλίγεται γύρω από τα δύο τρίτα ενός ανθρώπινου δακτύλου με μια κίνηση κάμψης και στη συνέχεια να επεκτείνει το μήκος του για να καλύψει το υπόλοιπο με μια κίνηση τεντώματος.Η αμφίδρομη κίνηση των σεντονιών μπορεί να είναι χρήσιμη για το σχέδιο μόδας ή την ανάπτυξη έξυπνων ρούχων.
Πλεκτό φύλλο αμφίδρομης κατεύθυνσης, πλεκτό φύλλο και ακτινικά επεκτάσιμη σχεδιαστικές δυνατότητες.(Α) Αμφίδρομα συγκολλημένα αμφίδρομα ψάθινα πάνελ για τη δημιουργία διπλής κατεύθυνσης κάμψης.(Β) Τα μονοκατευθυντικά περιορισμένα αμφίδρομα ψάθινα πάνελ παράγουν κάμψη και επιμήκυνση.(Γ) Πλεκτό φύλλο υψηλής ελαστικότητας, το οποίο μπορεί να προσαρμόζεται σε διαφορετική καμπυλότητα επιφάνειας και ακόμη και να σχηματίσει σωληνοειδείς δομές.(Δ) οριοθέτηση της κεντρικής γραμμής μιας ακτινικά διαστελλόμενης δομής που σχηματίζει ένα υπερβολικό παραβολικό σχήμα (τσιπς πατάτας).
Συνδέσαμε δύο διπλανές θηλιές της πάνω και κάτω σειράς του πλεκτού με κλωστή ραπτικής για να μην ξετυλίγεται (Εικ. 7Γ).Έτσι, το υφαντό φύλλο είναι πλήρως εύκαμπτο και προσαρμόζεται καλά σε διάφορες επιφανειακές καμπύλες, όπως η επιφάνεια του δέρματος των ανθρώπινων χεριών και βραχιόνων.Επίσης δημιουργήσαμε μια σωληνοειδή κατασκευή (μανίκι) συνδέοντας τα άκρα του πλεκτού τμήματος προς την κατεύθυνση της διαδρομής.Το μανίκι τυλίγεται καλά γύρω από τον δείκτη του ατόμου (Εικ. 7C).Η λεπτότητα του υφαντού υφάσματος παρέχει εξαιρετική εφαρμογή και παραμόρφωση, καθιστώντας το εύκολο στη χρήση σε έξυπνη φθορά (γάντια, μανίκια συμπίεσης), παρέχοντας άνεση (μέσω εφαρμογής) και θεραπευτικό αποτέλεσμα (μέσω συμπίεσης).
Εκτός από τη δισδιάστατη ακτινική διαστολή σε πολλαπλές κατευθύνσεις, τα κυκλικά υφαντά φύλλα μπορούν επίσης να προγραμματιστούν για να σχηματίσουν τρισδιάστατες δομές.Περιορίσαμε την κεντρική γραμμή της στρογγυλής πλεξούδας με ακρυλικό νήμα για να διαταράξουμε την ομοιόμορφη ακτινωτή διαστολή της.Ως αποτέλεσμα, το αρχικό επίπεδο σχήμα του στρογγυλού υφαντού φύλλου μετασχηματίστηκε σε υπερβολικό παραβολικό σχήμα (ή τσιπς πατάτας) μετά από συμπίεση (Εικ. 7D).Αυτή η ικανότητα μετατόπισης σχήματος θα μπορούσε να εφαρμοστεί ως μηχανισμός ανύψωσης, οπτικός φακός, κινητά πόδια ρομπότ ή θα μπορούσε να είναι χρήσιμη στο σχέδιο μόδας και στα βιονικά ρομπότ.
Έχουμε αναπτύξει μια απλή τεχνική για τη δημιουργία καμπτικών κινητήρων κολλώντας AMF σε μια λωρίδα από ύφασμα που δεν τεντώνει (Εικόνα 3).Χρησιμοποιούμε αυτήν την ιδέα για τη δημιουργία νημάτων με δυνατότητα προγραμματισμού σχήματος, όπου μπορούμε να διανείμουμε στρατηγικά πολλαπλά ενεργά και παθητικά τμήματα σε ένα AMF για να δημιουργήσουμε τα επιθυμητά σχήματα.Κατασκευάσαμε και προγραμματίσαμε τέσσερα ενεργά νήματα που μπορούσαν να αλλάξουν το σχήμα τους από ευθύ σε γράμμα (UNSW) καθώς αυξανόταν η πίεση (Συμπληρωματικό Σχ. S4).Αυτή η απλή μέθοδος επιτρέπει στη δυνατότητα παραμόρφωσης του AMF να μετατρέψει τις γραμμές 1D σε σχήματα 2D και πιθανώς ακόμη και σε 3D δομές.
Σε μια παρόμοια προσέγγιση, χρησιμοποιήσαμε ένα μόνο AMF για να επαναδιαμορφώσουμε ένα κομμάτι παθητικού φυσιολογικού ιστού σε ένα ενεργό τετράποδο (Εικ. 8Α).Οι έννοιες δρομολόγησης και προγραμματισμού είναι παρόμοιες με αυτές που φαίνονται στο Σχήμα 3Γ.Ωστόσο, αντί για ορθογώνια σεντόνια, άρχισαν να χρησιμοποιούν υφάσματα με τετράποδο σχέδιο (χελώνα, βαμβακερή μουσελίνα).Επομένως, τα πόδια είναι μακρύτερα και η δομή μπορεί να ανυψωθεί ψηλότερα.Το ύψος της κατασκευής αυξάνεται σταδιακά υπό πίεση έως ότου τα πόδια της είναι κάθετα στο έδαφος.Εάν η πίεση εισόδου συνεχίσει να αυξάνεται, τα πόδια θα κρεμούν προς τα μέσα, μειώνοντας το ύψος της κατασκευής.Τα τετράποδα μπορούν να εκτελέσουν κίνηση εάν τα πόδια τους είναι εξοπλισμένα με μοτίβα μονής κατεύθυνσης ή χρησιμοποιούν πολλαπλά AMF με στρατηγικές χειρισμού κίνησης.Τα ρομπότ μαλακής κίνησης απαιτούνται για μια ποικιλία εργασιών, συμπεριλαμβανομένων των διασώσεων από πυρκαγιές, κατεστραμμένων κτιρίων ή επικίνδυνων περιβαλλόντων και ρομπότ παροχής ιατρικών φαρμάκων.
Το ύφασμα αναδιαμορφώνεται για να δημιουργεί δομές που αλλάζουν σχήμα.(Α) Κολλήστε το AMF στο όριο του παθητικού φύλλου υφάσματος, μετατρέποντάς το σε μια κατευθυνόμενη τετράποδη κατασκευή.(BD) Δύο άλλα παραδείγματα αναδιαμόρφωσης ιστών, μετατροπής παθητικών πεταλούδων και λουλουδιών σε ενεργά.Μη ελαστικό ύφασμα: σκέτη βαμβακερή μουσελίνα.
Εκμεταλλευόμαστε επίσης την απλότητα και την ευελιξία αυτής της τεχνικής αναδιαμόρφωσης ιστού εισάγοντας δύο επιπλέον βιοεμπνευσμένες δομές για αναμόρφωση (Εικόνες 8B-D).Με ένα δρομολογήσιμο AMF, αυτές οι παραμορφώσιμες δομές επαναδιαμορφώνονται από φύλλα παθητικού ιστού σε ενεργητικές και κατευθυνόμενες δομές.Εμπνευσμένοι από την πεταλούδα monarch, φτιάξαμε μια μεταμορφωτική δομή πεταλούδας χρησιμοποιώντας ένα κομμάτι ύφασμα σε σχήμα πεταλούδας (βαμβακερή μουσελίνα) και ένα μακρύ κομμάτι AMF κολλημένο κάτω από τα φτερά της.Όταν το AMF είναι υπό πίεση, τα φτερά διπλώνουν.Όπως το Monarch Butterfly, το αριστερό και το δεξί φτερό του ρομπότ πεταλούδας πέφτουν με τον ίδιο τρόπο επειδή ελέγχονται και τα δύο από το AMF.Τα πτερύγια πεταλούδας προορίζονται μόνο για λόγους προβολής.Δεν μπορεί να πετάξει όπως το Smart Bird (Festo Corp., ΗΠΑ).Φτιάξαμε επίσης ένα υφασμάτινο λουλούδι (Εικόνα 8Δ) που αποτελείται από δύο στρώσεις από πέντε πέταλα το καθένα.Τοποθετήσαμε το AMF κάτω από κάθε στρώμα μετά την εξωτερική άκρη των πετάλων.Αρχικά, τα άνθη είναι σε πλήρη άνθηση, με όλα τα πέταλα εντελώς ανοιχτά.Υπό πίεση, το AMF προκαλεί μια κίνηση κάμψης των πετάλων, με αποτέλεσμα να κλείσουν.Τα δύο AMF ελέγχουν ανεξάρτητα την κίνηση των δύο στρωμάτων, ενώ τα πέντε πέταλα του ενός στρώματος κάμπτονται ταυτόχρονα.
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-26-2022