Merci fir besicht Nature.com.Dir benotzt eng Browser Versioun mat limitéierter CSS Ënnerstëtzung.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).Zousätzlech, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, weisen mir de Site ouni Stiler a JavaScript.
Weist e Karussell vun dräi Rutschen op eemol.Benotzt d'Previous an Next Knäppercher fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen, oder benotzt d'Slider Knäppercher um Enn fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen.
D'Kombinatioun vun Textilien a kënschtlech Muskelen fir intelligent Textilien ze kreéieren zitt vill Opmierksamkeet vu wëssenschaftlechen an industrielle Gemeinschaften un.Smart Textilien bidden vill Virdeeler, inklusiv adaptiven Komfort an en héije Grad vu Konformitéit mat Objeten, wärend aktiv Aktivéierung fir gewënschte Bewegung a Kraaft.Dësen Artikel stellt eng nei Klass vu programméierbaren Smart Stoffer vir, déi mat verschiddene Methode vu Weben, Weben a Kleeblatt vu flësseg ugedriwwen kënschtlech Muskelfasern gemaach ginn.E mathematesche Modell gouf entwéckelt fir de Verhältnis vun der Verlängerungskraaft vu gestréckten a gewéckelte Textilplacke ze beschreiwen, an duerno gouf seng Validitéit experimentell getest.Den neie "Smart" Textil huet héich Flexibilitéit, Konformitéit a mechanesch Programméierung, wat multimodal Bewegung an Deformatiounsfäegkeete fir eng méi breet Palette vun Uwendungen erméiglecht.Verschidde Smart Textil Prototypen goufen duerch experimentell Verifizéierung erstallt, dorënner verschidde Formännerungsfäll wéi Verlängerung (bis zu 65%), Gebittsexpansioun (108%), Radial Expansioun (25%), a Béiebewegung.D'Konzept vun der Rekonfiguratioun vu passive traditionelle Stoffer an aktiv Strukture fir biomimetesch Formstrukturen gëtt och exploréiert.Déi proposéiert Smart Textilien ginn erwaart d'Entwécklung vu Smart wearables, haptesche Systemer, biomimetesche Soft Roboteren a wearable Elektronik ze erliichteren.
Steife Roboteren sinn effektiv wann se a strukturéierten Ëmfeld schaffen, awer hu Probleemer mam onbekannte Kontext vu verännerten Ëmfeld, wat hir Notzung an der Sich oder Exploratioun limitéiert.D'Natur iwwerrascht eis weider mat villen inventiven Strategien fir mat externe Faktoren an Diversitéit ëmzegoen.Zum Beispill maachen d'Knollen vu Kloterpflanzen multimodale Beweegungen, wéi Biegen a Spiralen, fir en onbekannt Ëmfeld ze entdecken op der Sich no enger passender Ënnerstëtzung1.D'Venus Flyefall (Dionaea muscipula) huet sensibel Hoer op senge Blieder, déi, wann se ausgeléist ginn, op d'Plaz knacken, fir d'Bau ze fangen2.An de leschte Joren ass d'Deformatioun oder Deformatioun vu Kierper vun zweedimensionalen (2D) Uewerflächen op dräidimensional (3D) Formen, déi biologesch Strukturen mimikéieren, en interessant Fuerschungsthema ginn3,4.Dës mëll Roboterkonfiguratiounen änneren d'Form fir sech un verännerend Ëmfeld unzepassen, multimodal Bewegung z'erméiglechen, a Kräfte benotze fir mechanesch Aarbecht ze maachen.Hir Erreeche ass op eng breet Palette vu Robotikapplikatiounen erweidert, dorënner deployables5, reconfigurable an self-folding robots6,7, biomedical devices8, vehicles9,10 and expandable electronics11.
Vill Fuerschung gouf gemaach fir programméierbar flaach Placke z'entwéckelen déi, wann se aktivéiert sinn, a komplex dreidimensional Strukturen transforméieren3.Eng einfach Iddi fir deformable Strukturen ze kreéieren ass Schichten vu verschiddene Materialien ze kombinéieren déi flexéieren a falen wann se u Reizen ausgesat sinn12,13.Janbaz et al.14 Li et al.15 hunn dëst Konzept ëmgesat fir Hëtztempfindlech multimodal deformable Roboter ze kreéieren.Origami-baséiert Strukturen mat stimulus-reaktiounsfäeger Elementer goufen benotzt fir komplex dreidimensional Strukturen16,17,18 ze kreéieren.Inspiréiert vun der Morphogenese vu biologesche Strukturen, Emmanuel et al.Form-deformable Elastomere ginn erstallt andeems d'Loftkanäl an enger Gummi-Uewerfläch organiséiert gëtt, déi ënner Drock a komplexen, arbiträr dreidimensional Formen transforméieren.
D'Integratioun vun Textilien oder Stoffer an deforméierbar mëll Roboteren ass en anert neit Konzeptprojet dee verbreet Interessi generéiert huet.Textilien si mëll an elastesch Materialien aus Garn duerch Webentechniken wéi Strécken, Weben, Flechten oder Knuetweben.Déi erstaunlech Eegeschafte vu Stoffer, dorënner Flexibilitéit, Fit, Elastizitéit an Atmungsfäegkeet, maachen se ganz populär an alles vu Kleeder bis medizinesch Uwendungen20.Et ginn dräi breet Approche fir Textilien an d'Robotik z'integréieren21.Déi éischt Approche ass d'Textil ze benotzen als passiv Beleidegung oder Basis fir aner Komponenten.An dësem Fall bidden passiv Textilien eng komfortabel Passform fir de Benotzer beim Droen vun steife Komponenten (Motoren, Sensoren, Stroumversuergung).Déi meescht mëll tragbar Roboteren oder mëll Exoskeletone falen ënner dëser Approche.Zum Beispill, weich tragbar Exoskeletone fir Walking-Hëllefen 22 an Ielebou-Hëllefen 23, 24, 25, mëll wearable Handschuesch 26 fir Hand- a Fangerhëllefen, a bionesch mëll Roboteren 27.
Déi zweet Approche ass Textilien als passiv a limitéiert Komponente vu mëlle Roboter Geräter ze benotzen.Textilbaséiert Aktuatoren falen an dës Kategorie, wou de Stoff normalerweis als äusseren Container konstruéiert ass fir den banneschten Schlauch oder d'Kammer ze enthalen, e mëllfaser verstäerkten Aktuator ze bilden.Wann se op eng extern pneumatesch oder hydraulesch Quell ënnerworf ginn, ginn dës mëll Aktuatoren Ännerungen an der Form, dorënner Verlängerung, Biegen oder Verdrehung, jee no hirer ursprénglecher Zesummesetzung a Konfiguratioun.Zum Beispill, Talman et al.Orthopädesch Knöchelkleedung, besteet aus enger Serie vu Stofftaschen, gouf agefouert fir d'Plantarflexioun z'erliichteren fir d'Gait ze restauréieren28.Textilschichten mat verschiddene Verlängerbarkeet kënnen kombinéiert ginn fir anisotropesch Bewegung 29 ze kreéieren.OmniSkins - mëll Roboter Skins aus enger Vielfalt vu mëllen Aktuatoren a Substratmaterialien kënne passiv Objeten a multifunktionell aktiv Roboter transforméieren, déi multimodal Bewegungen an Deformatiounen fir verschidden Uwendungen ausféieren.Zhu et al.hunn e flëssege Tissumuskelplack31 entwéckelt, deen Verlängerung, Biegen a verschidde Verformungsbewegungen generéiere kann.Buckner et al.Integréiert funktionell Faseren a konventionell Tissue fir Robotergewebe mat multiple Funktiounen ze kreéieren wéi Aktivéierung, Sensing a Variabel Steifheit32.Aner Methoden an dëser Kategorie kënnen an dësen Pabeieren 21, 33, 34, 35 fonnt ginn.
Eng rezent Approche fir d'Supereigenschafte vun Textilien am Feld vun der mëller Robotik ze notzen ass reaktiv oder stimulus-reaktiounsfäeg Filamenter ze benotzen fir intelligent Textilien ze kreéieren mat traditionelle Textilfabrikatiounsmethoden wéi Weben, Strécken a Webmethoden21,36,37.Ofhängeg vun der Zesummesetzung vum Material, reaktive Garn verursaacht eng Verännerung vun der Form wann se elektresch, thermesch oder Drockaktioun ënnerworf gëtt, wat zu Verformung vum Stoff féiert.An dëser Approche, wou traditionell Textilien an e mëlle Robotersystem integréiert sinn, geschitt d'Ëmformung vum Textil op der banneschter Schicht (Garn) anstatt op der äusserer Schicht.Als solch bidden intelligent Textilien exzellent Handhabung a punkto multimodale Bewegung, programméierbar Deformatioun, Stretchbarkeet an d'Fäegkeet fir Steifheit unzepassen.Zum Beispill, Form Memory Legierungen (SMAs) a Form Memory Polymeren (SMPs) kënnen a Stoffer agebaut ginn fir hir Form aktiv duerch thermesch Stimulatioun ze kontrolléieren, wéi Hemming38, Faltentfernung36,39, Taktil a Taktil Feedback40,41, souwéi adaptiven Feedback wearable Kleeder.Apparater 42.Wéi och ëmmer, d'Benotzung vun der thermescher Energie fir d'Heizung an d'Ofkillung resultéiert a lues Äntwert a schwiereg Ofkillung a Kontroll.Méi kuerzem, Hiramitsu et al.Dem McKibben seng fein Muskelen43,44, pneumatesch kënschtlech Muskelen, ginn als Warpgarnen benotzt fir verschidde Forme vun aktive Textilien ze kreéieren andeems d'Webstruktur geännert gëtt45.Obwuel dës Approche héich Kräften ubitt, wéinst der Natur vum McKibben Muskel, ass seng Expansiounsrate limitéiert (<50%) a kleng Gréisst kann net erreecht ginn (Duerchmiesser <0,9 mm).Ausserdeem war et schwiereg fir intelligent Textilmuster aus Webmethoden ze bilden déi scharf Ecker erfuerderen.Fir eng méi breet Palette vu Smart Textilien ze bilden, Maziz et al.Elektroaktiv wearable Textilien goufen entwéckelt duerch Strécken a Weben elektrosensibel Polymer thread46.
An de leschte Joeren ass eng nei Zort vun thermosensibel kënschtlechen Muskel entstanen, aus héich verdrësselten, preiswerte Polymerfaser47,48 gebaut.Dës Fasere si kommerziell verfügbar a si liicht a Weben oder Weben agebaut fir bezuelbar Smart Kleeder ze produzéieren.Trotz de Fortschrëtter hunn dës nei Hëtztempfindlech Textilien limitéiert Äntwertzäiten wéinst der Bedierfnes fir Heizung a Ofkillung (zB Temperaturkontrolléiert Textilien) oder d'Schwieregkeet fir komplexe gestréckte a gewéckelte Mustere ze maachen, déi programméiert kënne ginn fir déi gewënschte Verformungen a Bewegungen ze generéieren .Beispiller enthalen radial Expansioun, 2D zu 3D Form Transformatioun oder bi-directional Expansioun, déi mir hei ubidden.
Fir dës uewe genannte Probleemer ze iwwerwannen, presentéiert dësen Artikel en neit flësseg ugedriwwe Smart Textil aus eise kierzlech agefouerte mëlle kënschtleche Muskelfasern (AMF) 49,50,51.AMFs sinn héich flexibel, skalierbar a kënnen op en Duerchmiesser vun 0,8 mm a grouss Längt (op d'mannst 5000 mm) reduzéiert ginn, bitt en héije Aspekt Verhältnis (Längt bis Duerchmiesser) souwéi héich Verlängerung (op d'mannst 245%), héich Energie Effizienz, manner wéi 20Hz séier Äntwert).Fir intelligent Textilien ze kreéieren, benotze mir AMF als aktive Garn fir 2D aktive Muskelschichten duerch Strécken a Weben Techniken ze bilden.Mir hunn d'Expansiounsquote an d'Kontraktiounskraaft vun dësen "Smart" Stoffer quantitativ studéiert a punkto Flëssegkeetsvolumen an Drock geliwwert.Analytesch Modeller goufen entwéckelt fir d'Verlängerungskraaftverhältnis fir gestréckte a gewéckelte Blieder ze etabléieren.Mir beschreiwen och verschidde mechanesch Programméierungstechnike fir intelligent Textilien fir multimodal Bewegung, inklusiv bi-directional Extensioun, Biegen, Radial Expansioun, an d'Fäegkeet fir vun 2D op 3D ze wiesselen.Fir d'Kraaft vun eiser Approche ze demonstréieren, wäerte mir och AMF an kommerziellen Stoffer oder Textilien integréieren fir hir Konfiguratioun vu passive bis aktive Strukturen z'änneren, déi verschidde Verformungen verursaachen.Mir hunn dëst Konzept och op e puer experimentellen Testbänke bewisen, inklusiv programméierbar Béie vu Fuedem fir gewënschte Bréiwer ze produzéieren a Form-verréckelend biologesch Strukturen an d'Form vun Objeten wéi Päiperleken, Quadrupedal Strukturen a Blummen.
Textilien si flexibel zwee-zweedimensional Strukture geformt aus interwoven een-zweedimensional thread wéi Garen, Fuedem a Faseren.Textil ass eng vun den eelsten Technologien vun der Mënschheet a gëtt wäit an all Aspekter vum Liewen benotzt wéinst sengem Komfort, Adaptabilitéit, Atmungsfäegkeet, Ästhetik a Schutz.Smart Textilien (och bekannt als Smart Kleeder oder Roboter Stoffer) ginn ëmmer méi an der Fuerschung benotzt wéinst hirem grousse Potenzial a Roboter Uwendungen20,52.Smart Textilien verspriechen d'mënschlech Erfarung vun der Interaktioun mat mëllen Objeten ze verbesseren, e Paradigmaverschiebung am Feld z'erreechen, wou d'Bewegung an d'Kräfte vum dënnen, flexiblen Stoff kontrolléiert kënne ginn fir spezifesch Aufgaben ze maachen.An dësem Pabeier entdecken mir zwou Approche fir d'Produktioun vu Smart Textilien op Basis vun eisem rezenten AMF49: (1) benotzt AMF als aktive Garn fir Smart Textilien ze kreéieren mat traditionelle Textilproduktiounstechnologien;(2) AMF direkt an traditionell Stoffer setzen fir déi gewënscht Bewegung an Deformatioun ze stimuléieren.
D'AMF besteet aus engem internen Silikonröhre fir hydraulesch Kraaft ze liwweren an eng extern spiralesch Spule fir seng radial Expansioun ze limitéieren.Also verlängeren AMFs sech longitudinell wann den Drock ugewannt gëtt a weisen duerno kontraktile Kräfte fir op hir ursprénglech Längt zréckzekommen wann den Drock fräigelooss gëtt.Si hunn Eegeschafte ähnlech wéi traditionell Faseren, dorënner Flexibilitéit, klengen Duerchmiesser a laang Längt.Wéi och ëmmer, den AMF ass méi aktiv a kontrolléiert a punkto Bewegung a Kraaft wéi seng konventionell Kollegen.Inspiréiert vu rezente séiere Fortschrëtter a Smart Textilien, presentéiere mir hei véier grouss Approche fir Smart Textilien ze produzéieren andeems Dir AMF op eng laang etabléiert Stofffabrikatiounstechnologie applizéiert (Figur 1).
Den éischte Wee ass Weben.Mir benotzen Weft Strécken Technologie fir e reaktive Strickstoff ze produzéieren, deen an eng Richtung entfält wann se hydraulesch aktivéiert ginn.Gestréckte Blieder si ganz stretchy a stretchbar awer tendéieren méi einfach ze räissen wéi gewéckelt Blieder.Ofhängeg vun der Kontrollmethod kann AMF eenzel Reihen oder komplett Produkter bilden.Nieft flaach Blieder sinn tubulär Stréckmuster och gëeegent fir d'Fabrikatioun vun AMF huel Strukturen.Déi zweet Method ass Weben, wou mir zwee AMFs als Warp a Weft benotze fir e rechteckeg gewéckelt Blat ze bilden deen onofhängeg an zwou Richtungen ausdehnen kann.Woven Blieder bidden méi Kontroll (a béide Richtungen) wéi Stréckplacke.Mir hunn och AMF aus traditionelle Garn gewéckelt fir e méi einfache gewéckelt Blat ze maachen deen nëmmen an eng Richtung ofwéckelt ka ginn.Déi drëtt Method - Radial Expansioun - ass eng Variant vun der Webtechnik, an där d'AMPs net an engem Rechteck sinn, awer an enger Spiral, an d'Fähden eng radial Aschränkung ubidden.An dësem Fall erweidert de Braid radiell ënner dem Inletdruck.Eng véiert Approche ass den AMF op e Blat vu passive Stoff ze hänken fir eng Béibewegung an déi gewënscht Richtung ze kreéieren.Mir hunn de passive Breakout Board an en aktive Breakout Board nei konfiguréiert andeems Dir den AMF ronderëm säi Rand leeft.Dës programméierbar Natur vun AMF mécht eng Onmass Méiglechkeete fir bio-inspiréiert Form-transforméierend mëll Strukturen op, wou mir passiv Objeten an aktiv kënne verwandelen.Dës Method ass einfach, einfach a séier, awer kann d'Längegkeet vum Prototyp kompromittéieren.De Lieser gëtt op aner Approche an der Literatur bezeechent, déi d'Stäerkten a Schwächten vun all Tissueeigenschaften detailléiert21,33,34,35.
Déi meescht Fuedem oder Garnen, déi benotzt gi fir traditionell Stoffer ze maachen, enthalen passiv Strukturen.An dëser Aarbecht benotze mir eis virdru entwéckelt AMF, déi Meterlängt an Submillimeter Duerchmiesser erreechen kann, fir traditionell passiv Textilgarne mat AFM ze ersetzen fir intelligent an aktiv Stoffer fir eng méi breet Palette vun Uwendungen ze kreéieren.Déi folgend Sektioune beschreiwen detailléiert Methoden fir intelligent Textilprototypen ze maachen a presentéieren hir Haaptfunktiounen a Behuelen.
Mir handgemaach dräi AMF Trikoten mat der Weft Strécken Technik (Fig. 2A).Materialauswiel an detailléiert Spezifikatioune fir AMFs a Prototypen kënnen an der Methode Sektioun fonnt ginn.All AMF verfollegt e Wicklungswee (och eng Streck genannt) déi eng symmetresch Loop bilden.D'Schleifen vun all Zeil si mat Schleifen vun de Reihen uewen an ënner hinnen fixéiert.D'Réng vun enger Kolonn senkrecht zum Kurs ginn an e Schaft kombinéiert.Eise gestréckte Prototyp besteet aus dräi Reie vu siwe Stécker (oder siwe Stécker) an all Zeil.Déi iewescht an déi ënnescht Réng sinn net fixéiert, sou datt mir se op déi entspriechend Metallstäbchen befestigen kënnen.Gestréckte Prototypen entfalen méi einfach wéi konventionell Strécke Stoffer wéinst der méi héijer Steifheit vun AMF am Verglach mat konventionelle Garen.Dofir hu mir d'Schleifen vun benachbaren Reihen mat dënnen elastesche Schnouer gebonnen.
Verschidde Smart Textil Prototypen gi mat verschiddenen AMF Konfiguratiounen ëmgesat.(A) Gestréckte Blat aus dräi AMFs.(B) Bidirektional gewéckelt Blat vun zwee AMFs.(C) Eng unidirektional gewéckelt Blat aus AMF an Acrylgarn kann eng Laascht vu 500g droen, wat 192 Mol säi Gewiicht ass (2,6g).(D) Radial erweiderend Struktur mat engem AMF a Kottenggarn als radial Aschränkung.Detailléiert Spezifikatioune kënnen an der Methode Sektioun fonnt ginn.
Obwuel d'Zickzack-Schleifen vun engem Strécke kënnen a verschiddene Richtungen ausdehnen, erweidert eis Prototyp Stréck haaptsächlech an d'Richtung vun der Loop ënner Drock wéinst Aschränkungen an der Reesrichtung.D'Verlängerung vun all AMF dréit zur Expansioun vun der Gesamtfläch vum gestréckte Blat bäi.Je spezifesch Ufuerderunge, kënne mir dräi AMFs onofhängeg vun dräi verschiddene Flëssegket Quellen kontrolléieren (Dorënner 2A) oder gläichzäiteg aus engem Flëssegket Quell via engem 1-zu-3 Flëssegket Distributeur.Op Fig.2A weist e Beispill vun engem gestréckte Prototyp, deem seng initial Fläch ëm 35% eropgaang ass wärend den Drock op dräi AMPs (1,2 MPa) applizéiert gouf.Notamment erreecht AMF eng héich Verlängerung vu mindestens 250% vu senger ursprénglecher Längt49 sou datt Stréckplacke nach méi kënne strecken wéi déi aktuell Versiounen.
Mir hunn och bidirektional Webblieder erstallt, geformt aus zwee AMFs mat der Einfache Webtechnik (Dorënner 2B).AMF Warp a Weft sinn a richtege Wénkel verwéckelt, a bilden en einfacht Kräizmuster.Eise Prototyp Weben gouf als e equilibréierten einfachen Weben klasséiert well souwuel d'Kreden wéi och d'Waffgarnen aus der selwechter Garngréisst gemaach goufen (kuckt d'Methoden Sektioun fir Detailer).Am Géigesaz zu gewéinleche Fuedem, déi scharf Falten bilden, erfuerdert den ugewandten AMF e gewëssen Biegeradius wann Dir zréck an en anere Fuedem vum Webmuster zréckkënnt.Dofir hu gewéckelt Blieder aus AMP eng méi niddereg Dicht am Verglach mat konventionelle gewéckelte Textilien.AMF-Typ S (äusseren Duerchmiesser 1,49 mm) huet e Minimum Béi Radius vun 1,5 mm.Zum Beispill huet de Prototyp Weben, dee mir an dësem Artikel presentéieren, e 7 × 7 Fuedemmuster, wou all Kräizung mat engem Knot aus dënnen elastesche Schnouer stabiliséiert gëtt.Mat der selwechter Webentechnik kënnt Dir méi Strécke kréien.
Wann déi entspriechend AMF Flëssegkeetsdrock kritt, erweidert de gewéckelte Blat säi Gebitt an der Warp- oder Weftrichtung.Dofir hu mir d'Dimensioune vun der geflechter Blat (Längt a Breet) kontrolléiert andeems d'Quantitéit vum Inletdruck op déi zwee AMPs onofhängeg geännert gëtt.Op Fig.2B weist e gewéckelte Prototyp deen op 44% vu senger ursprénglecher Fläch erweidert ass, wärend Drock op een AMP (1,3 MPa) applizéiert gëtt.Mat der simultaner Handlung vum Drock op zwee AMFs ass d'Gebitt ëm 108% eropgaang.
Mir hunn och e unidirektional gewéckelt Blat aus engem eenzegen AMF mat Warp an Acrylgarnen als Schlag gemaach (Figure 2C).D'AMFs sinn a siwe Zickzack-Reihen arrangéiert an d'Fiedem wéckelen dës Reihen vun AMFs zesummen fir e rechteckege Blat Stoff ze bilden.Dëse gewéckelte Prototyp war méi dichter wéi an der Fig.Well mir nëmmen een AMF als Warp benotzen, kann de gewéckelte Blat nëmmen ënner Drock Richtung Warp ausdehnen.Figur 2C weist e Beispill vun engem gewéckelte Prototyp, deem säin initialen Gebitt ëm 65% eropgeet mam Drock erop (1,3 MPa).Zousätzlech kann dëst geflecht Stéck (2,6 Gramm) eng Laascht vu 500 Gramm ophiewen, wat 192 Mol seng Mass ass.
Amplaz d'AMF an engem Zickzack Muster ze arrangéieren fir e rechteckege gewéckelt Blat ze kreéieren, hu mir eng flaach Spiralform vun der AMF fabrizéiert, déi dann radiell mat Kottenggarn ageschränkt gouf fir e ronnen gewéckelt Blat ze kreéieren (Figure 2D).Déi héich Steifheit vun AMF limitéiert seng Füllung vun der ganz zentraler Regioun vun der Plack.Wéi och ëmmer, dës Polsterung kann aus elastesche Garen oder elastesche Stoffer gemaach ginn.Beim Empfang vun den hydrauleschen Drock konvertéiert den AMP seng Längsverlängerung an eng radial Expansioun vum Blat.Et ass och ze bemierken datt souwuel de baussenzegen an den banneschten Duerchmiesser vun der Spiralform erhéicht ginn wéinst der radialer Limitatioun vun de Filamenter.Figure 2D weist datt mat engem ugewandten hydraulesche Drock vun 1 MPa d'Form vun engem ronnen Blat op 25% vun hirem ursprénglechen Gebitt erweidert.
Mir presentéieren hei eng zweet Approche fir Smart Textilien ze maachen, wou mir en AMF op e flaache Stéck Stoff pechen an et vun enger passiver op eng aktiv kontrolléiert Struktur nei konfiguréieren.D'Designdiagramm vum Béifuere gëtt an der Fig.3A, wou den AMP duerch d'Mëtt geklappt ass an op e Sträif aus onausdehnbarem Stoff (Kotteng Muslin Stoff) gekollt gëtt mat doppelseiteg Band als Klebstoff.Eemol versiegelt ass d'Spëtzt vum AMF fräi ze verlängeren, während de Buedem duerch de Band an de Stoff limitéiert ass, wouduerch de Sträif an de Stoff béien.Mir kënnen all Deel vum Béiaktuator iwwerall deaktivéieren andeems Dir einfach e Bandstreif drop leet.En deaktivéierten Segment kann net bewegen a gëtt e passivt Segment.
Stoffer ginn nei konfiguréiert andeems se AMF op traditionell Stoffer hänken.(A) Designkonzept fir e Béiefuere gemaach andeems een e gefalteten AMF op en onverständleche Stoff gekollt gëtt.(B) Béie vum Aktuator Prototyp.(C) Rekonfiguratioun vun engem véiereckege Stoff an en aktiven Véierbeen Roboter.Inelastescht Stoff: Koteng Jersey.Stretch Stoff: Polyester.Detailléiert Spezifikatioune kënnen an der Methode Sektioun fonnt ginn.
Mir hunn e puer Prototyp Béieaktuatore vu verschiddene Längt gemaach an hunn se mat Hydraulik ënnerdréckt fir eng Béiebewegung ze kreéieren (Figur 3B).Wichteg ass, kann den AMF an enger riichter Linn geluecht ginn oder geklappt ginn fir verschidde Fuedem ze bilden an dann op Stoff gekollt fir e Béiefahrt mat der entspriechender Unzuel u Fuedem ze kreéieren.Mir hunn och de passive Tissueblatt an eng aktiv Tetrapod Struktur ëmgewandelt (Dorënner 3C), wou mir AMF benotzt hunn fir d'Grenze vun engem rechteckegen inextensible Stoff (Kotteng Muslin Stoff) ze routen.AMP ass mam Stoff mat engem Stéck doppelseiteg Band befestegt.D'Mëtt vun all Kante gëtt agepaakt fir passiv ze ginn, während déi véier Ecker aktiv bleiwen.Stretch Stoff Top Cover (Polyester) ass fakultativ.Déi véier Ecker vum Stoff béien (gesinn aus wéi Been) wann Dir dréckt.
Mir hunn eng Testbank gebaut fir d'Eegeschafte vun den entwéckelte Smart Textilien quantitativ ze studéieren (kuckt d'Methoden Sektioun an d'Ergänzungsfigur S1).Zënter datt all Proben aus AMF gemaach goufen, ass den allgemengen Trend vun den experimentellen Resultater (Fig. 4) konsequent mat den Haaptcharakteristiken vun AMF, nämlech den Inletdruck ass direkt proportional zu der Outlet-Verlängerung an ëmgedréint proportional zu der Kompressiounskraaft.Wéi och ëmmer, dës Smart Stoffer hunn eenzegaarteg Charakteristiken déi hir spezifesch Konfiguratiounen reflektéieren.
Features Smart Textilkonfiguratiounen.(A, B) Hysteresekurven fir Inletdruck an Ausgangsverlängerung a Kraaft fir gewéckelt Blieder.(C) Expansioun vum Gebitt vun der gewéckelt Blat.(D,E) Relatioun tëscht Input Drock an Ausgangsverlängerung a Kraaft fir Stécker.(F) Beräich Expansioun vun radially expandéiert Strukturen.(G) Béie Wénkel vun dräi verschiddene Längt vun béien fiert.
All AMF vun der Ënner Blat war zu engem Inlet Drock vun 1 MPa ënnerworf ongeféier 30% elongation ze generéieren (Fig. 4A).Mir hunn dëse Schwell fir de ganzen Experiment aus verschiddene Grënn gewielt: (1) fir eng bedeitend Verlängerung ze kreéieren (ongeféier 30%) fir hir Hysteresekurven ze ënnersträichen, (2) fir Vëlosfuerer aus verschiddenen Experimenter a wiederverwendbare Prototypen ze verhënneren, déi zu zoufälleg Schued oder Versoen resultéieren..ënner héije Flëssegkeetsdrock.Déi doudege Zone ass kloer ze gesinn, an d'Flecht bleift onbeweeglech bis den Inletdruck 0,3 MPa erreecht.Den Drockverlängerungshysteresisplot weist e grousse Spalt tëscht de Pompel- a Verëffentlechungsphasen, wat beweist datt et e wesentlechen Energieverloscht gëtt wann de gewéckelte Blat seng Bewegung vun der Expansioun bis zur Kontraktioun ännert.(Fig. 4A).Nodeem en Inletdruck vun 1 MPa kritt huet, konnt de gewéckelte Blat eng Kontraktiounskraaft vu 5,6 N ausüben (Fig. 4B).D'Drock-Kraaft Hysteresis Plot weist och datt d'Resetkurve bal mat der Drockopbaukurve iwwerlappt.D'Expansioun vum Gebitt vun der gewéckelt Blat hänkt vun der Quantitéit vum Drock of, deen op jiddereng vun den zwee AMFs applizéiert gëtt, wéi an der 3D Uewerflächeplott (Dorënner 4C) gewisen.Experimenter weisen och datt e gewéckelt Blat eng Gebittsexpansioun vu 66% produzéiere kann wann seng Warp- a Weft-AMFs gläichzäiteg ënner engem hydraulesche Drock vun 1 MPa ënnerworf ginn.
D'experimentell Resultater fir d'gestréckte Blat weisen e ähnlecht Muster wéi dat gewéckelt Blat, dorënner eng breet Hysteresis Spalt am Spannungsdruckdiagramm an iwwerlappend Drockkraaftkurven.D'gestréckte Blat huet eng Verlängerung vun 30% gewisen, duerno war d'Kompressiounskraaft 9 N bei engem Inletdruck vun 1 MPa (Fig. 4D, E).
Am Fall vun enger ronn gewéckelt Blat huet seng initial Fläch ëm 25% verglach mam initialen Gebitt no der Belaaschtung vun engem flëssege Drock vun 1 MPa (Fig. 4F).Ier d'Probe ufänkt ze vergréisseren, gëtt et eng grouss Inletdruck doudege Zone bis zu 0,7 MPa.Dës grouss doudege Zone gouf erwaart wéi d'Proben aus méi groussen AMFs gemaach goufen, déi méi héich Drock erfuerderen fir hiren initialen Stress ze iwwerwannen.Op Fig.4F weist och datt d'Verëffentlechungskurve bal gläichzäiteg mat der Drockerhéigungskurve fällt, wat e wéineg Energieverloscht beweist wann d'Scheifbewegung gewiesselt gëtt.
Experimentell Resultater fir déi dräi Béieaktuatoren (Tissue-Rekonfiguratioun) weisen datt hir Hysteresekurven en ähnlecht Muster hunn (Figure 4G), wou se en Inletdruck doudege Zone vu bis zu 0,2 MPa erliewen ier se opgehuewe ginn.Mir hunn dee selwechte Volumen vu Flëssegkeet (0,035 ml) op dräi Béiefueren (L20, L30 an L50 mm) applizéiert.Wéi och ëmmer, all Aktuator huet verschidden Drockpeaks erlieft an huet verschidde Béiewénkel entwéckelt.D'L20 a L30 mm Aktuatoren hunn en Inletdruck vun 0,72 an 0,67 MPa erlieft, an d'Biegewénkel vun 167 ° respektiv 194 ° erreecht.Déi längste Béi-Undriff (Längt 50 mm) huet en Drock vun 0,61 MPa duerchgestan an huet e maximale Béiwénkel vun 236° erreecht.D'Drockwénkelhysteresis-Plots hunn och relativ grouss Lücken tëscht der Drock- a Verëffentlechungskurven fir all dräi Béiefueren opgedeckt.
D'Relatioun tëscht Inputvolumen an Ausgangseigenschaften (Verlängerung, Kraaft, Gebittsexpansioun, Béiewénkel) fir déi uewe genannte Smart Textilkonfiguratiounen kann an der Zousazbild S2 fonnt ginn.
D'experimentell Resultater an der viregter Sektioun weisen kloer d'proportional Relatioun tëscht ugewandten Inletdruck an Outlet Verlängerung vun AMF Echantillon.Wat méi staark den AMB gespannt ass, dest méi grouss d'Verlängerung entwéckelt an déi méi elastesch Energie accumuléiert.Dofir, wat méi grouss ass d'Kompressiounskraaft déi se ausübt.D'Resultater weisen och datt d'Exemplare hir maximal Kompressiounskraaft erreecht hunn wann den Inletdruck komplett ewechgeholl gouf.Dës Sektioun zielt fir eng direkt Relatioun tëscht Verlängerung a maximaler Schrumpfkraaft vu gestréckten a gewéckelte Blieder duerch analytesch Modellerung an experimentell Verifizéierung ze etabléieren.
Déi maximal contractile Kraaft Fout (um Inlet Drock P = 0) vun engem eenzege AMF gouf am Ref 49 uginn a wéi follegt agefouert:
Ënner hinnen, α, E, an A0 sinn de Stretchfaktor, Young's Modulus, a Querschnittsberäich vum Silikonröhre, respektiv;k ass de Steifheitskoeffizient vun der Spiralspiral;x a li sinn offset an initial Längt.AMP, respektiv.
déi richteg Equatioun.(1) Huelt gestréckte a gewéckelt Blieder als Beispill (Fig. 5A, B).D'Schrumpfungskräfte vum gestréckte Produkt Fkv an dem gewéinte Produkt Fwh ginn duerch Equatioun (2) respektiv (3) ausgedréckt.
wou mk d'Zuel vun de Schleifen ass, φp ass de Schleifwénkel vum Strickstoff während der Injektioun (Fig. 5A), mh ass d'Zuel vun de Fuedem, θhp ass den Engagementwénkel vum Strickstoff wärend der Injektioun (Fig. 5B), εkv εwh ass d'gestréckte Blat an d'Verformung vum gewéckelte Blat, F0 ass d'initial Spannung vun der Spiralspiral.Detailléiert Oflehnung vun der Equatioun.(2) an (3) kënnen an der ënnerstëtzend Informatioun fonnt ginn.
Erstellt en analytesche Modell fir d'Verlängerung-Kraaft Relatioun.(A,B) Analytesch Modellillustratiounen fir gestréckte a gewebte Blieder respektiv.(C, D) Verglach vun analyteschen Modeller an experimentell Donnéeën fir Strécken a gewéckelt Blieder.RMSE Root heescht Quadratfehler.
Fir den entwéckelte Modell ze testen, hu mir Verlängerungsexperimenter mat de gestréckte Musteren an der Fig. 2A a geflechte Proben an Fig.Kontraktiounskraaft gouf a 5% Inkremente gemooss fir all gespaarte Verlängerung vun 0% bis 50%.D'Moyenne an d'Standardabweichung vun de fënnef Studien ginn an der Figur 5C (strécken) an der Figur 5D (strécken) presentéiert.D'Kéiren vum analytesche Modell ginn duerch Equatioune beschriwwen.Parameteren (2) an (3) ginn an der Tabell uginn.1. D'Resultater weisen datt den analytesche Modell gutt Accord ass mat den experimentellen Donnéeën iwwer de ganze Verlängerungsberäich mat engem Root Moyenne Quadratfehler (RMSE) vun 0,34 N fir Stécker, 0,21 N fir gewéckelt AMF H (horizontal Richtung) an 0,17 N fir gewéckelt AMF .V (vertikal Richtung).
Zousätzlech zu de Basisbeweegunge kënnen déi proposéiert Smart Textilien mechanesch programméiert ginn fir méi komplexe Beweegunge wéi S-Béie, Radialkontraktioun an 2D bis 3D Deformatioun ze bidden.Mir presentéieren hei verschidde Methoden fir flaach Smart Textilien a gewënschte Strukturen ze programméieren.
Zousätzlech fir d'Domain an der linearer Richtung ze vergréisseren, kënnen unidirektional gewéckelt Blieder mechanesch programméiert ginn fir multimodal Bewegung ze kreéieren (Fig. 6A).Mir konfiguréieren d'Verlängerung vum gefleckte Blat als Béibewegung, begrenzt ee vu senge Gesiichter (uewen oder ënnen) mat Nähgewënn.D'Placke tendéieren an d'Begrenzungsfläch ënner Drock ze béien.Op Fig.6A weist zwee Beispiller vu gewéckelte Paneele, déi S-förmlech ginn, wann eng Halschent op der ieweschter Säit knapp ass an déi aner Halschent op der ënnescht Säit.Alternativ kënnt Dir eng kreesfërmeg Béiebewegung erstellen, wou nëmmen dat ganzt Gesiicht ageschränkt ass.Eng unidirektional gefleckt Blat kann och zu enger Kompressiounshülse gemaach ginn andeems se seng zwee Enden an eng tubulär Struktur verbannen (Fig. 6B).D'Hülse gëtt iwwer den Zeigefanger vun enger Persoun gedroen fir Kompressioun ze bidden, eng Form vu Massagetherapie fir Schmerz ze entlaaschten oder d'Zirkulatioun ze verbesseren.Et kann skaléiert ginn fir aner Kierperdeeler wéi Waffen, Hëfte a Been ze passen.
D'Kapazitéit fir Blieder an eng Richtung ze weven.(A) Schafung vun deformable Strukturen wéinst der Programméierbarkeet vun der Form vu Nähfäeder.(B) Fanger Kompressioun Hülse.(C) Eng aner Versioun vum geflechtem Blat a seng Ëmsetzung als Ënneraarmkompressiounshülse.(D) En anere Kompressiounshülse Prototyp aus AMF Typ M, Acrylgarn a Velcro Bänner.Detailléiert Spezifikatioune kënnen an der Methode Sektioun fonnt ginn.
Figur 6C weist en anert Beispill vun engem unidirektionalen gewéckelte Blat aus engem eenzegen AMF a Kotenggarn.D'Blat kann ëm 45% an der Fläch ausdehnen (bei 1,2 MPa) oder kreesfërmeg Bewegung ënner Drock verursaachen.Mir hunn och e Blat agebaut fir eng Ënneraarm Kompressiounshülse ze kreéieren andeems se magnetesch Bänner um Enn vum Blat befestigen.En anere Prototyp Ënneraarmkompressiounshülse gëtt an der Figur 6D gewisen, an där unidirektional geflechte Blieder aus Typ M AMF gemaach goufen (kuckt Methoden) an Acrylgarnen fir méi staark Kompressiounskräften ze generéieren.Mir hunn d'Enn vun de Blieder mat Velcro-Bänner ausgestatt fir einfach Befestigung a fir verschidden Handgréissten.
D'Behënnerungstechnik, déi linear Verlängerung an d'Biegebewegung konvertéiert, ass och applicabel fir bidirektional gewéckelt Blieder.Mir wéckelen d'Kottengfäegkeeten op enger Säit vum Warp a weft gewéckelt Blieder, sou datt se net erweideren (Fig. 7A).Also, wann zwee AMFs hydraulesch Drock onofhängeg vun all aner kréien, mécht de Blat eng bi-directional Béie Bewegung fir eng arbiträr dreidimensional Struktur ze bilden.An enger anerer Approche benotze mir inextensible Garen fir eng Richtung vu bidirektionalen gewéckelte Blieder ze limitéieren (Figur 7B).Sou kann d'Blat onofhängeg Béie- a Stretchbewegungen maachen, wann déi entspriechend AMF ënner Drock ass.Op Fig.7B weist e Beispill an deem e bidirektional geflecht Blat kontrolléiert gëtt fir zwee Drëttel vun engem mënschleche Fanger mat enger Béiebewegung ëmzebréngen an dann seng Längt ze verlängeren fir de Rescht mat enger Stretchbewegung ze decken.D'Zwee-Wee Bewegung vu Blieder kann nëtzlech sinn fir Moudedesign oder Smart Kleeder Entwécklung.
Bi-Direktiounsgewéckelt Blat, Stréckplack a radiell erweiterbar Designfäegkeeten.(A) Bi-directional gebonnen bi-directional Wicker Panels fir eng bi-directional Béi ze kreéieren.(B) Unidirektional ageschränkt bidirektional Wickerplacke produzéieren Flex an Verlängerung.(C) Héich elastesch gestréckte Blat, déi mat verschiddene Uewerflächekrümmung konform kann a souguer tubulär Strukturen bilden.(D) Ofgrenzung vun der Mëttellinn vun enger radial erweiderter Struktur déi eng hyperbolesch parabolesch Form (Kartoffelchips) bilden.
Mir hunn zwee benodeeleg Schleifen vun der ieweschter an der ënneschter Reihen vum gestréckten Deel mat Nähgewënn verbonnen, sou datt et net entfalen (Fig. 7C).Also ass de gewéckelte Blat voll flexibel an passt sech gutt un verschidden Uewerflächekéiren un, sou wéi d'Hautoberfläche vu mënschlechen Hänn a Waffen.Mir hunn och eng tubulär Struktur (Hülse) erstallt andeems d'Enn vum gestréckten Deel an d'Richtung vun der Rees verbënnt.D'Hülse wéckelt gutt ëm den Zeigefanger vun der Persoun (Fig. 7C).D'Sinuositéit vum gewéckelte Stoff bitt exzellente Fit an Verformbarkeet, sou datt et einfach ass ze benotzen a Smart Wear (Handschuesch, Kompressiounsmouwen), Komfort (duerch Fit) an therapeutesch Effekt (duerch Kompressioun).
Zousätzlech zu 2D radial Expansioun a verschidde Richtungen, kreesfërmeg gewéckelt Blieder kënnen och programméiert ginn fir 3D Strukturen ze bilden.Mir limitéiert d'Mëttlinn vun der Ronn Braid mat Acrylgarn fir seng eenheetlech radial Expansioun ze stéieren.Als Resultat gouf déi ursprénglech flaach Form vun der Ronn gewéckelt Blat an eng hyperbolesch parabolesch Form (oder Kartoffelchips) no der Drockung transforméiert (Fig. 7D).Dës Formverännerungsfäegkeet kéint als Liftmechanismus, eng optesch Lens, mobil Roboterbeen ëmgesat ginn oder kéint nëtzlech sinn am Moudedesign a bionesche Roboter.
Mir hunn eng einfach Technik entwéckelt fir flexural Drive ze kreéieren andeems AMF op e Sträif vun net-stretch Stoff gekollt gëtt (Figur 3).Mir benotzen dëst Konzept fir programméierbar Threads ze kreéieren wou mir strategesch multiple aktive a passive Sektiounen an engem AMF kënne verdeelen fir gewënschte Formen ze kreéieren.Mir fabrizéiert a programméiert véier aktive Filamenter, déi hir Form vu riichtaus op Bréif änneren kënnen (UNSW) wéi den Drock erhéicht gouf (Ergänzungsbild S4).Dës einfach Method erlaabt d'Verformbarkeet vum AMF fir 1D Linnen an 2D Formen an eventuell souguer 3D Strukturen ze maachen.
An enger ähnlecher Approche hu mir eng eenzeg AMF benotzt fir e Stéck passive normale Tissue an en aktiven Tetrapod ze konfiguréieren (Fig. 8A).Routing- a Programméierungskonzepter sinn ähnlech wéi déi an der Figur 3C gewisen.Wéi och ëmmer, amplaz vu rechteckege Blieder, hunn se ugefaang Stoffer mat engem quadrupedal Muster (Schildkröt, Koteng Muslin) ze benotzen.Dofir sinn d'Been méi laang an d'Struktur kann méi héich erhéicht ginn.D'Héicht vun der Struktur klëmmt graduell ënner Drock bis seng Been senkrecht zum Buedem sinn.Wann den Inletdruck weider eropgeet, wäerten d'Been no bannen hänken, d'Héicht vun der Struktur erofsetzen.Tetrapods kënne Bewegung ausféieren wann hir Been mat unidirektionalen Mustere ausgestatt sinn oder verschidde AMFs mat Bewegungsmanipulatiounsstrategien benotzen.Soft Lokomotiounsroboter si fir eng Vielfalt vun Aufgaben gebraucht, dorënner Rettung vu Bëschbränn, zesummegebrach Gebaier oder geféierlech Ëmfeld, a medizinesche Medikament Liwwerungsroboter.
De Stoff gëtt nei konfiguréiert fir Formverännerungsstrukturen ze kreéieren.(A) Kleeblatt den AMF op d'Grenz vum passive Stoffplack, dréit et an eng steierbar véierbeen Struktur.(BD) Zwee aner Beispiller vun der Tissuekonfiguratioun, déi passiv Päiperleken a Blummen an aktiv verwandelen.Net-Stretch Stoff: Einfach Kotteng Muslin.
Mir profitéieren och vun der Einfachheet an der Villsäitegkeet vun dëser Tissu-Rekonfiguratiounstechnik andeems mir zwee zousätzlech bioinspiréiert Strukture fir d'Reformatioun aféieren (Figuren 8B-D).Mat engem routablen AMF ginn dës form-deforméierbar Strukture vu Blieder vu passive Tissue op aktiv a steierbar Strukturen nei konfiguréiert.Inspiréiert vum Monarch Päiperlek, hu mir eng transforméiert Schmetterlingsstruktur gemaach mat engem Stéck Päiperlek-fërmege Stoff (Kotteng Muslin) an e laangt Stéck AMF ënner senge Flilleken.Wann den AMF ënner Drock ass, klappen d'Flilleken op.Wéi de Monarch Päiperlek, klappen dem Päiperlek Roboter seng lénks a riets Flilleken déiselwecht Manéier well se allebéid vum AMF kontrolléiert ginn.Schmetterlingsklappe sinn nëmme fir Affichagezwecker.Et kann net fléien wéi Smart Bird (Festo Corp., USA).Mir hunn och eng Stoffblumm gemaach (Figure 8D) besteet aus zwee Schichten vu fënnef Bléieblieder.Mir hunn den AMF ënnert all Schicht no der äusseren Rand vun de Bléieblieder geluecht.Am Ufank sinn d'Blummen a voller Bléi, mat all Bléieblieder ganz op.Ënnert Drock verursaacht d'AMF eng Béiebewegung vun de Bléieblieder, sou datt se zoumaachen.Déi zwee AMFs kontrolléieren onofhängeg d'Bewegung vun den zwou Schichten, während déi fënnef Bléieblieder vun enger Schicht zur selwechter Zäit flexéieren.
Post Zäit: Dez-26-2022