Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Dessutom, för att säkerställa löpande support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Visar en karusell med tre bilder samtidigt.Använd knapparna Föregående och Nästa för att gå igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutknapparna i slutet för att gå igenom tre bilder åt gången.
Att kombinera textilier och konstgjorda muskler för att skapa smarta textilier väcker mycket uppmärksamhet från både vetenskap och industri.Smarta textilier erbjuder många fördelar, inklusive adaptiv komfort och en hög grad av överensstämmelse med föremål samtidigt som den ger aktiv aktivering för önskad rörelse och styrka.Den här artikeln presenterar en ny klass av programmerbara smarta tyger gjorda med olika metoder för att väva, väva och limma vätskedrivna konstgjorda muskelfibrer.En matematisk modell utvecklades för att beskriva förhållandet mellan töjningskraften hos stickade och vävda textilark, och sedan testades dess giltighet experimentellt.Den nya "smarta" textilen har hög flexibilitet, konformitet och mekanisk programmering, vilket möjliggör multimodala rörelse- och deformationsmöjligheter för ett bredare spektrum av applikationer.Olika smarta textilprototyper har skapats genom experimentell verifiering, inklusive olika formändringsfall såsom förlängning (upp till 65%), areautvidgning (108%), radiell expansion (25%) och böjningsrörelse.Konceptet med omkonfigurering av passiva traditionella vävnader till aktiva strukturer för biomimetiska formningsstrukturer undersöks också.De föreslagna smarta textilierna förväntas underlätta utvecklingen av smarta bärbara produkter, haptiska system, biomimetiska mjuka robotar och bärbar elektronik.
Stela robotar är effektiva när de arbetar i strukturerade miljöer, men har problem med den okända kontexten av förändrade miljöer, vilket begränsar deras användning i sökning eller utforskning.Naturen fortsätter att överraska oss med många uppfinningsrika strategier för att hantera externa faktorer och mångfald.Till exempel utför rankorna på klätterväxter multimodala rörelser, såsom böjning och spiral, för att utforska en okänd miljö på jakt efter ett lämpligt stöd1.Venusflugfällan (Dionaea muscipula) har känsliga hårstrån på sina blad som, när den utlöses, snäpper på plats för att fånga byten2.På senare år har deformation eller deformation av kroppar från tvådimensionella (2D) ytor till tredimensionella (3D) former som efterliknar biologiska strukturer blivit ett intressant forskningsämne3,4.Dessa mjuka robotkonfigurationer ändrar form för att anpassa sig till föränderliga miljöer, möjliggöra multimodal förflyttning och applicera krafter för att utföra mekaniskt arbete.Deras räckvidd har sträckt sig till ett brett utbud av robotapplikationer, inklusive deployables5, omkonfigurerbara och självvikbara robotar6,7, biomedicinska apparater8, fordon9,10 och expanderbar elektronik11.
Mycket forskning har gjorts för att utveckla programmerbara platta plattor som, när de aktiveras, omvandlas till komplexa tredimensionella strukturer3.En enkel idé för att skapa deformerbara strukturer är att kombinera lager av olika material som böjer sig och skrynklar sig när de utsätts för stimuli12,13.Janbaz et al.14 och Li et al.15 har implementerat detta koncept för att skapa värmekänsliga multimodala deformerbara robotar.Origami-baserade strukturer som innehåller stimuluskänsliga element har använts för att skapa komplexa tredimensionella strukturer16,17,18.Inspirerad av morfogenesen av biologiska strukturer, Emmanuel et al.Formdeformerbara elastomerer skapas genom att organisera luftkanaler i en gummiyta som under tryck omvandlas till komplexa, godtyckliga tredimensionella former.
Integreringen av textilier eller tyger i deformerbara mjuka robotar är ett annat nytt konceptprojekt som har skapat stort intresse.Textilier är mjuka och elastiska material gjorda av garn genom vävtekniker som stickning, vävning, flätning eller knutvävning.Tygens fantastiska egenskaper, inklusive flexibilitet, passform, elasticitet och andningsförmåga, gör dem mycket populära i allt från kläder till medicinska tillämpningar20.Det finns tre breda tillvägagångssätt för att integrera textilier i robotteknik21.Det första tillvägagångssättet är att använda textilen som ett passivt underlag eller bas för andra komponenter.I det här fallet ger passiva textilier en bekväm passform för användaren när den bär stela komponenter (motorer, sensorer, strömförsörjning).De flesta mjuka bärbara robotar eller mjuka exoskelett faller under detta tillvägagångssätt.Till exempel mjuka bärbara exoskelett för gånghjälpmedel 22 och armbågshjälpmedel 23, 24, 25, mjuka bärbara handskar 26 för hand- och fingerhjälpmedel och bioniska mjuka robotar 27.
Den andra metoden är att använda textilier som passiva och begränsade komponenter i mjuka robotenheter.Textilbaserade manöverdon faller inom denna kategori, där tyget vanligtvis är konstruerat som en yttre behållare för att innehålla den inre slangen eller kammaren, som bildar ett mjukfiberförstärkt manöverdon.När de utsätts för en extern pneumatisk eller hydraulisk källa, genomgår dessa mjuka ställdon förändringar i form, inklusive förlängning, böjning eller vridning, beroende på deras ursprungliga sammansättning och konfiguration.Till exempel, Talman et al.Ortopediska fotledskläder, bestående av en serie tygfickor, har introducerats för att underlätta plantarflexion för att återställa gångstilen28.Textilskikt med olika töjbarhet kan kombineras för att skapa anisotrop rörelse 29 .OmniSkins – mjuka robotskinn gjorda av en mängd olika mjuka ställdon och substratmaterial kan förvandla passiva föremål till multifunktionella aktiva robotar som kan utföra multimodala rörelser och deformationer för olika applikationer.Zhu et al.har utvecklat ett flytande vävnadsmuskelark31 som kan generera förlängning, böjning och olika deformationsrörelser.Buckner et al.Integrera funktionella fibrer i konventionella vävnader för att skapa robotvävnad med flera funktioner som aktivering, avkänning och variabel styvhet32.Andra metoder i denna kategori finns i dessa tidningar 21, 33, 34, 35.
En ny metod för att utnyttja de överlägsna egenskaperna hos textilier inom området mjuk robotik är att använda reaktiva eller stimuluskänsliga filament för att skapa smarta textilier med traditionella textiltillverkningsmetoder som vävning, stickning och vävningsmetoder21,36,37.Beroende på materialets sammansättning orsakar reaktivt garn en formförändring när det utsätts för elektrisk, termisk eller tryckpåverkan, vilket leder till deformation av tyget.I detta tillvägagångssätt, där traditionella textilier integreras i ett mjukt robotsystem, sker omformningen av textilen på det inre lagret (garnet) snarare än det yttre lagret.Som sådan erbjuder smarta textilier utmärkt hantering när det gäller multimodal rörelse, programmerbar deformation, töjbarhet och förmågan att justera styvheten.Till exempel kan formminneslegeringar (SMA) och formminnespolymerer (SMP) inkorporeras i tyger för att aktivt kontrollera deras form genom termisk stimulering, såsom fållning38, skrynkelborttagning36,39, taktil och taktil återkoppling40,41, såväl som adaptiv bärbara kläder.anordningar 42 .Användningen av termisk energi för uppvärmning och kylning resulterar dock i långsam respons och svår kylning och kontroll.På senare tid har Hiramitsu et al.McKibbens fina muskler43,44, pneumatiska konstgjorda muskler, används som varpgarn för att skapa olika former av aktiva textilier genom att förändra vävstrukturen45.Även om detta tillvägagångssätt ger höga krafter, på grund av McKibben-muskelns natur, är dess expansionshastighet begränsad (< 50 %) och liten storlek kan inte uppnås (diameter < 0,9 mm).Dessutom har det varit svårt att forma smarta textila mönster av vävmetoder som kräver skarpa hörn.För att bilda ett bredare utbud av smarta textilier, har Maziz et al.Elektroaktiva bärbara textilier har utvecklats genom att sticka och väva elektrokänsliga polymertrådar46.
Under de senaste åren har en ny typ av värmekänslig konstgjord muskel dykt upp, konstruerad av mycket tvinnade, billiga polymerfibrer47,48.Dessa fibrer är kommersiellt tillgängliga och är lätta att införliva i vävning eller vävning för att producera prisvärda smarta kläder.Trots framstegen har dessa nya värmekänsliga textilier begränsade svarstider på grund av behovet av uppvärmning och kylning (t.ex. temperaturkontrollerade textilier) eller svårigheten att göra komplexa stickade och vävda mönster som kan programmeras för att generera de önskade deformationerna och rörelserna .Exempel inkluderar radiell expansion, 2D till 3D formtransformation eller dubbelriktad expansion, som vi erbjuder här.
För att övervinna dessa ovannämnda problem presenterar den här artikeln en ny vätskedriven smart textil gjord av våra nyligen introducerade mjuka konstgjorda muskelfibrer (AMF)49,50,51.AMF:er är mycket flexibla, skalbara och kan reduceras till en diameter på 0,8 mm och stora längder (minst 5000 mm), och erbjuder ett högt bildförhållande (längd till diameter) samt hög töjning (minst 245 %), hög energi effektivitet, mindre än 20Hz snabb respons).För att skapa smarta textilier använder vi AMF som ett aktivt garn för att bilda 2D aktiva muskellager genom stick- och vävtekniker.Vi har kvantitativt studerat expansionshastigheten och kontraktionskraften hos dessa "smarta" vävnader i termer av vätskevolym och levererat tryck.Analytiska modeller har utvecklats för att fastställa töjningskraftsförhållandet för stickade och vävda ark.Vi beskriver också flera mekaniska programmeringstekniker för smarta textilier för multimodal rörelse, inklusive dubbelriktad förlängning, böjning, radiell expansion och möjligheten att övergå från 2D till 3D.För att visa styrkan i vårt tillvägagångssätt kommer vi också att integrera AMF i kommersiella tyger eller textilier för att ändra deras konfiguration från passiva till aktiva strukturer som orsakar olika deformationer.Vi har också demonstrerat detta koncept på flera experimentella testbänkar, inklusive programmerbar böjning av trådar för att producera önskade bokstäver och formskiftande biologiska strukturer till formen av föremål som fjärilar, fyrfotade strukturer och blommor.
Textilier är flexibla tvådimensionella strukturer bildade av sammanvävda endimensionella trådar som garn, trådar och fibrer.Textil är en av mänsklighetens äldsta teknologier och används flitigt i alla aspekter av livet på grund av dess komfort, anpassningsförmåga, andningsförmåga, estetik och skydd.Smarta textilier (även känd som smarta kläder eller robottyger) används i allt större utsträckning i forskning på grund av deras stora potential i robotapplikationer20,52.Smarta textilier lovar att förbättra den mänskliga upplevelsen av att interagera med mjuka föremål, vilket inleder ett paradigmskifte inom området där rörelsen och krafterna hos tunt, flexibelt tyg kan kontrolleras för att utföra specifika uppgifter.I den här artikeln utforskar vi två tillvägagångssätt för produktion av smarta textilier baserade på vår senaste AMF49: (1) använd AMF som ett aktivt garn för att skapa smarta textilier med hjälp av traditionella textiltillverkningstekniker;(2) sätt in AMF direkt i traditionella tyger för att stimulera önskad rörelse och deformation.
AMF består av ett inre silikonrör för att leverera hydraulisk kraft och en extern spiralformad spole för att begränsa dess radiella expansion.Således förlängs AMF:er i längdriktningen när tryck appliceras och uppvisar därefter kontraktila krafter för att återgå till sin ursprungliga längd när trycket släpps.De har egenskaper som liknar traditionella fibrer, inklusive flexibilitet, liten diameter och lång längd.AMF är dock mer aktiv och kontrollerad vad gäller rörelse och styrka än sina konventionella motsvarigheter.Inspirerad av de senaste snabba framstegen inom smarta textilier, presenterar vi här fyra stora tillvägagångssätt för att producera smarta textilier genom att tillämpa AMF på en sedan länge etablerad tygtillverkningsteknik (Figur 1).
Det första sättet är vävning.Vi använder väftstickningsteknik för att producera ett reaktivt stickat tyg som vecklas ut i en riktning när det aktiveras hydrauliskt.Stickade lakan är mycket stretchiga och töjbara men tenderar att rivas upp lättare än vävda lakan.Beroende på kontrollmetod kan AMF bilda enskilda rader eller kompletta produkter.Förutom platta ark är rörformiga stickmönster också lämpliga för tillverkning av AMF ihåliga strukturer.Den andra metoden är vävning, där vi använder två AMF:er som varp och inslag för att bilda ett rektangulärt vävt ark som kan expandera oberoende i två riktningar.Vävda lakan ger mer kontroll (i båda riktningarna) än stickade lakan.Vi vävde även AMF från traditionellt garn för att göra ett enklare vävt ark som bara kan lindas upp i en riktning.Den tredje metoden – radiell expansion – är en variant av vävtekniken, där AMPs inte är placerade i en rektangel, utan i en spiral, och trådarna ger radiell begränsning.I detta fall expanderar flätan radiellt under inloppstrycket.Ett fjärde tillvägagångssätt är att fästa AMF på ett ark av passivt tyg för att skapa en böjningsrörelse i önskad riktning.Vi har omkonfigurerat det passiva breakout-kortet till ett aktivt breakout-kort genom att köra AMF runt dess kant.Denna programmerbara karaktär av AMF öppnar för otaliga möjligheter för bioinspirerade formomvandlande mjuka strukturer där vi kan förvandla passiva objekt till aktiva.Denna metod är enkel, lätt och snabb, men kan äventyra prototypens livslängd.Läsaren hänvisas till andra tillvägagångssätt i litteraturen som beskriver styrkorna och svagheterna hos varje vävnadsegenskap21,33,34,35.
De flesta trådar eller garn som används för att tillverka traditionella tyger innehåller passiva strukturer.I detta arbete använder vi vår tidigare utvecklade AMF, som kan nå meterlängder och submillimeterdiametrar, för att ersätta traditionella passiva textilgarn med AFM för att skapa intelligenta och aktiva tyger för ett bredare spektrum av applikationer.Följande avsnitt beskriver detaljerade metoder för att göra smarta textila prototyper och presenterar deras huvudsakliga funktioner och beteenden.
Vi handgjorda tre AMF-tröjor med väftstickningstekniken (Fig. 2A).Materialval och detaljerade specifikationer för AMF och prototyper finns i avsnittet Metoder.Varje AMF följer en slingrande bana (även kallad en rutt) som bildar en symmetrisk slinga.Slingorna i varje rad är fixerade med öglor av raderna ovanför och under dem.Ringarna i en kolumn vinkelrätt mot banan kombineras till en axel.Vår stickade prototyp består av tre rader med sju maskor (eller sju maskor) i varje rad.Topp- och bottenringarna är inte fixerade, så vi kan fästa dem på motsvarande metallstavar.Stickade prototyper nystas upp lättare än konventionella stickade tyger på grund av den högre styvheten hos AMF jämfört med konventionella garner.Därför band vi öglorna i intilliggande rader med tunna elastiska snören.
Olika smarta textilprototyper implementeras med olika AMF-konfigurationer.(A) Stickat ark tillverkat av tre AMF.(B) Dubbelriktad vävd plåt av två AMF.(C) Ett enkelriktat vävt ark tillverkat av AMF och akrylgarn kan bära en belastning på 500 g, vilket är 192 gånger dess vikt (2,6 g).(D) Radiellt expanderande struktur med en AMF och bomullsgarn som radiell begränsning.Detaljerade specifikationer finns i avsnittet Metoder.
Även om sicksacköglorna på en sticka kan sträcka sig i olika riktningar, expanderar vår prototypsticka främst i öglans riktning under tryck på grund av begränsningar i färdriktningen.Förlängningen av varje AMF bidrar till expansionen av det stickade arkets totala yta.Beroende på specifika krav kan vi styra tre AMF:er oberoende från tre olika vätskekällor (Figur 2A) eller samtidigt från en vätskekälla via en 1-till-3 vätskefördelare.På fig.2A visar ett exempel på en stickad prototyp, vars initiala yta ökade med 35% medan man applicerade tryck på tre AMP (1,2 MPa).Noterbart är att AMF uppnår en hög töjning på minst 250 % av sin ursprungliga längd49 så stickade ark kan sträcka sig ännu mer än nuvarande versioner.
Vi skapade också dubbelriktade vävark bildade av två AMF: er med hjälp av slätvävstekniken (Figur 2B).AMF-varp och inslag är sammanflätade i räta vinklar och bildar ett enkelt kors och tvärs mönster.Vår prototypväv klassificerades som en balanserad slätväv eftersom både varp- och inslagsgarnen gjordes av samma garnstorlek (se avsnittet Metoder för detaljer).Till skillnad från vanliga trådar som kan bilda skarpa veck kräver den applicerade AMF en viss böjningsradie när man återgår till en annan tråd av vävmönstret.Därför har vävda ark tillverkade av AMP en lägre densitet jämfört med konventionella vävda textilier.AMF-typ S (ytterdiameter 1,49 mm) har en minsta böjradie på 1,5 mm.Till exempel har prototypväven vi presenterar i den här artikeln ett 7×7 trådmönster där varje korsning stabiliseras med en knut av tunn elastisk snöre.Med samma vävteknik kan du få fler trådar.
När motsvarande AMF mottar vätsketryck, expanderar det vävda arket sitt område i varp- eller väftriktningen.Därför kontrollerade vi dimensionerna på det flätade arket (längd och bredd) genom att oberoende ändra mängden inloppstryck som applicerades på de två förstärkarna.På fig.2B visar en vävd prototyp som expanderade till 44 % av sin ursprungliga yta samtidigt som man applicerade tryck på en AMP (1,3 MPa).Med den samtidiga verkan av tryck på två AMF ökade arean med 108 %.
Vi gjorde också ett enkelriktat vävt ark från en enda AMF med varp och akrylgarn som väft (Figur 2C).AMF:erna är ordnade i sju sicksackrader och trådarna väver samman dessa rader av AMF för att bilda ett rektangulärt tygark.Denna vävda prototyp var tätare än i fig. 2B, tack vare mjuka akryltrådar som lätt fyllde hela arket.Eftersom vi bara använder en AMF som varpen kan det vävda arket bara expandera mot varpen under tryck.Figur 2C visar ett exempel på en vävd prototyp vars initiala yta ökar med 65 % med ökande tryck (1,3 MPa).Dessutom kan denna flätade bit (som väger 2,6 gram) lyfta en belastning på 500 gram, vilket är 192 gånger dess massa.
Istället för att arrangera AMF i ett sicksackmönster för att skapa ett rektangulärt vävt ark, tillverkade vi en platt spiralform av AMF, som sedan var radiellt begränsad med bomullsgarn för att skapa ett runt vävt ark (Figur 2D).Den höga styvheten hos AMF begränsar dess fyllning av den mycket centrala delen av plattan.Emellertid kan denna stoppning tillverkas av elastiska garn eller elastiska tyger.Vid mottagande av hydraultryck omvandlar AMP sin längsgående förlängning till en radiell expansion av plåten.Det är också värt att notera att både den yttre och inre diametern hos spiralformen ökas på grund av den radiella begränsningen av filamenten.Figur 2D visar att med ett pålagt hydrauliskt tryck på 1 MPa expanderar formen av en rund plåt till 25 % av dess ursprungliga yta.
Vi presenterar här ett andra tillvägagångssätt för att göra smarta textilier där vi limmar en AMF på ett platt tygstycke och omkonfigurerar det från en passiv till en aktivt kontrollerad struktur.Konstruktionsdiagrammet för bockningsdrivningen visas i fig.3A, där AMP viks ner i mitten och limmas på en remsa av outtöjbart tyg (bomullsmuslintyg) med dubbelhäftande tejp som lim.När den väl är förseglad är toppen av AMF fri att sträcka sig, medan botten begränsas av tejpen och tyget, vilket får remsan att böjas mot tyget.Vi kan avaktivera vilken del av böjaktuatorn som helst genom att helt enkelt klistra en tejpremsa på den.Ett avaktiverat segment kan inte röra sig och blir ett passivt segment.
Tyger omkonfigureras genom att limma AMF på traditionella tyger.(A) Designkoncept för en bockningsenhet gjord genom att limma en vikt AMF på ett outtöjbart tyg.(B) Böjning av ställdonsprototypen.(C) Omkonfigurering av en rektangulär duk till en aktiv fyrbensrobot.Oelastiskt tyg: bomullsjersey.Stretchtyg: polyester.Detaljerade specifikationer finns i avsnittet Metoder.
Vi gjorde flera prototypböjningsställdon av olika längder och trycksatte dem med hydraulik för att skapa en böjningsrörelse (Figur 3B).Viktigt är att AMF kan läggas ut i en rak linje eller vikas för att bilda flera trådar och sedan limmas på tyget för att skapa en bockningsenhet med lämpligt antal trådar.Vi omvandlade också det passiva vävnadsarket till en aktiv tetrapodstruktur (Figur 3C), där vi använde AMF för att dirigera gränserna för en rektangulär outtöjbar vävnad (bomullsmuslintyg).AMP fästs på tyget med en bit dubbelhäftande tejp.Mitten av varje kant är tejpad för att bli passiv, medan de fyra hörnen förblir aktiva.Toppöverdrag i stretchtyg (polyester) är valfritt.Tygets fyra hörn böjs (ser ut som ben) när de trycks ned.
Vi byggde en testbänk för att kvantitativt studera egenskaperna hos de utvecklade smarta textilierna (se avsnittet Metoder och kompletterande figur S1).Eftersom alla prover var gjorda av AMF, överensstämmer den allmänna trenden för experimentresultaten (Fig. 4) med AMFs huvudegenskaper, nämligen inloppstrycket är direkt proportionellt mot utloppets förlängning och omvänt proportionellt mot kompressionskraften.Dessa smarta tyger har dock unika egenskaper som speglar deras specifika konfigurationer.
Har smarta textilkonfigurationer.(A, B) Hystereskurvor för inloppstryck och utloppsförlängning och kraft för vävda ark.(C) Utvidgning av det vävda arkets yta.(D,E) Samband mellan ingångstryck och utgående töjning och kraft för stickat.(F) Areautvidgning av radiellt expanderande strukturer.(G) Böjvinklar för tre olika längder av bockningsenheter.
Varje AMF i det vävda arket utsattes för ett inloppstryck av 1 MPa för att generera ungefär 30 % töjning (fig. 4A).Vi valde denna tröskel för hela experimentet av flera skäl: (1) för att skapa en betydande förlängning (ungefär 30%) för att betona deras hystereskurvor, (2) för att förhindra cykling från olika experiment och återanvändbara prototyper som resulterar i oavsiktlig skada eller misslyckande..under högt vätsketryck.Den döda zonen är tydligt synlig och flätan förblir orörlig tills inloppstrycket når 0,3 MPa.Tryckförlängningshysteresdiagrammet visar ett stort gap mellan pumpnings- och frigöringsfaserna, vilket indikerar att det finns en betydande förlust av energi när det vävda arket ändrar sin rörelse från expansion till sammandragning.(Fig. 4A).Efter att ha erhållit ett inloppstryck på 1 MPa kunde det vävda arket utöva en kontraktionskraft på 5,6 N (fig. 4B).Tryck-kraft-hysteresdiagrammet visar också att återställningskurvan nästan överlappar tryckuppbyggnadskurvan.Ytutvidgningen av det vävda arket berodde på mängden tryck som applicerades på var och en av de två AMF:erna, som visas i 3D-ytan (Figur 4C).Experiment visar också att ett vävt ark kan ge en areautvidgning på 66 % när dess varp- och väft-AMF samtidigt utsätts för ett hydrauliskt tryck på 1 MPa.
De experimentella resultaten för det stickade arket visar ett liknande mönster som det vävda arket, inklusive ett brett hysteresgap i spännings-tryckdiagrammet och överlappande tryck-kraftkurvor.Det stickade arket visade en töjning på 30 %, varefter kompressionskraften var 9 N vid ett inloppstryck av 1 MPa (Fig. 4D, E).
I fallet med ett rundvävt ark ökade dess initiala yta med 25 % jämfört med den initiala ytan efter exponering för ett vätsketryck på 1 MPa (fig. 4F).Innan provet börjar expandera finns det en stor inloppstryckdödzon upp till 0,7 MPa.Denna stora döda zon förväntades eftersom proverna gjordes från större AMF som krävde högre tryck för att övervinna sin initiala spänning.På fig.4F visar också att utlösningskurvan nästan sammanfaller med tryckökningskurvan, vilket indikerar liten energiförlust när skivans rörelse växlas.
Experimentella resultat för de tre böjningsställdonen (vävnadsrekonfiguration) visar att deras hystereskurvor har ett liknande mönster (Figur 4G), där de upplever en inloppstryckdödzon på upp till 0,2 MPa innan de lyfts.Vi applicerade samma volym vätska (0,035 ml) på tre bockningsenheter (L20, L30 och L50 mm).Varje ställdon upplevde dock olika trycktoppar och utvecklade olika böjningsvinklar.Ställdonen L20 och L30 mm upplevde ett inloppstryck på 0,72 och 0,67 MPa, och nådde böjningsvinklar på 167° respektive 194°.Den längsta bockdrivningen (längd 50 mm) klarade ett tryck på 0,61 MPa och nådde en maximal bockningsvinkel på 236°.Tryckvinkelhysteresdiagrammen avslöjade också relativt stora gap mellan trycksättnings- och frigöringskurvorna för alla tre böjningsdrivenheterna.
Förhållandet mellan ingångsvolym och utgångsegenskaper (töjning, kraft, areaexpansion, böjningsvinkel) för ovanstående smarta textilkonfigurationer kan hittas i tilläggsfigur S2.
De experimentella resultaten i föregående avsnitt visar tydligt det proportionella förhållandet mellan applicerat inloppstryck och utloppsförlängning av AMF-prover.Ju starkare AMB är ansträngd, desto större töjning utvecklar den och desto mer elastisk energi ackumuleras.Därför, ju större tryckkraft den utövar.Resultaten visade också att proverna nådde sin maximala kompressionskraft när inloppstrycket var helt avlägsnat.Detta avsnitt syftar till att etablera ett direkt samband mellan förlängning och maximal krympkraft hos stickade och vävda ark genom analytisk modellering och experimentell verifiering.
Den maximala kontraktila kraften Fout (vid inloppstrycket P = 0) för en enda AMF gavs i ref 49 och återinfördes enligt följande:
Bland dem är α, E och A0 töjningsfaktorn, Youngs modul och tvärsnittsarea för silikonröret;k är styvhetskoefficienten för spiralspolen;x och li är offset och initial längd.AMP, respektive.
rätt ekvation.(1) Ta stickade och vävda ark som ett exempel (fig. 5A, B).Krympkrafterna för den stickade produkten Fkv och den vävda produkten Fwh uttrycks med ekvation (2) respektive (3).
där mk är antalet öglor, φp är öglevinkeln för det stickade tyget under injektion (fig. 5A), mh är antalet trådar, θhp är ingreppsvinkeln för det stickade tyget under injektion (fig. 5B), εkv εwh är det stickade arket och deformationen av det vävda arket, F0 är spiralspolens initiala spänning.Detaljerad härledning av ekvationen.(2) och (3) finns i stödinformationen.
Skapa en analytisk modell för förhållandet förlängning-kraft.(A,B) Analytiska modellillustrationer för stickade respektive vävda ark.(C,D) Jämförelse av analytiska modeller och experimentella data för stickade och vävda ark.RMSE Root mean square error.
För att testa den utvecklade modellen utförde vi förlängningsexperiment med de stickade mönstren i Fig. 2A och flätade prover i Fig. 2B.Sammandragningskraften mättes i steg om 5 % för varje låst förlängning från 0 % till 50 %.Medelvärdet och standardavvikelsen för de fem försöken presenteras i figur 5C (stickad) och figur 5D (stickad).Den analytiska modellens kurvor beskrivs med ekvationer.Parametrarna (2) och (3) ges i tabell.1. Resultaten visar att den analytiska modellen stämmer väl överens med experimentella data över hela töjningsområdet med ett root mean square error (RMSE) på 0,34 N för stickat, 0,21 N för vävt AMF H (horisontell riktning) och 0,17 N för vävd AMF.V (vertikal riktning).
Utöver de grundläggande rörelserna kan de föreslagna smarta textilierna programmeras mekaniskt för att ge mer komplexa rörelser som S-böjning, radiell sammandragning och 2D till 3D-deformation.Vi presenterar här flera metoder för att programmera platta smarta textilier till önskade strukturer.
Förutom att expandera domänen i linjär riktning, kan enkelriktade vävda ark programmeras mekaniskt för att skapa multimodal rörelse (Fig. 6A).Vi konfigurerar om förlängningen av det flätade arket som en böjningsrörelse, vilket begränsar en av dess ytor (topp eller botten) med sytråd.Arken tenderar att böjas mot begränsningsytan under tryck.På fig.6A visar två exempel på vävda paneler som blir S-formade när ena halvan är trång på ovansidan och den andra halvan är trång på undersidan.Alternativt kan du skapa en cirkulär böjningsrörelse där bara hela ansiktet är begränsat.Ett enkelriktat flätat ark kan också göras till en kompressionshylsa genom att förbinda dess två ändar till en rörformig struktur (fig. 6B).Ärmen bärs över en persons pekfinger för att ge kompression, en form av massageterapi för att lindra smärta eller förbättra cirkulationen.Den kan skalas för att passa andra kroppsdelar som armar, höfter och ben.
Möjlighet att väva ark i en riktning.(A) Skapande av deformerbara strukturer på grund av programmerbarheten av formen på sytrådar.(B) Fingerkompressionshylsa.(C) En annan version av det flätade arket och dess implementering som en underarmskompressionshylsa.(D) En annan kompressionshylsa prototyp gjord av AMF typ M, akrylgarn och kardborreband.Detaljerade specifikationer finns i avsnittet Metoder.
Figur 6C visar ett annat exempel på ett enkelriktat vävt ark tillverkat av en enda AMF och bomullsgarn.Arket kan expandera med 45 % i area (vid 1,2 MPa) eller orsaka cirkulär rörelse under tryck.Vi har också införlivat ett ark för att skapa en underarmskompressionshylsa genom att fästa magnetiska remmar i änden av arket.En annan prototyp av underarmskompressionshylsa visas i fig. 6D, i vilken enkelriktade flätade ark tillverkades av typ M AMF (se Metoder) och akrylgarn för att generera starkare kompressionskrafter.Vi har utrustat ändarna på lakanen med kardborreband för enkel fastsättning och för olika handstorlekar.
Fasthållningstekniken, som omvandlar linjär utsträckning till böjningsrörelse, är även tillämpbar på dubbelriktade vävda ark.Vi väver bomullstrådarna på ena sidan av varpen och väver vävda ark så att de inte expanderar (Fig. 7A).Sålunda, när två AMF:er mottar hydrauliskt tryck oberoende av varandra, genomgår arket en dubbelriktad böjningsrörelse för att bilda en godtycklig tredimensionell struktur.I ett annat tillvägagångssätt använder vi outtöjbara garn för att begränsa en riktning av dubbelriktade vävda ark (Figur 7B).Således kan arket göra oberoende böjnings- och sträckrörelser när motsvarande AMF är under tryck.På fig.7B visar ett exempel i vilket ett dubbelriktat flätat ark styrs för att linda runt två tredjedelar av ett mänskligt finger med en böjningsrörelse och sedan förlänga sin längd för att täcka resten med en sträckande rörelse.Tvåvägsrörelsen av lakan kan vara användbar för modedesign eller smart klädutveckling.
Dubbelriktad vävd plåt, stickad plåt och radiellt expanderbara designmöjligheter.(A) Dubbelriktade bundna dubbelriktade flätade paneler för att skapa en dubbelriktad böj.(B) Enkelriktat begränsade dubbelriktade flätade paneler producerar böjning och töjning.(C) Mycket elastiskt stickat ark, som kan anpassa sig till olika ytkrökningar och till och med bilda rörformiga strukturer.(D) avgränsning av mittlinjen för en radiellt expanderande struktur som bildar en hyperbolisk parabolisk form (potatischips).
Vi kopplade två intilliggande öglor av den övre och nedre raden av den stickade delen med sytråd så att den inte skulle rivas upp (fig. 7C).Således är det vävda arket helt flexibelt och anpassar sig väl till olika ytkurvor, såsom hudytan på mänskliga händer och armar.Vi skapade också en rörformad struktur (ärm) genom att koppla ihop ändarna på den stickade delen i färdriktningen.Hylsan sveper väl runt personens pekfinger (fig. 7C).Det vävda tygets sinuositet ger utmärkt passform och deformerbarhet, vilket gör det lätt att använda i smart slitage (handskar, kompressionsärmar), ger komfort (genom passform) och terapeutisk effekt (genom kompression).
Förutom 2D radiell expansion i flera riktningar kan cirkulära vävda ark också programmeras för att bilda 3D-strukturer.Vi begränsade den runda flätans mittlinje med akrylgarn för att störa dess enhetliga radiella expansion.Som ett resultat omvandlades den ursprungliga platta formen av det rundvävda arket till en hyperbolisk parabolisk form (eller potatischips) efter trycksättning (fig. 7D).Denna formförändringsförmåga kan implementeras som en lyftmekanism, en optisk lins, mobila robotben, eller kan vara användbar i modedesign och bioniska robotar.
Vi har utvecklat en enkel teknik för att skapa böjmotorer genom att limma AMF på en remsa av icke-stretchtyg (Figur 3).Vi använder detta koncept för att skapa formprogrammerbara trådar där vi strategiskt kan fördela flera aktiva och passiva sektioner i en AMF för att skapa önskade former.Vi tillverkade och programmerade fyra aktiva filament som kunde ändra sin form från rakt till bokstav (UNSW) när trycket ökades (kompletterande Fig. S4).Denna enkla metod tillåter deformerbarheten av AMF för att förvandla 1D-linjer till 2D-former och möjligen även 3D-strukturer.
I ett liknande tillvägagångssätt använde vi en enda AMF för att omkonfigurera en bit av passiv normal vävnad till en aktiv tetrapod (Fig. 8A).Routnings- och programmeringskoncept liknar de som visas i figur 3C.Men istället för rektangulära lakan började de använda tyger med ett fyrfotsmönster (sköldpadda, bomullsmuslin).Därför är benen längre och strukturen kan höjas högre.Strukturens höjd ökar gradvis under tryck tills dess ben är vinkelräta mot marken.Om inloppstrycket fortsätter att stiga kommer benen att sjunka inåt, vilket sänker höjden på strukturen.Tetrapoder kan utföra förflyttning om deras ben är utrustade med enkelriktade mönster eller använder flera AMF med rörelsemanipulationsstrategier.Mjuka förflyttningsrobotar behövs för en mängd olika uppgifter, inklusive räddningar från skogsbränder, kollapsade byggnader eller farliga miljöer, och robotar för medicintillförsel.
Tyget är omkonfigurerat för att skapa formskiftande strukturer.(A) Limma fast AMF på kanten av det passiva tygarket och förvandla det till en styrbar fyrbensstruktur.(BD) Två andra exempel på omkonfiguration av vävnad, att förvandla passiva fjärilar och blommor till aktiva.Icke-stretchtyg: vanligt bomullsmuslin.
Vi drar också fördel av enkelheten och mångsidigheten hos denna vävnadsrekonfigurationsteknik genom att introducera ytterligare två bioinspirerade strukturer för omformning (figur 8B-D).Med en rutbar AMF omkonfigureras dessa formdeformerbara strukturer från ark av passiv vävnad till aktiva och styrbara strukturer.Inspirerad av monarkfjärilen gjorde vi en förvandlande fjärilsstruktur med hjälp av en bit fjärilsformat tyg (bomullsmuslin) och en lång bit AMF fast under vingarna.När AMF är under tryck fälls vingarna upp.Liksom monarkfjärilen flaxar fjärilsrobotens vänstra och högra vingar på samma sätt eftersom de båda styrs av AMF.Fjärilsflikar är endast för visningsändamål.Den kan inte flyga som Smart Bird (Festo Corp., USA).Vi gjorde också en tygblomma (Figur 8D) som består av två lager med fem kronblad vardera.Vi placerade AMF under varje lager efter ytterkanten av kronbladen.Till en början är blommorna i full blom, med alla kronblad helt öppna.Under tryck orsakar AMF en böjningsrörelse av kronbladen, vilket får dem att stängas.De två AMF:erna styr oberoende rörelsen av de två lagren, medan de fem kronbladen i ett lager böjer sig samtidigt.
Posttid: 2022-12-26