Dankon pro vizito de Nature.com.Vi uzas retumilon kun limigita CSS-subteno.Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu Kongruo-Reĝimon en Internet Explorer).Krome, por certigi daŭran subtenon, ni montras la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Montras karuselon de tri diapozitivoj samtempe.Uzu la butonojn Antaŭa kaj Sekva por moviĝi tra tri diapozitivoj samtempe, aŭ uzu la glitilbutonojn ĉe la fino por moviĝi tra tri diapozitivoj samtempe.
Kombini teksaĵojn kaj artefaritajn muskolojn por krei inteligentajn teksaĵojn altiras multe da atento de kaj la sciencaj kaj industriaj komunumoj.Inteligentaj teksaĵoj ofertas multajn avantaĝojn, inkluzive de adapta komforto kaj altan gradon de konformeco al objektoj dum ili provizas aktivan agadon por dezirata movado kaj forto.Ĉi tiu artikolo prezentas novan klason de programeblaj inteligentaj ŝtofoj faritaj per diversaj metodoj de teksado, teksado kaj gluado de fluidaj artefaritaj muskolaj fibroj.Matematika modelo estis evoluigita por priskribi la rilatumon de la plilongiga forto de trikitaj kaj teksitaj tekstiloj, kaj tiam ĝia valideco estis testita eksperimente.La nova "inteligenta" teksaĵo havas altan flekseblecon, konformecon kaj mekanikan programadon, ebligante multmodalajn movadojn kaj deformajn kapablojn por pli larĝa gamo de aplikoj.Diversaj inteligentaj tekstilprototipoj estis kreitaj per eksperimenta konfirmo, inkluzive de diversaj formoŝanĝokazoj kiel ekzemple plilongigo (ĝis 65%), areo vastiĝo (108%), radiala vastiĝo (25%), kaj fleksa moviĝo.La koncepto de reagordo de pasivaj tradiciaj histoj en aktivajn strukturojn por biomimetikaj formaj strukturoj ankaŭ estas esplorita.La proponitaj inteligentaj teksaĵoj estas atenditaj faciligi la evoluon de inteligentaj porteblaj, haptaj sistemoj, biomimetikaj molaj robotoj kaj portebla elektroniko.
Rigidaj robotoj estas efikaj kiam ili laboras en strukturitaj medioj, sed havas problemojn kun la nekonata kunteksto de ŝanĝiĝantaj medioj, kiu limigas ilian uzon en serĉo aŭ esplorado.Naturo daŭre surprizas nin per multaj inventemaj strategioj por trakti eksterajn faktorojn kaj diversecon.Ekzemple, la tendoj de grimpplantoj faras multmodajn movojn, kiel fleksi kaj spirali, por esplori nekonatan medion serĉante taŭgan subtenon1.La Venusa muŝkaptilo ( Dionaea muscipula ) havas sentemajn harojn sur siaj folioj kiuj, kiam ekigitaj, klakiĝas por kapti predon2.En la lastaj jaroj, la deformado aŭ deformado de korpoj de dudimensiaj (2D) surfacoj ĝis tridimensiaj (3D) formoj kiuj imitas biologiajn strukturojn fariĝis interesa esplortemo3,4.Ĉi tiuj molaj robotaj konfiguracioj ŝanĝas formon por adaptiĝi al ŝanĝiĝantaj medioj, ebligas multmodan movadon kaj aplikas fortojn por plenumi mekanikan laboron.Ilia atingo etendiĝis al larĝa gamo de robotikaplikoj, inkluzive de deplojeblaj5, reagordeblaj kaj mem-faldeblaj robotoj6,7, biomedicinaj aparatoj8, veturiloj9,10 kaj disetendebla elektroniko11.
Multe da esplorado estis farita por evoluigi programeblajn platplatojn kiuj, kiam aktivigitaj, transformiĝas en kompleksajn tridimensiajn strukturojn3.Simpla ideo por krei deformeblajn strukturojn estas kombini tavolojn de malsamaj materialoj, kiuj fleksiĝas kaj sulkiĝas kiam estas eksponitaj al stimuloj12,13.Janbaz et al.14 kaj Li et al.15 efektivigis ĉi tiun koncepton por krei varmo-sentemajn multimodalajn deformeblajn robotojn.Origami-bazitaj strukturoj korpigantaj stimul-respondemajn elementojn estis uzitaj por krei kompleksajn tridimensiajn strukturojn16,17,18.Inspirite per la morfogenezo de biologiaj strukturoj, Emmanuel et al.Form-deformeblaj elastomeroj estas kreitaj per organizado de aerkanaloj ene de kaŭĉuka surfaco, kiuj, sub premo, transformas en kompleksajn, arbitrajn tridimensiajn formojn.
La integriĝo de teksaĵoj aŭ ŝtofoj en deformeblaj molaj robotoj estas alia nova koncepta projekto kiu generis vastan intereson.Tekstiloj estas molaj kaj elastaj materialoj faritaj el fadeno per teksado-teknikoj kiel ekzemple trikado, teksado, plektado aŭ noda teksado.La mirindaj propraĵoj de ŝtofoj, inkluzive de fleksebleco, taŭgeco, elasteco kaj spirebleco, igas ilin tre popularaj en ĉio, de vestaĵo ĝis medicinaj aplikoj20.Estas tri larĝaj aliroj por integrigi teksaĵojn en robotiko21.La unua aliro estas uzi la tekstilon kiel pasiva subteno aŭ bazo por aliaj komponantoj.En ĉi tiu kazo, pasivaj teksaĵoj provizas komfortan taŭgecon por la uzanto portante rigidajn komponantojn (motoroj, sensiloj, elektroprovizo).Plej molaj porteblaj robotoj aŭ molaj eksterskeletoj kategoriiĝas sub ĉi tiu aliro.Ekzemple, molaj porteblaj eksterskeletoj por marŝhelpiloj 22 kaj kubutaj helpoj 23, 24, 25, molaj porteblaj gantoj 26 por manaj kaj fingrohelpiloj, kaj bionaj molaj robotoj 27.
La dua aliro estas uzi teksaĵojn kiel pasivajn kaj limigitajn komponentojn de molaj robotaj aparatoj.Tekstilaj bazitaj aktuarioj falas en ĉi tiun kategorion, kie la ŝtofo estas kutime konstruita kiel ekstera ujo por enhavi la internan hoson aŭ kameron, formante molan fibron plifortikigitan aktuarion.Se submetitaj al ekstera pneŭmatika aŭ hidraŭlika fonto, ĉi tiuj molaj aktuarioj spertas ŝanĝojn en formo, inkluzive de plilongiĝo, fleksado aŭ tordado, depende de sia origina konsisto kaj agordo.Ekzemple, Talman et al.Ortopedia maleolo vestaĵo, konsistanta el serio de ŝtofaj poŝoj, estis enkondukita por faciligi plantan fleksadon por restarigi paŝadon28.Tekstilaj tavoloj kun malsama etendebleco povas esti kombinitaj por krei anizotropan movadon 29 .OmniSkins - molaj robotaj haŭtoj faritaj el diversaj molaj aktuarioj kaj substrataj materialoj povas transformi pasivajn objektojn en multfunkciajn aktivajn robotojn, kiuj povas elfari multmodalajn movadojn kaj deformadojn por diversaj aplikoj.Zhu et al.evoluigis likvan histan muskoltukon31 kiu povas generi plilongiĝon, fleksadon kaj diversajn deformajn movojn.Buckner et al.Integri funkciajn fibrojn en konvenciajn histojn por krei robotajn histojn kun multoblaj funkcioj kiel aktuado, sentado kaj varia rigideco32.Aliaj metodoj en ĉi tiu kategorio troveblas en ĉi tiuj artikoloj 21, 33, 34, 35.
Lastatempa aliro por utiligi la superajn trajtojn de tekstiloj en la kampo de mola robotiko estas uzi reaktivajn aŭ stimul-respondemajn filamentojn por krei inteligentajn teksaĵojn uzante tradiciajn tekstilajn produktadmetodojn kiel teksado, trikado kaj teksado-metodoj21,36,37.Depende de la konsisto de la materialo, reaktiva fadeno kaŭzas ŝanĝon en formo kiam submetita al elektra, termika aŭ prema ago, kiu kondukas al deformado de la ŝtofo.En tiu aliro, kie tradiciaj tekstiloj estas integritaj en mola robotsistemo, la reformado de la tekstilo okazas sur la interna tavolo (fadeno) prefere ol la ekstera tavolo.Kiel tia, inteligentaj tekstiloj ofertas bonegan uzadon laŭ multmodala movado, programebla deformado, streĉebleco kaj la kapablo alĝustigi rigidecon.Ekzemple, formomemoraj alojoj (SMAoj) kaj formomemorpolimeroj (SMPoj) povas esti integrigitaj en ŝtofoj por aktive kontroli sian formon per termika stimulo, kiel orlo38, forigo de sulkoj36,39, palpa kaj palpa religo40,41, kaj ankaŭ adapta. porteblaj vestoj.aparatoj 42 .Tamen, la uzo de termika energio por hejtado kaj malvarmigo rezultigas malrapidan respondon kaj malfacilan malvarmigon kaj kontrolon.Pli lastatempe, Hiramitsu et al.La fajnaj muskoloj de McKibben43,44, pneŭmatikaj artefaritaj muskoloj, estas uzataj kiel varpaj fadenoj por krei diversajn formojn de aktivaj teksaĵoj ŝanĝante la teksaĵstrukturon45.Kvankam tiu aliro disponigas altajn fortojn, pro la naturo de la McKibben-muskolo, ĝia rapideco de vastiĝo estas limigita (< 50%) kaj eta grandeco ne povas esti atingita (diametro < 0.9 mm).Krome, estis malfacile formi inteligentajn tekstilajn ŝablonojn el teksaj metodoj, kiuj postulas akrajn angulojn.Por formi pli larĝan gamon da inteligentaj teksaĵoj, Maziz et al.Elektroaktivaj porteblaj teksaĵoj estis evoluigitaj per trikado kaj teksado de elektrosentemaj polimeraj fadenoj46.
En la lastaj jaroj, nova speco de termosentema artefarita muskolo aperis, konstruita el tre torditaj, malmultekostaj polimerfibroj47,48.Ĉi tiuj fibroj estas komerce haveblaj kaj estas facile korpigitaj al teksado aŭ teksado por produkti atingeblajn inteligentajn vestaĵojn.Malgraŭ la progresoj, ĉi tiuj novaj varmo-sentemaj teksaĵoj havas limigitajn respondajn tempojn pro la bezono de hejtado kaj malvarmigo (ekz. temperatur-kontrolitaj teksaĵoj) aŭ la malfacileco fari kompleksajn trikitajn kaj teksitajn ŝablonojn, kiuj povas esti programitaj por generi la deziratajn deformadojn kaj movojn. .Ekzemploj inkluzivas radiala ekspansio, 2D al 3D formo transformo, aŭ dudirekta ekspansio, kiun ni proponas ĉi tie.
Por venki ĉi tiujn menciitajn problemojn, ĉi tiu artikolo prezentas novan fluidan inteligentan teksaĵon faritan el niaj ĵus enkondukitaj molaj artefaritaj muskolaj fibroj (AMF)49,50,51.AMFoj estas tre flekseblaj, skaleblaj kaj povas esti reduktitaj al diametro de 0.8 mm kaj grandaj longoj (almenaŭ 5000 mm), ofertante altan bildformaton (longo al diametro) same kiel altan plilongigon (almenaŭ 245%), altan energion. efikeco, malpli ol 20Hz rapida respondo).Por krei inteligentajn teksaĵojn, ni uzas AMF kiel aktivan teksaĵon por formi 2D aktivajn muskolajn tavolojn per trikado kaj teksado-teknikoj.Ni kvante studis la ekspansion-rapidecon kaj kuntiriĝan forton de ĉi tiuj "inteligentaj" histoj laŭ fluida volumo kaj premo liverita.Analizaj modeloj estis evoluigitaj por establi la plilongigan fortorilaton por trikitaj kaj teksitaj tukoj.Ni ankaŭ priskribas plurajn mekanikajn programajn teknikojn por inteligentaj teksaĵoj por multmodala movado, inkluzive de dudirekta etendo, fleksado, radiala ekspansio kaj la kapablo transiri de 2D al 3D.Por pruvi la forton de nia aliro, ni ankaŭ integros AMF en komercajn ŝtofojn aŭ teksaĵojn por ŝanĝi ilian agordon de pasivaj al aktivaj strukturoj, kiuj kaŭzas diversajn deformadojn.Ni ankaŭ pruvis ĉi tiun koncepton sur pluraj eksperimentaj testbenkoj, inkluzive de programebla fleksado de fadenoj por produkti deziratajn literojn kaj formo-ŝanĝiĝantajn biologiajn strukturojn en la formon de objektoj kiel papilioj, kvarpiedaj strukturoj kaj floroj.
Tekstiloj estas flekseblaj dudimensiaj strukturoj formitaj de interplektitaj unudimensiaj fadenoj kiel ekzemple fadenoj, fadenoj kaj fibroj.Tekstilo estas unu el la plej malnovaj teknologioj de la homaro kaj estas vaste uzata en ĉiuj aspektoj de la vivo pro sia komforto, adaptebleco, spirebleco, estetiko kaj protekto.Inteligentaj teksaĵoj (ankaŭ konataj kiel inteligentaj vestaĵoj aŭ robotaj ŝtofoj) estas ĉiam pli uzataj en esplorado pro sia granda potencialo en robotaj aplikoj20,52.Inteligentaj teksaĵoj promesas plibonigi la homan sperton de interagado kun molaj objektoj, kondukante al paradigmoŝanĝo en la kampo kie la movado kaj fortoj de maldika, fleksebla ŝtofo povas esti kontrolitaj por plenumi specifajn taskojn.En ĉi tiu artikolo, ni esploras du alirojn al la produktado de inteligentaj teksaĵoj bazitaj sur nia lastatempa AMF49: (1) uzu AMF kiel aktivan teksaĵon por krei inteligentajn teksaĵojn uzante tradiciajn tekstilajn fabrikajn teknologiojn;(2) enmetu AMF rekte en tradiciajn ŝtofojn por stimuli la deziratan movadon kaj deformadon.
La AMF konsistas el interna silikona tubo por provizi hidraŭlikan potencon kaj eksteran helikforman bobenon por limigi sian radialan ekspansion.Tiel, AMFoj plilongiĝas laŭlonge kiam premo estas aplikita kaj poste elmontras kuntiriĝajn fortojn por reveni al sia origina longo kiam premo estas liberigita.Ili havas trajtojn similajn al tradiciaj fibroj, inkluzive de fleksebleco, malgranda diametro kaj longa longo.Tamen, la AMF estas pli aktiva kaj kontrolita laŭ movado kaj forto ol ĝiaj konvenciaj ekvivalentoj.Inspirite de lastatempaj rapidaj progresoj en inteligentaj teksaĵoj, ĉi tie ni prezentas kvar ĉefajn alirojn por produkti inteligentajn teksaĵojn aplikante AMF al long-establita ŝtofa fabrikado-teknologio (Figuro 1).
La unua maniero estas teksado.Ni uzas veftan trikteknologion por produkti reaktivan trikitan ŝtofon, kiu disvolviĝas en unu direkto kiam hidraŭlike funkciigata.Trikitaj littukoj estas tre streĉaj kaj streĉeblaj sed tendencas malimpliki pli facile ol teksitaj littukoj.Depende de la kontrolmetodo, AMF povas formi individuajn vicojn aŭ kompletajn produktojn.Aldone al plataj littukoj, tubformaj trikaj ŝablonoj ankaŭ taŭgas por la fabrikado de kavaj strukturoj de AMF.La dua metodo estas teksado, kie ni uzas du AMFojn kiel varpon kaj teksaĵon por formi rektangulan teksitan folion, kiu povas disetendiĝi sendepende en du direktoj.Teksitaj littukoj disponigas pli da kontrolo (en ambaŭ direktoj) ol trikitaj littukoj.Ni ankaŭ teksis AMF el tradicia fadeno por fari pli simplan teksitan folion, kiu nur povas esti malvolvita en unu direkto.La tria metodo - radiala ekspansio - estas varianto de la teksa tekniko, en kiu la AMP-oj situas ne en rektangulo, sed en spiralo, kaj la fadenoj disponigas radialan limon.En ĉi tiu kazo, la plektaĵo disetendiĝas radiale sub la enirpremo.Kvara aliro estas alglui la AMF sur tuko el pasiva ŝtofo por krei fleksan movon en la dezirata direkto.Ni reagordis la pasivan romptabulon en aktivan romptabulon kurante la AMF ĉirkaŭ ĝia rando.Ĉi tiu programebla naturo de AMF malfermas sennombrajn eblecojn por bio-inspiraj formo-transformaj molaj strukturoj kie ni povas igi pasivajn objektojn aktivajn.Ĉi tiu metodo estas simpla, facila kaj rapida, sed povas endanĝerigi la longvivecon de la prototipo.La leganto estas referita al aliaj aliroj en la literaturo, kiuj detaligas la fortojn kaj malfortojn de ĉiu histoposedaĵo21,33,34,35.
Plej multaj fadenoj aŭ fadenoj uzataj por fari tradiciajn ŝtofojn enhavas pasivajn strukturojn.En ĉi tiu laboro, ni uzas nian antaŭe evoluigitan AMF, kiu povas atingi metrolongojn kaj submilimetrajn diametrojn, por anstataŭigi tradiciajn pasivajn tekstilajn fadenojn per AFM por krei inteligentajn kaj aktivajn ŝtofojn por pli larĝa gamo de aplikoj.La sekvaj sekcioj priskribas detalajn metodojn por fari inteligentajn tekstilajn prototipojn kaj prezentas iliajn ĉefajn funkciojn kaj kondutojn.
Ni manfaris tri AMF-ĵerzojn uzante la veftrikan teknikon (Fig. 2A).Materiala elekto kaj detalaj specifoj por AMFoj kaj prototipoj troveblas en la sekcio Metodoj.Ĉiu AMF sekvas kurbiĝeman vojon (ankaŭ nomitan itinero) kiu formas simetrian buklon.La bukloj de ĉiu vico estas fiksitaj kun bukloj de la vicoj super kaj sub ili.La ringoj de unu kolono perpendikulara al la kurso estas kombinitaj en ŝafton.Nia trikita prototipo konsistas el tri vicoj de sep kudreroj (aŭ sep kudreroj) en ĉiu vico.La supraj kaj malsupraj ringoj ne estas fiksitaj, do ni povas ligi ilin al la respondaj metalaj bastonoj.Trikitaj prototipoj malimplikis pli facile ol konvenciaj trikitaj ŝtofoj pro la pli alta rigideco de AMF komparite kun konvenciaj fadenoj.Tial ni ligis la maŝojn de apudaj vicoj per maldikaj elastaj ŝnuroj.
Diversaj inteligentaj tekstilaj prototipoj estas realigitaj kun malsamaj AMF-konfiguracioj.(A) Trikita tuko farita el tri AMFoj.(B) Dudirekta teksita folio de du AMFoj.(C) Unudirekta teksita folio farita el AMF kaj akrila fadeno povas porti ŝarĝon de 500g, kio estas 192 fojojn ĝia pezo (2.6g).(D) Radiale vastiganta strukturon kun unu AMF kaj kotonfadeno kiel radiala limo.Detalaj specifoj troveblas en la sekcio Metodoj.
Kvankam la zigzagaj bukloj de triko povas etendiĝi en malsamaj direktoj, nia prototipa trikaĵo ekspansiiĝas ĉefe en la direkto de la buklo sub premo pro limigoj en la direkto de vojaĝado.La plilongigo de ĉiu AMF kontribuas al la ekspansio de la tuta areo de la trikita tuko.Depende de specifaj postuloj, ni povas kontroli tri AMF sendepende de tri malsamaj fluidaj fontoj (Figuro 2A) aŭ samtempe de unu fluida fonto per 1-al-3 fluida distribuisto.Sur fig.2A montras ekzemplon de trikita prototipo, kies komenca areo pliiĝis je 35% aplikante premon al tri AMP-oj (1.2 MPa).Precipe, AMF atingas altan plilongigon de almenaŭ 250% de sia origina longo49 tiel trikitaj littukoj povas etendi eĉ pli ol nunaj versioj.
Ni ankaŭ kreis dudirektajn teksajn foliojn formitajn de du AMF-oj uzante la ebenaĵteknikon (Figuro 2B).AMF varpo kaj vefto estas interplektitaj orte, formante simplan kruckrucpadronon.Nia prototipa teksaĵo estis klasifikita kiel ekvilibra simpla teksaĵo ĉar kaj la varpaj kaj teksaj fadenoj estis faritaj el la sama fadeno (vidu la sekcion de Metodoj por detaloj).Male al ordinaraj fadenoj kiuj povas formi akrajn faldojn, la aplikata AMF postulas certan fleksradiuson kiam revenas al alia fadeno de la teksada ŝablono.Tial teksitaj littukoj faritaj el AMP havas pli malaltan densecon kompare kun konvenciaj teksitaj teksaĵoj.AMF-tipo S (ekstera diametro 1,49 mm) havas minimuman fleksradiuson de 1,5 mm.Ekzemple, la prototipa teksaĵo, kiun ni prezentas en ĉi tiu artikolo, havas 7×7-fadenan ŝablonon, kie ĉiu intersekco estas stabiligita per nodo de maldika elasta ŝnuro.Uzante la saman teksan teknikon, vi povas akiri pli da fadenoj.
Kiam la ekvivalenta AMF ricevas fluidan premon, la teksita tuko vastigas sian areon en la varpo aŭ vefdirekto.Sekve, ni kontrolis la dimensiojn de la plektita folio (longo kaj larĝo) sendepende ŝanĝante la kvanton de enirpremo aplikita al la du AMP-oj.Sur fig.2B montras teksitan prototipon kiu disetendiĝis al 44% de sia origina areo aplikante premon al unu AMP (1.3 MPa).Kun la samtempa ago de premo sur du AMFoj, la areo pliiĝis je 108%.
Ni ankaŭ faris unudirektan teksitan folion el ununura AMF kun varpaj kaj akrilaj fadenoj kiel vefto (Figuro 2C).La AMFoj estas aranĝitaj en sep zigzagaj vicoj kaj la fadenoj teksas tiujn vicojn de AMFoj kune por formi rektangulan tukon el ŝtofo.Ĉi tiu teksita prototipo estis pli densa ol en Fig. 2B, danke al molaj akrilaj fadenoj, kiuj facile plenigis la tutan folion.Ĉar ni nur uzas unu AMF kiel la varpon, la teksita folio povas nur disetendiĝi al la varpo sub premo.Figuro 2C montras ekzemplon de teksita prototipo, kies komenca areo pliiĝas je 65% kun kreskanta premo (1.3 MPa).Krome, ĉi tiu plektita peco (pezanta 2,6 gramojn) povas levi ŝarĝon de 500 gramoj, kio estas 192-oble ĝia maso.
Anstataŭ aranĝi la AMF en zigzaga ŝablono por krei rektangulan teksitan tukon, ni fabrikis platan spiralan formon de la AMF, kiu tiam estis radiale limigita per kotonfadeno por krei rondan teksitan tukon (Figuro 2D).La alta rigideco de AMF limigas ĝian plenigon de la tre centra regiono de la plato.Tamen, ĉi tiu remburaĵo povas esti farita el elastaj fadenoj aŭ elastaj ŝtofoj.Ricevante hidraŭlikan premon, la AMP transformas sian longitudan plilongigon en radialan vastiĝon de la folio.Estas ankaŭ notinde, ke ambaŭ la eksteraj kaj internaj diametroj de la spirala formo estas pliigitaj pro la radiala limigo de la filamentoj.Figuro 2D montras, ke kun aplikata hidraŭlika premo de 1 MPa, la formo de ronda folio disetendiĝas al 25% de sia origina areo.
Ni prezentas ĉi tie duan aliron por fari inteligentajn teksaĵojn, kie ni algluas AMF al plata peco de ŝtofo kaj reagordas ĝin de pasiva al aktive kontrolita strukturo.La desegna diagramo de la fleksebla veturado estas montrita en fig.3A, kie la AMP estas faldita malsupren la mezo kaj gluita al strio de neetendebla ŝtofo (kotonmuslina ŝtofo) uzante duoblan glubendon kiel gluon.Post kiam sigelite, la pinto de la AMF estas libera etendiĝi, dum la fundo estas limigita per la glubendo kaj ŝtofo, igante la strion fleksi direkte al la ŝtofo.Ni povas malaktivigi ajnan parton de la kurb-aktuario ie ajn simple algluante strion de bendo sur ĝi.Malaktivigita segmento ne povas moviĝi kaj iĝas pasiva segmento.
Ŝtofoj estas reagorditaj algluante AMF sur tradiciaj ŝtofoj.(A) Dezajnkoncepto por fleksebla veturado farita per gluado de faldita AMF sur neetendebla ŝtofo.(B) fleksado de la aktuarprototipo.(C) Rekonfiguracio de rektangula ŝtofo en aktivan kvarpiedan roboton.Neelasta ŝtofo: kotona ĵerzo.Streĉa ŝtofo: poliestero.Detalaj specifoj troveblas en la sekcio Metodoj.
Ni faris plurajn prototipajn fleksajn aktuariojn de malsamaj longoj kaj premis ilin per hidraŭlikaĵo por krei fleksan movon (Figuro 3B).Grave, la AMF povas esti aranĝita en rekta linio aŭ faldita por formi multoblajn fadenojn kaj tiam gluita al ŝtofo por krei flekseblan veturadon kun la taŭga nombro da fadenoj.Ni ankaŭ konvertis la pasivan histotukon en aktivan tetrapodan strukturon (Figuro 3C), kie ni uzis AMF por direkti la limojn de rektangula neetendebla histo (kotona muslina ŝtofo).AMP estas fiksita al la ŝtofo per peco de duflanka bendo.La mezo de ĉiu rando estas glubendita por iĝi pasiva, dum la kvar anguloj restas aktivaj.Streĉa ŝtofa supra kovrilo (poliestero) estas laŭvola.La kvar anguloj de la ŝtofo fleksiĝas (ŝajnas kruroj) kiam premataj.
Ni konstruis testbenkon por kvante studi la ecojn de la evoluintaj inteligentaj teksaĵoj (vidu la sekcion Metodoj kaj Suplementan Figuro S1).Ĉar ĉiuj specimenoj estis faritaj el AMF, la ĝenerala tendenco de la eksperimentaj rezultoj (Fig. 4) kongruas kun la ĉefaj karakterizaĵoj de AMF, nome, la enirpremo estas rekte proporcia al la ellasiga plilongigo kaj inverse proporcia al la kunprema forto.Tamen, ĉi tiuj inteligentaj ŝtofoj havas unikajn trajtojn, kiuj reflektas siajn specifajn agordojn.
Prezentas inteligentajn tekstilajn agordojn.(A, B) Histerezokurboj por enirpremo kaj ellasigplilongigo kaj forto por teksitaj tukoj.(C) Ekspansio de la areo de la teksita folio.(D,E) Rilato inter eniga premo kaj eligo-plilongigo kaj forto por triko.(F) Areo vastiĝo de radiale vastiĝantaj strukturoj.(G) fleksaj anguloj de tri malsamaj longoj de fleksadoj.
Ĉiu AMF de la teksita folio estis submetita al enirpremo de 1 MPa por generi proksimume 30% plilongigon (Fig. 4A).Ni elektis ĉi tiun sojlon por la tuta eksperimento pro pluraj kialoj: (1) krei signifan plilongigon (proksimume 30%) por emfazi iliajn histerezajn kurbojn, (2) malhelpi bicikladon de malsamaj eksperimentoj kaj reuzeblaj prototipoj rezultantaj en hazarda damaĝo aŭ fiasko..sub alta fluida premo.La morta zono estas klare videbla, kaj la plektaĵo restas senmova ĝis la enirpremo atingas 0,3 MPa.La prema plilongiga histerezintrigo montras grandan interspacon inter la pumpado kaj liberiganta fazoj, indikante ke ekzistas signifa perdo de energio kiam la teksita tuko ŝanĝas sian moviĝon de vastiĝo al kuntiriĝo.(Fig. 4A).Post akirado de enirpremo de 1 MPa, la teksita folio povus peni kuntiriĝan forton de 5.6 N (Fig. 4B).La premo-forta histerezintrigo ankaŭ montras ke la rekomencigita kurbo preskaŭ interkovras kun la prema amasiĝokurbo.La areo vastiĝo de la teksita tuko dependis de la kvanto de premo aplikita al ĉiu el la du AMFoj, kiel montrite en la 3D surfacintrigo (Figuro 4C).Eksperimentoj ankaŭ montras ke teksita tuko povas produkti arean vastiĝon de 66% kiam ĝiaj varpaj kaj veftaj AMFoj estas samtempe submetitaj hidraŭlika premo de 1 MPa.
La eksperimentaj rezultoj por la trikita tuko montras similan padronon al la teksita tuko, inkluzive de larĝa histerezinterspaco en la tensio-premdiagramo kaj imbrikitaj premo-fortaj kurboj.La trikita folio montris plilongigon de 30%, post kiu la kunprema forto estis 9 N ĉe enira premo de 1 MPa (Fig. 4D, E).
En la kazo de ronda teksita folio, ĝia komenca areo pliiĝis je 25% kompare kun la komenca areo post eksponiĝo al likva premo de 1 MPa (Fig. 4F).Antaŭ ol la specimeno komencas disetendiĝi, ekzistas granda enirprema morta zono ĝis 0.7 MPa.Tiu granda morta zono estis atendita ĉar la provaĵoj estis faritaj de pli grandaj AMFoj kiuj postulis pli altajn premojn venki sian komencan streson.Sur fig.4F ankaŭ montras, ke la eldonkurbo preskaŭ koincidas kun la prema plialtkurbo, indikante malmulte da energiperdo kiam la diskomovado estas ŝanĝita.
Eksperimentaj rezultoj por la tri fleksaj aktuarioj ( historeagordo) montras ke iliaj histerezkurboj havas similan ŝablonon (Figuro 4G), kie ili spertas enirpremon mortan zonon de ĝis 0.2 MPa antaŭ levado.Ni aplikis la saman volumon da likvaĵo (0,035 ml) al tri flekseblaj diskoj (L20, L30 kaj L50 mm).Tamen, ĉiu aktuario spertis malsamajn prempintojn kaj evoluigis malsamajn fleksajn angulojn.La L20 kaj L30 mm aktuarioj spertis enirpremon de 0.72 kaj 0.67 MPa, atingante fleksajn angulojn de 167° kaj 194° respektive.La plej longa fleksa veturado (longo 50 mm) eltenis premon de 0,61 MPa kaj atingis maksimuman fleksan angulon de 236°.La premaj angulaj histerezintrigoj ankaŭ rivelis relative grandajn interspacojn inter la premo- kaj liberigkurboj por ĉiuj tri fleksaj veturadoj.
La rilato inter eniga volumo kaj produktaĵaj propraĵoj (plilongigo, forto, areo vastiĝo, fleksa angulo) por ĉi-supraj inteligentaj tekstilaj agordoj troveblas en Suplementa Figuro S2.
La eksperimentaj rezultoj en la antaŭa sekcio klare pruvas la proporcian rilaton inter aplikata enirpremo kaj elirejo-plilongigo de AMF-provaĵoj.Ju pli forta la AMB estas streĉita, des pli granda la plilongiĝo ĝi evoluas kaj des pli elasta energio ĝi akumuliĝas.Tial, des pli granda estas la kunprema forto kiun ĝi praktikas.La rezultoj ankaŭ montris ke la specimenoj atingis sian maksimuman kunpremadforton kiam la enirpremo estis tute forigita.Ĉi tiu sekcio celas establi rektan rilaton inter plilongiĝo kaj maksimuma ŝrumpa forto de trikitaj kaj teksitaj tukoj per analiza modeligado kaj eksperimenta konfirmo.
La maksimuma kuntiriĝa forto Fout (ĉe enirpremo P = 0) de ununura AMF ricevis en ref 49 kaj reenkondukita jene:
Inter ili, α, E, kaj A0 estas la streĉa faktoro, la modulo de Young kaj la sekca areo de la silikona tubo, respektive;k estas la rigideckoeficiento de la spirala bobeno;x kaj li estas ofseto kaj komenca longo.AMP, respektive.
la ĝusta ekvacio.(1) Prenu trikitajn kaj teksitajn littukojn kiel ekzemplon (Fig. 5A, B).La kuntiriĝfortoj de la trikita produkto Fkv kaj la teksita produkto Fwh estas esprimitaj per ekvacio (2) kaj (3), respektive.
kie mk estas la nombro da bukloj, φp estas la buklo-angulo de la trikita ŝtofo dum injekto (Fig. 5A), mh estas la nombro da fadenoj, θhp estas la engaĝiĝperspektivo de la trikita ŝtofo dum injekto (Fig. 5B), εkv εwh estas la trikita tuko kaj la deformado de la teksita folio, F0 estas la komenca streĉiĝo de la spirala bobeno.Detala derivado de la ekvacio.(2) kaj (3) troviĝas en la subtenaj informoj.
Kreu analizan modelon por la plilongigo-forta rilato.(A,B) Analizaj modelilustraĵoj por trikitaj kaj teksitaj littukoj, respektive.(C,D) Komparo de analizaj modeloj kaj eksperimentaj datenoj por trikitaj kaj teksitaj tukoj.RMSE Radika kvadrata eraro.
Por testi la evoluitan modelon, ni faris plilongigajn eksperimentojn uzante la trikitajn ŝablonojn en Fig. 2A kaj plektitajn specimenojn en Fig. 2B.Kuntiriĝforto estis mezurita en 5% pliigoj por ĉiu ŝlosita etendaĵo de 0% ĝis 50%.La meznombro kaj norma devio de la kvin provoj estas prezentitaj en Figuro 5C (trikita) kaj Figuro 5D (trikita).La kurboj de la analiza modelo estas priskribitaj per ekvacioj.Parametroj (2) kaj (3) estas donitaj en Tabelo.1. La rezultoj montras, ke la analiza modelo kongruas kun la eksperimentaj datumoj sur la tuta plilongiga gamo kun radika averaĝa kvadrata eraro (RMSE) de 0,34 N por trikaĵoj, 0,21 N por teksita AMF H (horizontala direkto) kaj 0,17 N. por teksita AMF.V (vertikala direkto).
Aldone al la bazaj movadoj, la proponitaj inteligentaj teksaĵoj povas esti meĥanike programitaj por disponigi pli kompleksajn movadojn kiel ekzemple S-kurbiĝo, radiala kuntiriĝo kaj 2D ĝis 3D deformado.Ni prezentas ĉi tie plurajn metodojn por programi platajn inteligentajn teksaĵojn en deziratajn strukturojn.
Krom vastigi la domajnon en la lineara direkto, unudirektaj teksitaj folioj povas esti meĥanike programitaj por krei multimodan movadon (Fig. 6A).Ni reagordas la etendon de la plektita folio kiel fleksa movo, limigante unu el ĝiaj vizaĝoj (supre aŭ malsupre) per kudra fadeno.La tukoj tendencas fleksi direkte al la saltanta surfaco sub premo.Sur fig.6A montras du ekzemplojn de teksitaj paneloj kiuj iĝas S-formaj kiam unu duono estas malvasta sur la supra flanko kaj la alia duono estas malvasta sur la malsupra flanko.Alternative, vi povas krei cirklan fleksan movon kie nur la tuta vizaĝo estas limigita.Unudirekta plektita folio ankaŭ povas esti farita en kunpreman manikon ligante ĝiajn du finojn en tubforman strukturon (Fig. 6B).La maniko estas portita super la montrofingro de persono por provizi kunpremadon, formon de masaĝterapio por malpezigi doloron aŭ plibonigi cirkuladon.Ĝi povas esti skalita por konveni aliajn korpopartojn kiel brakoj, koksoj kaj gamboj.
Kapablo teksi foliojn en unu direkto.(A) Kreado de deformeblaj strukturoj pro la programebleco de la formo de kudrofadenoj.(B) Fingra kunprema maniko.(C) Alia versio de la plektita tuko kaj ĝia efektivigo kiel antaŭbraka kunprema maniko.(D) Alia kunprema maniko-prototipo farita el AMF-tipo M, akrila fadeno kaj Velcro-rimenoj.Detalaj specifoj troveblas en la sekcio Metodoj.
Figuro 6C montras alian ekzemplon de unudirekta teksita tuko farita el ununura AMF kaj kotonfadeno.La tuko povas disetendiĝi je 45% en areo (je 1.2 MPa) aŭ kaŭzi cirklan moviĝon sub premo.Ni ankaŭ korpigis folion por krei antaŭbrakan kunpreman manikon alkroĉante magnetajn rimenojn al la fino de la folio.Alia prototipa antaŭbraka kunpremmaniko estas montrita en Fig. 6D, en kiu unudirektaj plektitaj folioj estis faritaj el Tipo M AMF (vidu Metodoj) kaj akrilaj fadenoj por generi pli fortajn kunpremajn fortojn.Ni ekipis la finojn de la littukoj per Velcro-rimenoj por facila alfiksado kaj por malsamaj mangrandoj.
La retentekniko, kiu konvertas linian etendaĵon en fleksan moviĝon, ankaŭ estas aplikebla al dudirektaj teksitaj littukoj.Ni teksas la kotonajn fadenojn sur unu flanko de la varpo kaj teksas teksitajn littukojn por ke ili ne disetendiĝas (Fig. 7A).Tiel, kiam du AMFoj ricevas hidraŭlikan premon sendepende unu de la alia, la tuko spertas dudirektan fleksan moviĝon por formi arbitran tridimensian strukturon.En alia aliro, ni uzas neetendeblajn fadenojn por limigi unu direkton de dudirektaj teksitaj littukoj (Figuro 7B).Tiel, la folio povas fari sendependajn fleksajn kaj streĉajn movojn kiam la responda AMF estas sub premo.Sur fig.7B montras ekzemplon en kiu dudirekta plektita tuko estas kontrolita por ĉirkaŭvolvi du trionojn de homa fingro kun fleksa movo kaj tiam etendi sian longon por kovri la reston per streĉa movo.La dudirekta movado de littukoj povas esti utila por moda dezajno aŭ inteligenta vesta disvolviĝo.
Dudirekta teksita folio, trikita folio kaj radiale disetendeblaj dezajnaj kapabloj.(A) Dudirektaj kunligitaj dudirektaj vimenpaneloj por krei dudirektan kurbiĝon.(B) Unudirekte limigitaj dudirektaj vimenpaneloj produktas fleksadon kaj plilongigon.(C) Tre elasta trikita folio, kiu povas konformiĝi al malsama surfaca kurbiĝo kaj eĉ formi tubformajn strukturojn.(D) limado de la centra linio de radiale vastiĝanta strukturo formanta hiperbolan parabolan formon (fritoj).
Ni kunligis du apudajn maŝojn de la supra kaj malsupra vicoj de la trikita parto per kudra fadeno, por ke ĝi ne malimplikiĝu (Fig. 7C).Tiel, la teksita folio estas plene fleksebla kaj bone adaptiĝas al diversaj surfacaj kurboj, kiel la haŭta surfaco de homaj manoj kaj brakoj.Ni ankaŭ kreis tubforman strukturon (manikon) kunligante la finojn de la trikita parto en la direkto de vojaĝado.La maniko envolvas bone ĉirkaŭ la montrofingro de la persono (Fig. 7C).La sinuozeco de la teksita ŝtofo disponigas bonegan taŭgecon kaj deformeblecon, faciligante ĝin uzi en inteligenta vesto (gantoj, kunpremaj manikoj), provizante komforton (per adapto) kaj terapian efikon (per kunpremado).
Aldone al 2D radiala vastiĝo en multoblaj indikoj, cirklaj teksitaj folioj ankaŭ povas esti programitaj por formi 3D strukturojn.Ni limigis la centran linion de la ronda plektaĵo per akrila fadeno por interrompi ĝian unuforman radialan ekspansion.Kiel rezulto, la origina plata formo de la ronda teksita folio estis transformita en hiperbolan parabolan formon (aŭ terpomfritoj) post premado (Fig. 7D).Tiu formoŝanĝa kapablo povus esti efektivigita kiel levmekanismo, optika lenso, moveblaj robotgamboj, aŭ povus esti utila en moddezajno kaj bionaj robotoj.
Ni evoluigis simplan teknikon por krei fleksajn diskojn per gluado de AMF sur strio de nestreĉa ŝtofo (Figuro 3).Ni uzas ĉi tiun koncepton por krei formajn programeblajn fadenojn, kie ni povas strategie distribui plurajn aktivajn kaj pasivajn sekciojn en unu AMF por krei deziratajn formojn.Ni fabrikis kaj programis kvar aktivajn filamentojn, kiuj povus ŝanĝi sian formon de rekte al litero (UNSW) dum premo pliiĝis (Suplementa Fig. S4).Ĉi tiu simpla metodo permesas al la deformebleco de la AMF igi 1D liniojn en 2D formojn kaj eble eĉ 3D strukturojn.
En simila aliro, ni uzis ununuran AMF por reagordi pecon de pasiva normala histo en aktivan tetrapodon (Fig. 8A).Vojaj kaj programaj konceptoj estas similaj al tiuj montritaj en Figuro 3C.Tamen, anstataŭ rektangulaj littukoj, ili komencis uzi ŝtofojn kun kvarpieda ŝablono (testudo, kotonmuslino).Tial, la kruroj estas pli longaj kaj la strukturo povas esti pli alta.La alteco de la strukturo iom post iom pliiĝas sub premo ĝis ĝiaj kruroj estas perpendikularaj al la grundo.Se la enirpremo daŭre altiĝas, la gamboj malleviĝos enen, malaltigante la altecon de la strukturo.Kvarpieduloj povas elfari movadon se iliaj gamboj estas provizitaj per unudirektaj padronoj aŭ uzas multoblajn AMFojn kun moviĝaj manipuladstrategioj.Molaj movadrobotoj estas bezonataj por diversaj taskoj, inkluzive de savoj de sovaĝaj fajroj, disfalintaj konstruaĵoj aŭ danĝeraj medioj, kaj medicinaj liverrobotoj.
La ŝtofo estas reagordita por krei formo-ŝanĝiĝantajn strukturojn.(A) Gluu la AMF al la limo de la pasiva ŝtofa tuko, igante ĝin direktebla kvarpieda strukturo.(BD) Du aliaj ekzemploj de histo-reagordo, igante pasivajn papiliojn kaj florojn en aktivajn.Nestreĉa ŝtofo: simpla kotona muslino.
Ni ankaŭ profitas de la simpleco kaj ĉiuflankeco de ĉi tiu histo-rekonfigura tekniko enkondukante du pliajn bio-inspirajn strukturojn por remodelado (Figuroj 8B-D).Kun vojebla AMF, ĉi tiuj formo-deformeblaj strukturoj estas reagorditaj de tukoj de pasiva histo ĝis aktivaj kaj direkteblaj strukturoj.Inspirite de la monarka papilio, ni faris transformiĝantan papiliostrukturon uzante pecon el papilioforma ŝtofo (kotonmuslino) kaj longan pecon de AMF algluiĝis sub ĝiaj flugiloj.Kiam la AMF estas sub premo, la flugiloj faldiĝas supren.Kiel la Monarka Papilio, la maldekstraj kaj dekstraj flugiloj de la Papilio-Roboto frapas laŭ la saman manieron ĉar ili estas ambaŭ kontrolitaj fare de la AMF.Papiliaj klapoj estas nur por montraj celoj.Ĝi ne povas flugi kiel Smart Bird (Festo Corp., Usono).Ni ankaŭ faris ŝtofan floron (Figuro 8D) konsistantan el du tavoloj de kvin petaloj ĉiu.Ni metis la AMF sub ĉiu tavolo post la ekstera rando de la petaloj.Komence, la floroj estas en plena florado, kun ĉiuj petaloj plene malfermitaj.Sub premo, la AMF kaŭzas fleksan movadon de la petaloj, igante ilin fermiĝi.La du AMF sendepende kontrolas la movadon de la du tavoloj, dum la kvin petaloj de unu tavolo fleksiĝas samtempe.
Afiŝtempo: Dec-26-2022