Tekstil cerdas nggunakake serat otot buatan sing didorong cairan

Matur nuwun kanggo ngunjungi Nature.com.Sampeyan nggunakake versi browser kanthi dhukungan CSS winates.Kanggo pengalaman paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing dianyari (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer).Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nuduhake situs kasebut tanpa gaya lan JavaScript.
Nampilake carousel telung slide bebarengan.Gunakake tombol Sadurungé lan Sabanjure kanggo pindhah liwat telung minger bebarengan, utawa nggunakake tombol panggeser ing mburi kanggo pindhah liwat telung minger bebarengan.
Nggabungake tekstil lan otot buatan kanggo nggawe tekstil sing cerdas narik perhatian akeh saka komunitas ilmiah lan industri.Tekstil cerdas nawakake akeh keuntungan, kalebu kenyamanan adaptif lan tingkat kesesuaian sing dhuwur kanggo obyek nalika nyedhiyakake aktuasi aktif kanggo gerakan lan kekuatan sing dikarepake.Artikel iki nampilake kelas anyar kain pinter sing bisa diprogram sing digawe nggunakake macem-macem cara tenun, tenun lan gluing serat otot buatan sing didorong cairan.Model matématika dikembangaké kanggo njlèntrèhaké rasio gaya elongasi saka lembaran tekstil rajutan lan anyaman, banjur validitas diuji kanthi eksperimen.Tekstil "pinter" anyar nduweni keluwesan, konformalitas, lan pemrograman mekanik sing dhuwur, ngidini gerakan multi-modal lan kemampuan deformasi kanggo macem-macem aplikasi.Macem-macem prototipe tekstil cerdas wis digawe liwat verifikasi eksperimen, kalebu macem-macem kasus owah-owahan wujud kayata elongasi (nganti 65%), ekspansi area (108%), ekspansi radial (25%), lan gerakan mlengkung.Konsep konfigurasi ulang jaringan tradisional pasif dadi struktur aktif kanggo struktur mbentuk biomimetik uga diteliti.Tekstil cerdas sing diusulake bakal nggampangake pangembangan piranti sing bisa dipakai, sistem haptik, robot alus biomimetik, lan elektronik sing bisa dipakai.
Robot kaku efektif nalika makarya ing lingkungan terstruktur, nanging duwe masalah karo konteks sing ora dingerteni babagan owah-owahan lingkungan, sing mbatesi panggunaan ing panelusuran utawa eksplorasi.Alam terus nggumunake kita kanthi akeh strategi inventif kanggo ngatasi faktor eksternal lan keragaman.Contone, tendrils tanduran climbing nindakake gerakan multimodal, kayata mlengkung lan spiraling, kanggo njelajah lingkungan sing ora dingerteni kanggo nggoleki dhukungan sing cocog1.Perangkap lalat Venus (Dionaea muscipula) nduweni wulu sensitif ing godhonge, sing nalika dipicu, nyeret menyang panggonan kanggo nyekel mangsa2.Ing taun-taun pungkasan, deformasi utawa deformasi awak saka permukaan rong dimensi (2D) dadi bentuk telung dimensi (3D) sing niru struktur biologi wis dadi topik riset sing menarik3,4.Konfigurasi robot sing alus iki ngganti wujud kanggo adaptasi karo lingkungan sing ganti, ngaktifake gerakan multimodal, lan ngetrapake pasukan kanggo nindakake karya mekanik.Jangkauan kasebut wis ngluwihi macem-macem aplikasi robotika, kalebu deployable5, robot sing bisa dikonfigurasi maneh lan lipat dhewe6,7, piranti biomedis8, kendaraan9,10 lan elektronik sing bisa ditambahi11.
Akeh riset wis ditindakake kanggo ngembangake piring datar sing bisa diprogram sing, nalika diaktifake, diowahi dadi struktur telung dimensi sing kompleks3.Gagasan prasaja kanggo nggawe struktur sing bisa diowahi yaiku nggabungake lapisan saka macem-macem bahan sing lentur lan kerut nalika kena rangsangan12,13.Janbaz et al.14 lan Li et al.15 wis ngetrapake konsep iki kanggo nggawe robot deformable multimodal sing sensitif panas.Struktur adhedhasar origami sing nggabungake unsur responsif stimulus wis digunakake kanggo nggawe struktur telung dimensi sing kompleks16,17,18.Diilhami dening morfogenesis struktur biologis, Emmanuel et al.Elastomer sing bisa diowahi bentuk digawe kanthi ngatur saluran udara ing permukaan karet sing, ing tekanan, diowahi dadi bentuk telung dimensi sing kompleks lan sewenang-wenang.
Integrasi tekstil utawa kain menyang robot alus sing bisa diowahi minangka proyek konsep anyar liyane sing wis narik minat sing akeh.Tekstil minangka bahan alus lan elastis sing digawe saka benang kanthi teknik tenun kayata nyulam, tenun, kepang, utawa tenun simpul.Sipat luar biasa saka kain, kalebu keluwesan, pas, elastisitas lan breathability, nggawe kain kasebut populer banget ing kabeh saka sandhangan nganti aplikasi medis20.Ana telung pendekatan sing amba kanggo nggabungake tekstil menyang robotika21.Pendekatan pisanan yaiku nggunakake tekstil minangka backing pasif utawa basis kanggo komponen liyane.Ing kasus iki, tekstil pasif nyedhiyakake nyaman kanggo pangguna nalika nggawa komponen kaku (motor, sensor, sumber daya).Umume robot sing bisa dipakai alus utawa exoskeleton alus ana ing pendekatan iki.Contone, exoskeleton sing bisa dipakai alus kanggo alat bantu mlaku 22 lan alat bantu siku 23, 24, 25, sarung tangan sing bisa dipakai alus 26 kanggo alat bantu tangan lan driji, lan robot alus bionik 27.
Pendekatan kapindho yaiku nggunakake tekstil minangka komponen pasif lan winates saka piranti robotik alus.Aktuator adhedhasar tekstil kalebu ing kategori iki, ing ngendi kain biasane dibangun minangka wadhah njaba kanggo ngemot selang utawa kamar njero, mbentuk aktuator sing dikuatake serat alus.Nalika ngalami sumber pneumatik utawa hidrolik eksternal, aktuator alus iki ngalami owah-owahan ing wangun, kalebu elongation, mlengkung utawa twisting, gumantung saka komposisi lan konfigurasi asli.Contone, Talman et al.Sandhangan tungkak ortopedi, sing kasusun saka seri kanthong kain, wis dikenalake kanggo nggampangake fleksi plantar kanggo mulihake gait28.Lapisan tekstil kanthi ekstensibilitas sing beda bisa digabung kanggo nggawe gerakan anisotropik 29 .OmniSkins - kulit robot alus sing digawe saka macem-macem aktuator alus lan bahan substrat bisa ngowahi obyek pasif dadi robot aktif multifungsi sing bisa nindakake gerakan multi-modal lan deformasi kanggo macem-macem aplikasi.Zhu et al.wis ngembangake lembaran otot jaringan cair31 sing bisa ngasilake elongasi, mlengkung, lan macem-macem gerakan deformasi.Buckner et al.Nggabungake serat fungsional menyang jaringan konvensional kanggo nggawe jaringan robot kanthi macem-macem fungsi kayata aktuasi, sensing, lan kaku variabel32.Cara liya ing kategori iki bisa ditemokake ing makalah 21, 33, 34, 35.
Pendekatan anyar kanggo nggunakake sifat unggul tekstil ing bidang robotika alus yaiku nggunakake filamen reaktif utawa responsif stimulus kanggo nggawe tekstil cerdas nggunakake metode manufaktur tekstil tradisional kayata metode tenun, nyulam lan tenun21,36,37.Gumantung saka komposisi materi, benang reaktif nyebabake owah-owahan ing wangun nalika kena pengaruh listrik, termal utawa tekanan, sing nyebabake deformasi kain.Ing pendekatan iki, ing ngendi tekstil tradisional digabungake menyang sistem robot alus, reshaping tekstil dumadi ing lapisan jero (benang) tinimbang lapisan njaba.Dadi, tekstil cerdas nawakake penanganan sing apik babagan gerakan multimodal, deformasi sing bisa diprogram, keluwesan, lan kemampuan kanggo nyetel kaku.Contone, paduan memori wangun (SMA) lan polimer memori wangun (SMPs) bisa digabung menyang kain kanggo ngontrol wangun kanthi aktif liwat stimulasi termal, kayata hemming38, mbusak kerut36,39, tactile lan tactile feedback40,41, uga adaptif. sandhangan sing bisa dianggo.piranti 42.Nanging, panggunaan energi termal kanggo pemanasan lan pendinginan nyebabake respon alon lan pendinginan lan kontrol sing angel.Paling anyar, Hiramitsu et al.Otot alus McKibben43,44, otot buatan pneumatik, digunakake minangka benang lungsin kanggo nggawe macem-macem jinis tekstil aktif kanthi ngganti struktur tenun45.Senajan pendekatan iki nyedhiyakake pasukan dhuwur, amarga sifat otot McKibben, tingkat ekspansi diwatesi (<50%) lan ukuran cilik ora bisa digayuh (diameter <0,9 mm).Kajaba iku, wis angel mbentuk pola tekstil pinter saka cara tenun sing mbutuhake sudhut sing cetha.Kanggo nggawe tekstil pinter sing luwih akeh, Maziz et al.Tekstil sing bisa dipakai elektroaktif wis dikembangake kanthi nyulam lan nenun benang polimer elektrosensitif46.
Ing taun-taun pungkasan, jinis otot buatan termosensitif anyar wis muncul, digawe saka serat polimer sing bengkong lan murah47,48.Serat iki kasedhiya kanthi komersial lan gampang digabungake ing tenun utawa tenun kanggo ngasilake sandhangan cerdas sing terjangkau.Senadyan kemajuan, tekstil anyar sing sensitif panas iki nduweni wektu respon sing winates amarga perlu kanggo pemanasan lan pendinginan (contone, tekstil sing dikontrol suhu) utawa angel nggawe pola rajutan lan tenunan sing rumit sing bisa diprogram kanggo ngasilake deformasi lan gerakan sing dikarepake. .Conto kalebu ekspansi radial, transformasi wujud 2D dadi 3D, utawa ekspansi loro arah, sing ditawakake ing kene.
Kanggo ngatasi masalah sing kasebut ing ndhuwur, artikel iki nampilake tekstil cerdas sing didorong cairan anyar sing digawe saka serat otot buatan alus (AMF) 49,50,51.AMF fleksibel banget, bisa diukur lan bisa dikurangi dadi diameter 0,8 mm lan dawane gedhe (paling ora 5000 mm), menehi rasio aspek dhuwur (dawa nganti diameter) uga elongasi dhuwur (paling ora 245%), energi dhuwur. efisiensi, kurang saka 20Hz respon cepet).Kanggo nggawe tekstil sing cerdas, kita nggunakake AMF minangka benang aktif kanggo mbentuk lapisan otot aktif 2D liwat teknik nyulam lan tenun.Kita wis sinau kanthi kuantitatif tingkat ekspansi lan pasukan kontraksi saka jaringan "pinter" iki babagan volume cairan lan tekanan sing dikirim.Model analitis wis dikembangake kanggo netepake hubungan gaya elongasi kanggo lembaran rajutan lan anyaman.Kita uga njlèntrèhaké sawetara Techniques programming mechanical kanggo tekstil pinter kanggo gerakan multimodal, kalebu extension loro-arah, mlengkung, expansion radial, lan kemampuan kanggo transisi saka 2D kanggo 3D.Kanggo nduduhake kekuwatan pendekatan kita, kita uga bakal nggabungake AMF menyang kain komersial utawa tekstil kanggo ngganti konfigurasi saka struktur pasif dadi aktif sing nyebabake macem-macem deformasi.Kita uga wis nduduhake konsep iki ing sawetara bangku tes eksperimen, kalebu mlengkung benang sing bisa diprogram kanggo ngasilake huruf sing dikarepake lan struktur biologis sing ngowahi wujud dadi obyek kayata kupu, struktur quadrupedal lan kembang.
Tekstil minangka struktur rong dimensi sing fleksibel sing dibentuk saka benang siji-dimensi sing dijalin kayata benang, benang lan serat.Tekstil minangka salah sawijining teknologi paling tuwa ing manungsa lan akeh digunakake ing kabeh aspek urip amarga kepenak, adaptasi, breathability, estetika lan perlindungan.Tekstil pinter (uga dikenal minangka sandhangan pinter utawa kain robot) saya akeh digunakake ing riset amarga potensial gedhe ing aplikasi robot20,52.Tekstil pinter janji bakal nambah pengalaman manungsa kanggo sesambungan karo obyek sing alus, nuwuhake owah-owahan paradigma ing lapangan ing ngendi gerakan lan pasukan kain sing tipis lan fleksibel bisa dikontrol kanggo nindakake tugas tartamtu.Ing makalah iki, kita njelajah rong pendekatan kanggo produksi tekstil pinter adhedhasar AMF49 anyar: (1) nggunakake AMF minangka benang aktif kanggo nggawe tekstil pinter nggunakake teknologi manufaktur tekstil tradisional;(2) lebokake AMF langsung menyang kain tradisional kanggo ngrangsang gerakan lan deformasi sing dikarepake.
AMF kasusun saka tabung silikon internal kanggo nyuplai daya hidrolik lan kumparan heliks eksternal kanggo mbatesi ekspansi radial.Mangkono, AMFs elongate longitudinal nalika meksa ditrapake lan salajengipun nuduhake pasukan contractile bali menyang dawa asline nalika meksa dirilis.Dheweke duwe sifat sing padha karo serat tradisional, kalebu keluwesan, diameter cilik lan dawa dawa.Nanging, AMF luwih aktif lan dikontrol babagan gerakan lan kekuatan tinimbang mitra konvensional.Diilhami dening kemajuan cepet ing tekstil cerdas, ing kene kita nampilake papat pendekatan utama kanggo ngasilake tekstil cerdas kanthi ngetrapake AMF menyang teknologi manufaktur kain sing wis suwe (Gambar 1).
Cara pisanan yaiku tenun.Kita nggunakake teknologi nyulam weft kanggo ngasilake kain rajutan reaktif sing mbukak ing siji arah nalika digerakake kanthi hidrolik.Lembaran rajutan banget elastis lan elastis nanging cenderung luwih gampang dibongkar tinimbang lembaran tenunan.Gumantung saka cara kontrol, AMF bisa mbentuk baris individu utawa produk lengkap.Saliyane lembaran datar, pola nyulam tubular uga cocok kanggo nggawe struktur kothong AMF.Cara kapindho yaiku tenun, ing ngendi kita nggunakake rong AMF minangka warp lan weft kanggo mbentuk lembaran tenunan persegi panjang sing bisa nggedhekake kanthi bebas ing rong arah.Lembaran tenunan nyedhiyakake kontrol luwih akeh (ing loro arah) tinimbang lembaran rajutan.Kita uga nenun AMF saka benang tradisional kanggo nggawe lembaran tenunan sing luwih prasaja sing mung bisa dibuwang ing siji arah.Cara katelu - ekspansi radial - minangka varian saka teknik tenun, ing ngendi AMP ora ana ing persegi panjang, nanging ing spiral, lan benang nyedhiyakake kendala radial.Ing kasus iki, braid ngembang kanthi radial ing tekanan inlet.Pendekatan kaping papat yaiku nempelake AMF ing lembaran kain pasif kanggo nggawe gerakan mlengkung ing arah sing dikarepake.Kita wis ngatur maneh papan breakout pasif dadi papan breakout aktif kanthi mbukak AMF ing pinggire.Sifat AMF sing bisa diprogram iki mbukak kemungkinan sing ora kaetung kanggo struktur alus sing ngowahi bentuk sing diilhami bio sing bisa ngowahi obyek pasif dadi aktif.Cara iki prasaja, gampang, lan cepet, nanging bisa kompromi umur dawa prototipe.Pembaca diarani pendekatan liyane ing literatur sing rinci babagan kekuwatan lan kelemahane saben properti jaringan21,33,34,35.
Umume benang utawa benang sing digunakake kanggo nggawe kain tradisional ngemot struktur pasif.Ing karya iki, kita nggunakake AMF sing wis dikembangake sadurunge, sing bisa tekan dawa meter lan diameter submillimeter, kanggo ngganti benang tekstil pasif tradisional karo AFM kanggo nggawe kain sing cerdas lan aktif kanggo aplikasi sing luwih akeh.Bagean ing ngisor iki njlèntrèhaké cara rinci kanggo nggawe prototipe tekstil pinter lan nampilake fungsi lan prilaku utama.
Kita nggawe telung kaos AMF kanthi nggunakake teknik nyulam weft (Gambar 2A).Pilihan material lan spesifikasi rinci kanggo AMF lan prototipe bisa ditemokake ing bagean Metode.Saben AMF ngetutake jalur gulung (uga disebut rute) sing mbentuk loop simetris.Puteran saben baris tetep nganggo puteran saka larik ing ndhuwur lan ngisor.Dering siji kolom sing tegak lurus karo jalur kasebut digabung dadi poros.Prototipe rajutan kita kasusun saka telung larik saka pitung jahitan (utawa pitung jahitan) ing saben baris.Ring ndhuwur lan ngisor ora tetep, supaya kita bisa masang menyang rod logam sing cocog.Prototipe rajutan dibongkar luwih gampang tinimbang kain rajutan konvensional amarga kaku AMF sing luwih dhuwur tinimbang benang konvensional.Mulane, kita diikat puteran saka baris jejer karo tali elastis tipis.
Macem-macem prototipe tekstil cerdas ditindakake kanthi konfigurasi AMF sing beda.(A) Lembar rajutan digawe saka telung AMF.(B) Lembar anyaman bidirectional saka rong AMF.(C) Lembaran tenunan searah sing digawe saka AMF lan benang akrilik bisa nanggung beban 500g, yaiku 192 kali bobote (2.6g).(D) Struktur ngembangaken radial kanthi siji AMF lan benang katun minangka kendala radial.Spesifikasi rinci bisa ditemokake ing bagean Metode.
Senajan puteran zigzag saka rajutan bisa mulet ing arah sing beda-beda, prototipe rajutan kita berkembang utamane ing arah daur ulang ing tekanan amarga watesan arah lelungan.Dawane saben AMF nyumbang kanggo ekspansi total area lembaran rajutan.Gumantung saka syarat tartamtu, kita bisa ngontrol telung AMF kanthi mandiri saka telung sumber cairan sing beda (Gambar 2A) utawa bebarengan saka siji sumber cairan liwat distributor cairan 1-kanggo-3.Ing anjir.2A nuduhake conto prototipe rajutan, area wiwitan sing tambah 35% nalika ngetrapake tekanan ing telung AMP (1.2 MPa).Utamane, AMF entuk elongasi dhuwur paling ora 250% saka dawa asline49 supaya lembaran rajutan bisa luwih dawa tinimbang versi saiki.
Kita uga nggawe lembaran tenunan bidirectional sing dibentuk saka rong AMF nggunakake teknik tenunan polos (Gambar 2B).AMF warp lan weft sing intertwined ing sudhut tengen, mbentuk pola criss-cross prasaja.Tenun prototipe kita diklasifikasikake minangka tenunan polos sing seimbang amarga benang lungsin lan benang pakan digawe saka ukuran benang sing padha (pirsani bagean Metode kanggo rincian).Ora kaya benang biasa sing bisa mbentuk lipatan sing cetha, AMF sing ditrapake mbutuhake radius lentur tartamtu nalika bali menyang benang liyane saka pola tenun.Mulane, lembaran tenunan sing digawe saka AMP nduweni kapadhetan sing luwih murah tinimbang tekstil tenunan konvensional.AMF-jinis S (diameteripun njaba 1,49 mm) wis radius mlengkung minimal 1,5 mm.Contone, tenunan prototipe sing disedhiyakake ing artikel iki nduweni pola benang 7 × 7 ing ngendi saben persimpangan stabil kanthi simpul tali elastis tipis.Nggunakake teknik tenun sing padha, sampeyan bisa entuk luwih akeh helai.
Nalika AMF sing cocog nampa tekanan cairan, lembaran anyaman nggedhekake area ing arah warp utawa weft.Mulane, kita ngontrol ukuran lembaran braided (dawa lan jembar) kanthi ngganti jumlah tekanan inlet sing ditrapake ing rong AMP.Ing anjir.2B nuduhake prototipe tenunan sing ditambahi nganti 44% saka area asline nalika ngetrapake tekanan siji AMP (1.3 MPa).Kanthi tumindak tekanan bebarengan ing rong AMF, wilayah kasebut tambah 108%.
Kita uga nggawe sheet tenunan unidirectional saka AMF siji karo benang warp lan akrilik minangka weft (Gambar 2C).AMF disusun ing pitung larik zigzag lan benang nenun larik AMF kasebut bebarengan kanggo mbentuk lembaran kain persegi panjang.Prototipe tenunan iki luwih padhet tinimbang ing Gambar 2B, amarga benang akrilik alus sing gampang ngisi kabeh lembaran.Amarga kita mung nggunakake siji AMF minangka warp, lembaran tenunan mung bisa nggedhekake menyang warp ing tekanan.Gambar 2C nuduhake conto prototipe tenunan sing area wiwitan mundhak 65% kanthi nambah tekanan (1,3 MPa).Kajaba iku, potongan jalinan iki (bobot 2,6 gram) bisa ngangkat beban 500 gram, yaiku 192 kali massa.
Tinimbang ngatur AMF ing pola zigzag kanggo nggawe sheet tenunan persegi dowo, kita fabricated wangun spiral flat saka AMF, kang banjur radially diwatesi karo benang katun kanggo nggawe sheet anyaman babak (Gambar 2D).Kaku AMF sing dhuwur mbatesi ngisi wilayah tengah piring kasebut.Nanging, bantalan iki bisa digawe saka benang elastis utawa kain elastis.Sawise nampa tekanan hidrolik, AMP ngowahi elongasi longitudinal dadi ekspansi radial lembaran.Sampeyan uga kudu dicathet yen diameter njaba lan njero saka wangun spiral tambah amarga watesan radial filamen.Gambar 2D nuduhake yen kanthi tekanan hidrolik sing ditrapake 1 MPa, wangun lembaran bunder ngembang nganti 25% saka area asline.
We saiki kene pendekatan liya kanggo nggawe tekstil pinter ngendi kita lim AMF kanggo Piece warata saka kain lan reconfigure saka pasif kanggo struktur aktif kontrol.Diagram desain saka drive mlengkung ditampilake ing anjir.3A, ing endi AMP dilebokake ing tengah lan ditempelake menyang jalur kain sing ora bisa dipanjangake (kain muslin katun) kanthi nggunakake tape sisi loro minangka adesif.Sawise disegel, ndhuwur AMF bebas kanggo ngluwihi, nalika ngisor diwatesi dening tape lan kain, nyebabake Strip kanggo mlengkung menyang kain.Kita bisa mateni bagean apa wae saka aktuator bend ing endi wae kanthi nempelake tape.Segmen sing dipateni ora bisa obah lan dadi segmen pasif.
Kain dikonfigurasi ulang kanthi nempel AMF ing kain tradisional.(A) Konsep desain kanggo drive mlengkung digawe dening gluing AMF lempitan menyang kain inextensible.(B) Mlengkung prototipe aktuator.(C) Reconfiguration saka kain persegi dowo menyang robot aktif papat-legged.Kain ora elastis: kaos katun.Kain stretch: poliester.Spesifikasi rinci bisa ditemokake ing bagean Metode.
Kita nggawe sawetara aktuator mlengkung prototipe kanthi dawa sing beda-beda lan ditekan nganggo hidrolika kanggo nggawe gerakan mlengkung (Gambar 3B).Sing penting, AMF bisa dilebokake ing garis lurus utawa dilipat kanggo mbentuk pirang-pirang benang lan banjur dipasang ing kain kanggo nggawe drive mlengkung kanthi jumlah benang sing cocog.Kita uga ngowahi lembaran jaringan pasif dadi struktur tetrapoda sing aktif (Gambar 3C), ing ngendi kita nggunakake AMF kanggo ngarahake wates jaringan sing ora bisa diterusake persegi panjang (kain muslin katun).AMP ditempelake ing kain kanthi selembar tape kaping pindho.Ing tengah saben pinggiran ditempelake dadi pasif, dene papat pojok tetep aktif.Tutup ndhuwur kain regangan (poliester) iku opsional.Sekawan sudhut kain mlengkung (katon kaya sikil) nalika ditekan.
Kita mbangun bangku tes kanggo nyinaoni sacara kuantitatif sifat-sifat tekstil cerdas sing dikembangake (pirsani bagean Metode lan Gambar Tambahan S1).Wiwit kabeh sampel digawe saka AMF, tren umum saka asil eksperimen (Gambar 4) konsisten karo karakteristik utama AMF, yaiku, tekanan inlet sebanding langsung karo elongasi stopkontak lan proporsional kuwalik karo gaya kompresi.Nanging, kain pinter iki nduweni ciri unik sing nggambarake konfigurasi tartamtu.
Nduwe konfigurasi tekstil sing cerdas.(A, B) Kurva histeresis kanggo tekanan inlet lan elongasi outlet lan gaya kanggo lembaran anyaman.(C) Perluasan area lembaran anyaman.(D,E) Hubungan antarane tekanan input lan elongasi output lan gaya kanggo rajutan.(F) Ekspansi area struktur radial ngembangaken.(G) sudhut mlengkung saka telung beda dawa drive mlengkung.
Saben AMF saka lembaran tenunan kena tekanan inlet 1 MPa kanggo ngasilake kira-kira 30% elongasi (Gambar 4A).Kita milih batesan iki kanggo kabeh eksperimen amarga sawetara alasan: (1) nggawe elongasi sing signifikan (kira-kira 30%) kanggo nandheske kurva histeresis, (2) kanggo nyegah siklus saka eksperimen sing beda lan prototipe sing bisa digunakake maneh sing nyebabake karusakan utawa kegagalan sing ora disengaja..ing tekanan cairan dhuwur.Zona mati katon jelas, lan braid tetep ora obah nganti tekanan inlet tekan 0,3 MPa.Plot histeresis elongasi tekanan nuduhake celah gedhe antarane fase pumping lan ngeculake, nuduhake yen ana mundhut energi sing signifikan nalika lembaran tenunan ngganti gerakan saka ekspansi menyang kontraksi.(Gambar 4A).Sawise entuk tekanan inlet 1 MPa, lembaran tenunan bisa ngetokake gaya kontraksi 5,6 N (Gambar 4B).Plot histeresis tekanan-pasukan uga nuduhake yen kurva reset meh tumpang tindih karo kurva tekanan.Perluasan area lembaran tenunan gumantung saka jumlah tekanan sing ditrapake kanggo saben loro AMF, kaya sing ditampilake ing plot permukaan 3D (Gambar 4C).Eksperimen uga nuduhake manawa lembaran tenunan bisa ngasilake ekspansi area 66% nalika AMF warp lan weft bebarengan kena tekanan hidrolik 1 MPa.
Asil eksperimen kanggo lembaran rajutan nuduhake pola sing padha karo lembaran tenunan, kalebu celah histeresis sing amba ing diagram tekanan-tekanan lan kurva tekanan-tekanan sing tumpang tindih.Lembar rajutan nuduhake elongasi 30%, sawise iku gaya kompresi 9 N ing tekanan inlet 1 MPa (Gambar 4D, E).
Ing kasus lembaran tenunan bunder, area wiwitan tambah 25% dibandhingake karo area wiwitan sawise kena tekanan cairan 1 MPa (Gambar 4F).Sadurunge sampel wiwit nggedhekake, ana zona mati tekanan inlet gedhe nganti 0,7 MPa.Zona mati gedhe iki samesthine amarga conto digawe saka AMF luwih gedhe sing mbutuhake tekanan sing luwih dhuwur kanggo ngatasi stres awal.Ing anjir.4F uga nuduhake yen kurva release meh pas karo kurva nambah meksa, nuduhake mundhut energi sethitik nalika gerakan disk diuripake.
Asil eksperimen kanggo telung aktuator mlengkung (konfigurasi ulang jaringan) nuduhake yen kurva histeresis duwe pola sing padha (Gambar 4G), ing ngendi dheweke ngalami zona mati tekanan inlet nganti 0,2 MPa sadurunge diangkat.We Applied volume padha Cairan (0,035 ml) kanggo telung mlengkung drive (L20, L30 lan L50 mm).Nanging, saben aktuator ngalami puncak tekanan sing beda-beda lan ngembangake sudut lentur sing beda.Aktuator L20 lan L30 mm ngalami tekanan inlet 0,72 lan 0,67 MPa, tekan sudut lentur masing-masing 167° lan 194°.Drive mlengkung paling dawa (dawa 50 mm) tahan tekanan 0,61 MPa lan tekan sudut mlengkung maksimum 236 °.Plot histeresis sudut tekanan uga nuduhake kesenjangan sing relatif gedhe ing antarane kurva tekanan lan rilis kanggo kabeh telung drive mlengkung.
Hubungan antarane volume input lan sifat output (elongation, gaya, expansion area, amba mlengkung) kanggo konfigurasi tekstil pinter ndhuwur bisa ditemokake ing Gambar Tambahan S2.
Asil eksperimen ing bagean sadurunge kanthi jelas nuduhake hubungan proporsional antarane tekanan inlet sing ditrapake lan elongasi outlet sampel AMF.Sing kuwat AMB tegang, luwih gedhe elongasi sing dikembangake lan energi sing luwih elastis sing dikumpulake.Mula, luwih gedhe gaya tekan sing ditindakake.Asil uga nuduhake yen spesimen tekan gaya komprèsi maksimum nalika tekanan inlet wis rampung dibusak.Bagean iki yakuwi kanggo netepake hubungan langsung antarane elongation lan pasukan shrinkage maksimum rajutan lan ditenun sheets liwat modeling analitis lan verifikasi eksperimen.
Gaya kontraktil maksimum Fout (ing tekanan inlet P = 0) saka AMF siji diwenehi ing ref 49 lan diidinake maneh kaya ing ngisor iki:
Antarane, α, E, lan A0 yaiku faktor regangan, modulus Young, lan area cross-sectional saka tabung silikon;k = koefisien kekakuan kumparan spiral;x lan li diimbangi lan dawa wiwitan.AMP, masing-masing.
persamaan tengen.(1) Njupuk lembaran rajutan lan tenunan minangka conto (Gambar 5A, B).Gaya shrinkage saka produk rajutan Fkv lan produk anyaman Fwh ditulis dening persamaan (2) lan (3), mungguh.
ngendi mk minangka jumlah puteran, φp minangka sudut daur ulang saka kain rajutan nalika injeksi (Gambar 5A), mh minangka jumlah benang, θhp minangka sudut keterlibatan kain rajutan nalika injeksi (Gambar 5B), εkv εwh minangka lembaran rajutan lan deformasi lembaran tenunan, F0 minangka tegangan awal gulungan spiral.Derivasi rinci saka persamaan.(2) lan (3) bisa ditemokake ing informasi panyengkuyung.
Nggawe model analitis kanggo hubungan elongation-force.(A,B) Ilustrasi model analitik kanggo lembaran rajutan lan anyaman.(C,D) Perbandingan model analitis lan data eksperimen kanggo lembaran rajutan lan anyaman.RMSE ROOT tegese kesalahan kothak.
Kanggo nguji model sing dikembangake, kita nindakake eksperimen elongasi nggunakake pola rajutan ing Fig. 2A lan conto braided ing Fig. 2B.Gaya kontraksi diukur kanthi tambahan 5% kanggo saben ekstensi sing dikunci saka 0% nganti 50%.Rata-rata lan standar deviasi saka limang uji coba ditampilake ing Gambar 5C (rajut) lan Gambar 5D (rajut).Kurva model analitik digambarake kanthi persamaan.Parameter (2) lan (3) diwenehi ing Tabel.1. Asil nuduhake yen model analitis cocok karo data eksperimen ing kabeh elongation range kanthi root mean square error (RMSE) 0,34 N kanggo rajutan, 0,21 N kanggo anyaman AMF H (arah horisontal) lan 0,17 N kanggo anyaman AMF.V (arah vertikal).
Saliyane gerakan dhasar, tekstil pinter sing diusulake bisa diprogram kanthi mekanis kanggo nyedhiyakake gerakan sing luwih rumit kayata S-bend, kontraksi radial, lan deformasi 2D nganti 3D.We saiki sawetara cara kanggo program tekstil flat pinter menyang struktur sing dikarepake.
Saliyane ngembangake domain ing arah linier, lembaran tenunan unidirectional bisa diprogram sacara mekanik kanggo nggawe gerakan multimodal (Gambar 6A).Kita reconfigure extension saka sheet braided minangka gerakan mlengkung, constraining siji saka pasuryan (ndhuwur utawa ngisor) karo thread jahitan.Lembaran kasebut cenderung mlengkung menyang permukaan sing ana ing tekanan.Ing anjir.6A nuduhake rong conto panel tenunan sing dadi S-shaped nalika setengah cramped ing sisih ndhuwur lan setengah liyane cramped ing sisih ngisor.Utawa, sampeyan bisa nggawe gerakan mlengkung bunder ing ngendi mung kabeh pasuryan diwatesi.A sheet braided unidirectional uga bisa digawe menyang lengan komprèsi kanthi nyambungake loro ends menyang struktur tubular (Fig. 6B).Lengan kasebut dipakai ing driji telunjuk wong kanggo nyedhiyakake kompresi, minangka terapi pijet kanggo nyuda rasa nyeri utawa nambah sirkulasi.Bisa ukurane pas karo bagian awak liyane kayata lengen, pinggul, lan sikil.
Kemampuan kanggo nenun sheets ing siji arah.(A) Nggawe struktur sing bisa diowahi amarga bisa diprogram saka wangun benang jahitan.(B) Lengan kompresi jari.(C) Versi liyane saka sheet braided lan implementasine minangka lengan kompresi lengen.(D) Prototipe lengan kompresi liyane sing digawe saka AMF jinis M, benang akrilik lan tali Velcro.Spesifikasi rinci bisa ditemokake ing bagean Metode.
Gambar 6C nuduhake conto liyane saka lembaran tenunan searah sing digawe saka siji AMF lan benang katun.Lembaran kasebut bisa nggedhekake 45% ing area (ing 1,2 MPa) utawa nyebabake gerakan bunder ing tekanan.Kita uga wis nggabungake sheet kanggo nggawe lengan kompresi lengen kanthi masang tali magnet ing mburi sheet.Prototipe lengan kompresi lengen liyane ditampilake ing Fig. 6D, ing ngendi lembaran braided unidirectional digawe saka Tipe M AMF (ndeleng Metode) lan benang akrilik kanggo ngasilake pasukan kompresi sing luwih kuat.Kita wis dilengkapi ends saka sheets karo nyudo Velcro kanggo lampiran gampang lan kanggo ukuran tangan beda.
Teknik restraint, sing ngowahi ekstensi linear dadi gerakan mlengkung, uga ditrapake kanggo lembaran tenunan bidirectional.Kita nenun benang katun ing salah siji sisih lembaran tenunan warp lan weft supaya ora nggedhekake (Gambar 7A).Mangkono, nalika loro AMF nampa tekanan hidrolik kanthi bebas saka saben liyane, lembaran kasebut ngalami gerakan mlengkung loro-arah kanggo mbentuk struktur telung dimensi sing sewenang-wenang.Ing pendekatan liyane, kita nggunakake benang inextensible kanggo matesi siji arah sheets tenunan bidirectional (Gambar 7B).Mangkono, sheet bisa nggawe gerakan mlengkung lan mulet nalika AMF cocog ing meksa.Ing anjir.7B nuduhake conto ing ngendi sheet braided loro-arah dikontrol kanggo mbungkus rong pertiga saka driji manungsa kanthi gerakan mlengkung lan banjur ngluwihi dawa kanggo nutupi liyane karo gerakan mulet.Gerakan loro-lorone saka sheets bisa migunani kanggo desain fashion utawa pembangunan sandhangan pinter.
Lembar tenunan bi-arah, lembaran rajutan lan kemampuan desain sing bisa ditambahi kanthi radial.(A) Panel wicker bi-directional terikat bi-directional kanggo nggawe bend bi-directional.(B) Panel anyaman bidirectional sing dibatasi unidirectional ngasilake lentur lan elongasi.(C) Lembar rajutan sing elastis banget, sing bisa cocog karo lengkungan permukaan sing beda-beda lan malah mbentuk struktur tubular.(D) delimitasi garis tengah saka struktur radially ngembangaken mbentuk wangun parabolic hyperbolic (kripik kentang).
Kita nyambungake rong puteran jejer saka baris ndhuwur lan ngisor saka bagean rajutan kanthi benang jahitan supaya ora bisa dibongkar (Gambar 7C).Mangkono, lembaran tenunan kanthi fleksibel lan adaptasi kanthi apik kanggo macem-macem kurva permukaan, kayata permukaan kulit tangan lan lengen manungsa.Kita uga nggawe struktur tubular (lengan) kanthi nyambungake ujung rajutan ing arah lelungan.Lengen klambi kasebut kanthi apik ing driji telunjuk wong kasebut (Gbr. 7C).Sinuosity saka kain tenunan nyedhiyakake pas lan deformability sing apik, saengga gampang digunakake ing nganggo pinter (sarung tangan, lengen kompresi), nyedhiyakake kenyamanan (liwat pas) lan efek terapeutik (liwat kompresi).
Saliyane ekspansi radial 2D ing pirang-pirang arah, lembaran anyaman bunder uga bisa diprogram kanggo mbentuk struktur 3D.We matesi garis tengah braid babak karo benang akrilik kanggo ngganggu expansion radial seragam sawijining.Akibaté, wangun warata asli saka lembaran tenunan bunder diowahi dadi wangun parabola hiperbolik (utawa kripik kentang) sawise tekanan (Gambar 7D).Kemampuan owah-owahan wujud iki bisa dileksanakake minangka mekanisme angkat, lensa optik, sikil robot seluler, utawa bisa migunani ing desain fashion lan robot bionik.
Kita wis dikembangaké technique prasaja kanggo nggawe drive lentur dening gluing AMF menyang Strip saka kain non-regangan (Figure 3).Kita nggunakake konsep iki kanggo nggawe wangun Utas programmable ngendi kita bisa strategis disebaraké sawetara bagean aktif lan pasif ing siji AMF kanggo nggawe wangun dikarepake.We fabricated lan programmed papat filamen aktif sing bisa ngganti wangun saka langsung kanggo huruf (UNSW) minangka tekanan tambah (Tambahan Gambar. S4).Cara prasaja iki ngidini deformability AMF kanggo ngowahi garis 1D menyang wangun 2D lan bisa uga struktur 3D.
Ing pendekatan sing padha, kita nggunakake AMF siji kanggo reconfigure Piece saka jaringan normal pasif menyang tetrapod aktif (Fig. 8A).Konsep routing lan pemrograman padha karo sing ditampilake ing Gambar 3C.Nanging, tinimbang lembaran persegi panjang, dheweke wiwit nggunakake kain kanthi pola quadrupedal (penyu, muslin katun).Mulane, sikil luwih dawa lan struktur bisa diangkat luwih dhuwur.Dhuwur saka struktur mboko sithik mundhak ing tekanan nganti sikile jejeg ing lemah.Yen tekanan inlet terus mundhak, sikil bakal mudhun menyang njero, ngedhunake dhuwure struktur.Tetrapods bisa nindakake lokomotif yen sikile dilengkapi pola searah utawa nggunakake macem-macem AMF kanthi strategi manipulasi gerakan.Robot lokomotif alus dibutuhake kanggo macem-macem tugas, kalebu nylametake saka kebakaran liar, bangunan ambruk utawa lingkungan sing mbebayani, lan robot pangiriman obat medis.
Kain kasebut dikonfigurasi maneh kanggo nggawe struktur sing owah-owahan wujud.(A) Lem AMF menyang tapel wates sheet kain pasif, ngowahi dadi struktur papat-legged steerable.(BD) Loro conto liyane konfigurasi jaringan, ngowahi kupu pasif lan kembang dadi aktif.Kain non-stretch: kain katun polos.
Kita uga njupuk kauntungan saka gamblang lan versatility saka technique reconfiguration tissue iki dening ngenalke loro struktur bioinspired tambahan kanggo reshaping (Figures 8B-D).Kanthi AMF sing bisa diowahi, struktur sing bisa diowahi bentuk iki dikonfigurasi ulang saka lembaran jaringan pasif dadi struktur sing aktif lan bisa dikendhaleni.Diilhami dening kupu-kupu raja, kita nggawe struktur kupu-kupu sing ngowahi kanthi nggunakake kain sing bentuke kupu-kupu (katun muslin) lan potongan AMF dawa sing macet ing swiwine.Nalika AMF ana ing meksa, wings melu munggah.Kaya Monarch Butterfly, sayap kiwa lan tengen Robot Butterfly kepak kanthi cara sing padha amarga loro-lorone dikontrol dening AMF.Flaps kupu mung kanggo tujuan tampilan.Ora bisa mabur kaya Smart Bird (Festo Corp., USA).Kita uga nggawe kembang kain (Gambar 8D) sing dumadi saka rong lapisan saben limang kelopak.Kita nyelehake AMF ing ngisor saben lapisan sawise pinggir njaba kelopak.Kaping pisanan, kembang kasebut mekar kanthi lengkap, kanthi kabeh kelopak mbukak.Ing tekanan, AMF nyebabake gerakan mlengkung saka kelopak, nyebabake tutup.Loro AMF kanthi mandiri ngontrol gerakan rong lapisan, dene limang kelopak siji lapisan lentur ing wektu sing padha.