Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Sınırlı CSS desteğine sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Ayrıca sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan gösteriyoruz.
Aynı anda üç slayttan oluşan bir atlıkarınca görüntüler.Aynı anda üç slaytta ilerlemek için Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanın veya aynı anda üç slaytta ilerlemek için sondaki kaydırma düğmelerini kullanın.
Akıllı tekstiller oluşturmak için tekstilleri ve yapay kasları birleştirmek hem bilimsel hem de endüstriyel toplulukların büyük ilgisini çekiyor.Akıllı tekstiller, istenen hareket ve güç için aktif harekete geçirme sağlarken, uyarlanabilir konfor ve nesnelere yüksek derecede uyum gibi birçok fayda sunar.Bu makale, sıvıyla çalışan yapay kas liflerinin çeşitli dokuma, dokuma ve yapıştırma yöntemleri kullanılarak yapılan yeni bir programlanabilir akıllı kumaş sınıfını sunuyor.Örme ve dokuma tekstil levhalarının uzama kuvvetinin oranını açıklamak için bir matematiksel model geliştirilmiş ve geçerliliği deneysel olarak test edilmiştir.Yeni "akıllı" tekstil, daha geniş bir uygulama yelpazesi için çok modlu hareket ve deformasyon yeteneklerine olanak tanıyan yüksek esneklik, uyumluluk ve mekanik programlama özelliklerine sahiptir.Uzama (%65'e kadar), alan genişlemesi (%108), radyal genişleme (%25) ve bükülme hareketi gibi çeşitli şekil değişikliği durumları dahil olmak üzere deneysel doğrulama yoluyla çeşitli akıllı tekstil prototipleri oluşturuldu.Yapıların biyomimetik olarak şekillendirilmesi için pasif geleneksel dokuların aktif yapılara yeniden yapılandırılması kavramı da araştırılmaktadır.Önerilen akıllı tekstillerin, akıllı giyilebilir cihazların, dokunsal sistemlerin, biyomimetik yumuşak robotların ve giyilebilir elektroniklerin geliştirilmesini kolaylaştırması bekleniyor.
Sert robotlar yapılandırılmış ortamlarda çalışırken etkilidir, ancak değişen ortamların bilinmeyen bağlamıyla ilgili sorunları vardır ve bu da onların arama veya keşifte kullanımlarını sınırlandırır.Doğa, dış faktörler ve çeşitlilikle baş etmeye yönelik birçok yaratıcı stratejiyle bizi şaşırtmaya devam ediyor.Örneğin, tırmanan bitkilerin filizleri, uygun bir destek bulmak amacıyla bilinmeyen bir ortamı keşfetmek için bükülme ve sarmallanma gibi çok modlu hareketler gerçekleştirir1.Sinekkapan bitkisinin (Dionaea muscipula) yapraklarında, tetiklendiğinde avını yakalamak için yerine oturan hassas tüyler bulunur2.Son yıllarda cisimlerin iki boyutlu (2D) yüzeylerden biyolojik yapıları taklit eden üç boyutlu (3D) şekillere doğru deformasyonu veya deformasyonu ilginç bir araştırma konusu haline gelmiştir3,4.Bu yumuşak robotik konfigürasyonlar, değişen ortamlara uyum sağlamak için şekil değiştirir, çok modlu hareketi mümkün kılar ve mekanik işleri gerçekleştirmek için kuvvet uygular.Erişim alanları, konuşlandırılabilir5, yeniden yapılandırılabilir ve kendi kendine katlanan robotlar6,7, biyomedikal cihazlar8, araçlar9,10 ve genişletilebilir elektronikler11 dahil olmak üzere çok çeşitli robotik uygulamaları kapsayacak şekilde genişledi.
Etkinleştirildiğinde karmaşık üç boyutlu yapılara3 dönüşen programlanabilir düz plakalar geliştirmek için pek çok araştırma yapılmıştır.Deforme olabilen yapılar oluşturmaya yönelik basit bir fikir, uyaranlara maruz kaldığında esneyen ve kırışan farklı malzeme katmanlarını birleştirmektir12,13.Janbaz ve ark.14 ve Li ve ark.15, bu konsepti ısıya duyarlı çok modlu deforme olabilen robotlar oluşturmak için uyguladı.Uyaranlara duyarlı unsurları içeren origami tabanlı yapılar, karmaşık üç boyutlu yapılar16,17,18 oluşturmak için kullanılmıştır.Biyolojik yapıların morfogenezinden ilham alan Emmanuel ve ark.Şekli deforme olabilen elastomerler, basınç altında karmaşık, keyfi üç boyutlu şekillere dönüşen bir kauçuk yüzey içindeki hava kanallarının düzenlenmesiyle oluşturulur.
Tekstil veya kumaşların deforme olabilen yumuşak robotlara entegrasyonu, geniş çapta ilgi uyandıran bir başka yeni konsept projedir.Tekstiller, iplikten örgü, dokuma, örgü veya düğümlü dokuma gibi dokuma teknikleriyle elde edilen yumuşak ve elastik malzemelerdir.Kumaşların esneklik, uyum, elastikiyet ve nefes alabilirlik gibi şaşırtıcı özellikleri, onları giyimden tıbbi uygulamalara kadar her alanda çok popüler kılmaktadır20.Tekstilleri robot bilimine dahil etmeye yönelik üç geniş yaklaşım vardır21.İlk yaklaşım, tekstili diğer bileşenler için pasif bir destek veya taban olarak kullanmaktır.Bu durumda pasif tekstiller, sert bileşenleri (motorlar, sensörler, güç kaynağı) taşırken kullanıcıya rahat bir uyum sağlar.Yumuşak giyilebilir robotların veya yumuşak dış iskeletlerin çoğu bu yaklaşımın kapsamına girmektedir.Örneğin, yürüme yardımcıları (22) ve dirsek yardımcıları (23, 24, 25) için yumuşak giyilebilir dış iskeletler, el ve parmak yardımcıları için yumuşak giyilebilir eldivenler (26) ve biyonik yumuşak robotlar (27).
İkinci yaklaşım ise tekstillerin yumuşak robotik cihazların pasif ve sınırlı bileşenleri olarak kullanılmasıdır.Tekstil bazlı aktüatörler bu kategoriye girer; burada kumaş genellikle iç hortumu veya bölmeyi içerecek bir dış kap olarak inşa edilir ve yumuşak elyafla güçlendirilmiş bir aktüatör oluşturur.Harici bir pnömatik veya hidrolik kaynağa maruz kaldığında bu yumuşak aktüatörler, orijinal bileşimlerine ve konfigürasyonlarına bağlı olarak uzama, bükülme veya bükülme dahil olmak üzere şekil değişikliklerine uğrar.Örneğin Talman ve ark.Bir dizi kumaş cepten oluşan ortopedik ayak bileği giysisi, yürüyüşü yeniden sağlamak amacıyla plantar fleksiyonu kolaylaştırmak için piyasaya sürülmüştür28.Farklı uzayabilirliğe sahip tekstil katmanları, anizotropik hareket 29 oluşturmak için birleştirilebilir.OmniSkins – çeşitli yumuşak aktüatörler ve alt tabaka malzemelerinden yapılan yumuşak robotik kaplamalar, pasif nesneleri çeşitli uygulamalar için çok modlu hareketler ve deformasyonlar gerçekleştirebilen çok işlevli aktif robotlara dönüştürebilir.Zhu ve diğerleri.uzama, bükülme ve çeşitli deformasyon hareketleri üretebilen sıvı bir doku kas tabakası31 geliştirdiler.Buckner ve ark.Çalıştırma, algılama ve değişken sertlik gibi birden fazla işleve sahip robotik dokular oluşturmak için fonksiyonel lifleri geleneksel dokulara entegre edin32.Bu kategorideki diğer yöntemler bu makalelerde 21, 33, 34, 35 bulunabilir.
Yumuşak robotik alanında tekstillerin üstün özelliklerinden yararlanmaya yönelik yeni bir yaklaşım, dokuma, örme ve dokuma yöntemleri21,36,37 gibi geleneksel tekstil üretim yöntemlerini kullanarak akıllı tekstiller oluşturmak için reaktif veya uyarana duyarlı filamentler kullanmaktır.Malzemenin bileşimine bağlı olarak reaktif iplik, elektriksel, termal veya basınç etkisine maruz kaldığında şekil değişikliğine neden olur ve bu da kumaşın deformasyonuna yol açar.Geleneksel tekstillerin yumuşak bir robotik sisteme entegre edildiği bu yaklaşımda, tekstilin yeniden şekillendirilmesi dış katmandan ziyade iç katmanda (iplik) gerçekleşiyor.Bu nedenle akıllı tekstiller, çok modlu hareket, programlanabilir deformasyon, gerilebilirlik ve sertliği ayarlama yeteneği açısından mükemmel kullanım sunar.Örneğin, şekil hafızalı alaşımlar (SMA'lar) ve şekil hafızalı polimerler (SMP'ler), kıvırma38, kırışıklık giderme36,39, dokunsal ve dokunsal geri bildirim40,41 gibi termal uyarımların yanı sıra uyarlanabilir termal uyarım yoluyla şekillerini aktif olarak kontrol etmek için kumaşlara dahil edilebilir. giyilebilir giysiler.cihazlar 42 .Ancak ısıtma ve soğutma için termal enerjinin kullanılması, tepkinin yavaşlamasına, soğutma ve kontrolün zorlaşmasına neden olur.Daha yakın zamanlarda Hiramitsu ve ark.McKibben'in ince kasları43,44, pnömatik yapay kaslar, dokuma yapısını45 değiştirerek çeşitli aktif tekstil formları oluşturmak için çözgü ipliği olarak kullanılır.Bu yaklaşım yüksek kuvvetler sağlasa da McKibben kasının doğası gereği genişleme hızı sınırlıdır (<%50) ve küçük boyuta (çap < 0,9 mm) ulaşılamaz.Ayrıca keskin köşeler gerektiren dokuma yöntemlerinden akıllı tekstil desenleri oluşturmak zorlaşmıştır.Daha geniş bir akıllı tekstil yelpazesi oluşturmak için Maziz ve ark.Elektroaktif giyilebilir tekstiller, elektrosensitif polimer ipliklerin örülmesi ve dokunmasıyla geliştirilmiştir46.
Son yıllarda, oldukça bükülmüş, ucuz polimer liflerden yapılmış yeni bir tür ısıya duyarlı yapay kas ortaya çıkmıştır47,48.Bu elyaflar ticari olarak mevcuttur ve uygun fiyatlı akıllı giysiler üretmek için dokumaya veya dokumaya kolaylıkla dahil edilebilir.Gelişmelere rağmen, bu yeni ısıya duyarlı tekstiller, ısıtma ve soğutma ihtiyacından (örneğin, sıcaklık kontrollü tekstiller) veya istenen deformasyonları ve hareketleri oluşturacak şekilde programlanabilen karmaşık örgü ve dokuma desenleri yapmanın zorluğundan dolayı sınırlı tepki sürelerine sahiptir. .Örnekler arasında burada sunduğumuz radyal genişleme, 2D'den 3D'ye şekil dönüşümü veya çift yönlü genişleme yer alır.
Bahsedilen bu sorunların üstesinden gelmek için bu makale, yakın zamanda tanıttığımız yumuşak yapay kas liflerinden (AMF)49,50,51 yapılan yeni, sıvıyla çalışan akıllı bir tekstil sunmaktadır.AMF'ler son derece esnektir, ölçeklenebilirdir ve 0,8 mm çapa ve büyük uzunluklara (en az 5000 mm) kadar küçültülebilir, yüksek en boy oranının (uzunluktan çapa) yanı sıra yüksek uzama (en az %245), yüksek enerji sunar. verimlilik, 20Hz'den az hızlı yanıt).Akıllı tekstiller yaratmak için örgü ve dokuma teknikleriyle 2 boyutlu aktif kas katmanları oluşturmak amacıyla AMF'yi aktif iplik olarak kullanıyoruz.Bu "akıllı" dokuların genişleme hızını ve kasılma kuvvetini, iletilen sıvı hacmi ve basınç açısından niceliksel olarak inceledik.Örme ve dokuma kumaşlar için uzama kuvveti ilişkisini kurmak amacıyla analitik modeller geliştirilmiştir.Ayrıca çift yönlü uzatma, bükme, radyal genişleme ve 2B'den 3B'ye geçiş yeteneği de dahil olmak üzere çok modlu hareket için akıllı tekstillere yönelik çeşitli mekanik programlama tekniklerini de açıklıyoruz.Yaklaşımımızın gücünü göstermek için, AMF'yi ticari kumaşlara veya tekstillere de entegre ederek konfigürasyonlarını pasif yapılardan çeşitli deformasyonlara neden olan aktif yapılara dönüştüreceğiz.Ayrıca bu konsepti, istenen harfleri üretmek için ipliklerin programlanabilir şekilde bükülmesi ve biyolojik yapıların kelebekler, dört ayaklı yapılar ve çiçekler gibi nesnelerin şekline dönüştürülmesi de dahil olmak üzere çeşitli deneysel test tezgahlarında da gösterdik.
Tekstiller, iplikler, iplikler ve elyaflar gibi iç içe geçmiş tek boyutlu ipliklerden oluşan esnek iki boyutlu yapılardır.Tekstil insanoğlunun en eski teknolojilerinden biri olup rahatlığı, uyum sağlaması, nefes alabilmesi, estetiği ve koruması nedeniyle hayatın her alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.Akıllı tekstiller (akıllı giysiler veya robotik kumaşlar olarak da bilinir), robotik uygulamalardaki büyük potansiyelleri nedeniyle araştırmalarda giderek daha fazla kullanılmaktadır20,52.Akıllı tekstiller, ince, esnek kumaşın hareketinin ve kuvvetlerinin belirli görevleri yerine getirmek için kontrol edilebildiği alanda bir paradigma değişikliğine öncülük ederek, insanın yumuşak nesnelerle etkileşime girme deneyimini geliştirmeyi vaat ediyor.Bu yazıda, son AMF49'umuza dayanarak akıllı tekstil üretimine yönelik iki yaklaşımı araştırıyoruz: (1) geleneksel tekstil üretim teknolojilerini kullanarak akıllı tekstiller oluşturmak için AMF'yi aktif iplik olarak kullanmak;(2) İstenilen hareketi ve deformasyonu teşvik etmek için AMF'yi doğrudan geleneksel kumaşlara yerleştirin.
AMF, hidrolik güç sağlayan dahili bir silikon tüpten ve radyal genleşmeyi sınırlandıran harici bir sarmal bobinden oluşur.Böylece, AMF'ler basınç uygulandığında uzunlamasına uzar ve ardından basınç bırakıldığında orijinal uzunluklarına dönmek için kasılma kuvvetleri sergiler.Esneklik, küçük çap ve uzun uzunluk gibi geleneksel elyaflara benzer özelliklere sahiptirler.Ancak AMF, geleneksel muadillerine göre hareket ve güç açısından daha aktif ve kontrollüdür.Akıllı tekstillerdeki son hızlı gelişmelerden esinlenerek, burada AMF'yi köklü bir kumaş üretim teknolojisine uygulayarak akıllı tekstiller üretmeye yönelik dört ana yaklaşımı sunuyoruz (Şekil 1).
İlk yol dokumadır.Hidrolik olarak çalıştırıldığında tek yönde açılan reaktif örme kumaş üretmek için atkılı örme teknolojisini kullanıyoruz.Örme çarşaflar çok esnek ve gerilebilir ancak dokuma çarşaflardan daha kolay çözülme eğilimindedir.AMF, kontrol yöntemine bağlı olarak bireysel sıralar veya komple ürünler oluşturabilir.AMF içi boş yapıların üretimi için düz levhaların yanı sıra boru şeklindeki örgü modelleri de uygundur.İkinci yöntem, iki yönde bağımsız olarak genişleyebilen dikdörtgen bir dokuma kumaş oluşturmak için çözgü ve atkı olarak iki AMF kullandığımız dokumadır.Dokuma çarşaflar, örme çarşaflara göre (her iki yönde) daha fazla kontrol sağlar.Ayrıca yalnızca tek yönde açılabilen daha basit bir dokuma çarşaf yapmak için geleneksel iplikten AMF'yi dokuduk.Üçüncü yöntem - radyal genişleme - AMP'lerin dikdörtgen değil spiral şeklinde yerleştirildiği ve ipliklerin radyal kısıtlama sağladığı dokuma tekniğinin bir çeşididir.Bu durumda örgü, giriş basıncı altında radyal olarak genişler.Dördüncü bir yaklaşım, istenen yönde bir bükülme hareketi oluşturmak için AMF'yi pasif bir kumaş tabakasına yapıştırmaktır.AMF'yi kenarından çalıştırarak pasif devre kartını aktif bir devre kartına yeniden yapılandırdık.AMF'nin bu programlanabilir doğası, pasif nesneleri aktif nesnelere dönüştürebileceğimiz, biyo-esinli şekil dönüştüren yumuşak yapılar için sayısız olasılığın önünü açıyor.Bu yöntem basit, kolay ve hızlıdır ancak prototipin ömrünü tehlikeye atabilir.Okuyucu, literatürdeki her doku özelliğinin güçlü ve zayıf yönlerini ayrıntılarıyla anlatan diğer yaklaşımlara yönlendirilir21,33,34,35.
Geleneksel kumaşların yapımında kullanılan ipliklerin veya ipliklerin çoğu pasif yapılar içerir.Bu çalışmada, daha geniş bir uygulama yelpazesi için akıllı ve aktif kumaşlar oluşturmak amacıyla geleneksel pasif tekstil ipliklerini AFM ile değiştirmek için daha önce geliştirdiğimiz metre uzunluklara ve milimetre altı çaplara ulaşabilen AMF'mizi kullanıyoruz.Aşağıdaki bölümlerde akıllı tekstil prototipleri oluşturmaya yönelik ayrıntılı yöntemler açıklanmakta ve bunların ana işlevleri ve davranışları sunulmaktadır.
Atkı örgü tekniğini kullanarak üç AMF formasını el işçiliğiyle yaptık (Şekil 2A).AMF'ler ve prototipler için malzeme seçimi ve ayrıntılı spesifikasyonlar Yöntemler bölümünde bulunabilir.Her AMF, simetrik bir döngü oluşturan dolambaçlı bir yolu (rota da denir) takip eder.Her satırın ilmekleri, üstlerindeki ve altındaki sıraların ilmekleri ile sabitlenir.Rotaya dik bir sütunun halkaları bir şaft halinde birleştirilir.Örme prototipimiz her sırada üç sıra yedi ilmek (veya yedi ilmek) bulunmaktadır.Üst ve alt halkalar sabit olmadığından bunları karşılık gelen metal çubuklara takabiliyoruz.AMF'nin geleneksel ipliklere kıyasla daha yüksek sertliği nedeniyle örme prototipler, geleneksel örme kumaşlara göre daha kolay çözüldü.Bu nedenle bitişik sıraların ilmeklerini ince elastik kordonlarla bağladık.
Farklı AMF konfigürasyonlarıyla çeşitli akıllı tekstil prototipleri hayata geçiriliyor.(A) Üç AMF'den yapılmış örme çarşaf.(B) İki AMF'nin çift yönlü dokuma tabakası.(C) AMF ve akrilik iplikten yapılmış tek yönlü dokuma bir tabaka, ağırlığının (2,6 g) 192 katı olan 500 g'lık bir yük taşıyabilir.(D) Radyal kısıtlama olarak bir AMF ve pamuk ipliği ile radyal olarak genişleyen yapı.Ayrıntılı spesifikasyonları Yöntemler bölümünde bulabilirsiniz.
Bir örgünün zikzak ilmekleri farklı yönlerde esneyebilse de, prototip örgümüz hareket yönündeki sınırlamalardan dolayı basınç altında öncelikle ilmek yönünde genişler.Her AMF'nin uzatılması, örme çarşafın toplam alanının genişlemesine katkıda bulunur.Özel gereksinimlere bağlı olarak, üç AMF'yi üç farklı sıvı kaynağından (Şekil 2A) bağımsız olarak veya 1'den 3'e sıvı dağıtıcısı aracılığıyla aynı anda bir sıvı kaynağından kontrol edebiliriz.Şek.Şekil 2A, üç AMP'ye (1,2 MPa) basınç uygulanırken başlangıç alanı %35 artan bir örgü prototip örneğini göstermektedir.AMF'nin orijinal uzunluğunun en az %250'si kadar yüksek bir uzama elde etmesi49 sayesinde örme çarşaflar mevcut versiyonlardan çok daha fazla esneyebilir.
Ayrıca düz örgü tekniğini kullanarak iki AMF'den oluşan çift yönlü örgü tabakaları da oluşturduk (Şekil 2B).AMF çözgü ve atkı dik açılarda iç içe geçerek basit bir çapraz desen oluşturur.Prototip örgümüz dengeli bir düz örgü olarak sınıflandırıldı çünkü hem çözgü hem de atkı iplikleri aynı iplik boyutundan yapılmıştı (ayrıntılar için Yöntemler bölümüne bakın).Keskin kıvrımlar oluşturabilen sıradan ipliklerin aksine, uygulanan AMF, dokuma deseninin başka bir ipliğine dönerken belirli bir bükülme yarıçapına ihtiyaç duyar.Bu nedenle AMP'den yapılan dokuma çarşaflar, geleneksel dokuma tekstillere kıyasla daha düşük yoğunluğa sahiptir.AMF tipi S (dış çap 1,49 mm) minimum 1,5 mm bükülme yarıçapına sahiptir.Örneğin, bu makalede sunduğumuz prototip örgü, her bir kesişimin ince elastik bir kordon düğümü ile sabitlendiği 7x7 iplik desenine sahiptir.Aynı dokuma tekniğini kullanarak daha fazla iplik elde edebilirsiniz.
Karşılık gelen AMF sıvı basıncı aldığında dokuma kumaş, alanını çözgü veya atkı yönünde genişletir.Bu nedenle, iki AMP'ye uygulanan giriş basıncı miktarını bağımsız olarak değiştirerek örgülü tabakanın boyutlarını (uzunluk ve genişlik) kontrol ettik.Şek.Şekil 2B, bir AMP'ye (1,3 MPa) basınç uygularken orijinal alanının %44'üne kadar genişleyen dokuma bir prototipi göstermektedir.İki AMF'ye eş zamanlı basınç uygulanmasıyla alan %108 arttı.
Ayrıca atkı olarak çözgü ve akrilik ipliklerle tek bir AMF'den tek yönlü bir dokuma levha yaptık (Şekil 2C).AMF'ler yedi zikzak sıra halinde düzenlenmiştir ve iplikler bu AMF sıralarını birlikte örerek dikdörtgen bir kumaş tabakası oluşturur.Bu dokuma prototip, tüm tabakayı kolayca dolduran yumuşak akrilik iplikler sayesinde Şekil 2B'dekinden daha yoğundu.Çözgü olarak yalnızca bir AMF kullandığımız için dokuma kumaş yalnızca basınç altında çözgüye doğru genişleyebilir.Şekil 2C, artan basınçla (1,3 MPa) başlangıç alanı %65 artan bir dokuma prototip örneğini göstermektedir.Ayrıca 2,6 gram ağırlığındaki bu örgülü parça, kütlesinin 192 katı olan 500 gramlık bir yükü kaldırabilmektedir.
Dikdörtgen bir dokuma tabaka oluşturmak için AMF'yi zikzak deseninde düzenlemek yerine, AMF'nin düz bir spiral şeklini ürettik, bu daha sonra yuvarlak bir dokuma tabaka oluşturmak için pamuk ipliği ile radyal olarak sınırlandırıldı (Şekil 2D).AMF'nin yüksek sertliği, plakanın çok merkezi bölgesinin doldurulmasını sınırlar.Ancak bu dolgu elastik ipliklerden veya elastik kumaşlardan da yapılabilir.Hidrolik basınç alındığında AMP, uzunlamasına uzamasını levhanın radyal genişlemesine dönüştürür.Filamentlerin radyal sınırlaması nedeniyle spiral şeklinin hem dış hem de iç çaplarının arttığını da belirtmekte fayda var.Şekil 2D, 1 MPa'lık uygulanan hidrolik basınçla yuvarlak bir levhanın şeklinin orijinal alanının %25'ine kadar genişlediğini göstermektedir.
Burada, bir AMF'yi düz bir kumaş parçasına yapıştırdığımız ve onu pasif bir yapıdan aktif olarak kontrol edilen bir yapıya yeniden yapılandırdığımız akıllı tekstil yapımına yönelik ikinci bir yaklaşım sunuyoruz.Bükme tahrikinin tasarım şeması şekil 2'de gösterilmektedir.AMP'nin ortadan katlandığı ve yapışkan olarak çift taraflı bant kullanılarak uzayamayan bir kumaş şeridine (pamuklu muslin kumaş) yapıştırıldığı Şekil 3A.Kapatıldıktan sonra, AMF'nin üst kısmı serbestçe uzayabilirken alt kısmı bant ve kumaşla sınırlandırılarak şeridin kumaşa doğru bükülmesine neden olur.Üzerine bir bant şeridi yapıştırarak bükme aktüatörünün herhangi bir parçasını herhangi bir yerde devre dışı bırakabiliriz.Devre dışı bırakılan bir segment hareket edemez ve pasif bir segment haline gelir.
AMF'nin geleneksel kumaşlara yapıştırılmasıyla kumaşlar yeniden şekillendiriliyor.(A) Katlanmış bir AMF'nin uzatılamaz bir kumaş üzerine yapıştırılmasıyla yapılan bir bükme tahriki için tasarım konsepti.(B) Aktüatör prototipinin bükülmesi.(C) Dikdörtgen bir kumaşın aktif dört ayaklı bir robota yeniden yapılandırılması.Esnek olmayan kumaş: pamuklu jarse.Streç kumaş: polyester.Ayrıntılı spesifikasyonları Yöntemler bölümünde bulabilirsiniz.
Farklı uzunluklarda birkaç prototip bükme aktüatörü yaptık ve bir bükme hareketi oluşturmak için bunları hidrolikle basınçlandırdık (Şekil 3B).Daha da önemlisi, AMF düz bir çizgi halinde yerleştirilebilir veya birden fazla iplik oluşturacak şekilde katlanabilir ve ardından uygun sayıda iplikle bir bükme tahriki oluşturmak üzere kumaşa yapıştırılabilir.Ayrıca pasif doku tabakasını aktif bir tetrapod yapısına (Şekil 3C) dönüştürdük; burada AMF'yi dikdörtgen şeklinde genişletilemez bir dokunun (pamuklu muslin kumaş) sınırlarını yönlendirmek için kullandık.AMP kumaşa bir parça çift taraflı bantla tutturulur.Her bir kenarın ortası pasif hale gelecek şekilde bantlanırken dört köşe aktif kalır.Streç kumaş üst kaplama (polyester) opsiyoneldir.Kumaşın dört köşesi basıldığında bükülür (bacak gibi görünür).
Geliştirilen akıllı tekstillerin özelliklerini niceliksel olarak incelemek için bir test tezgahı oluşturduk (bkz. Yöntemler bölümü ve Ek Şekil S1).Tüm numuneler AMF'den yapıldığından, deney sonuçlarının genel eğilimi (Şekil 4), AMF'nin temel özellikleriyle tutarlıdır; yani giriş basıncı, çıkış uzamasıyla doğru orantılı ve sıkıştırma kuvvetiyle ters orantılıdır.Ancak bu akıllı kumaşlar, kendilerine özgü konfigürasyonlarını yansıtan benzersiz özelliklere sahiptir.
Akıllı tekstil konfigürasyonlarına sahiptir.(A, B) Dokuma tabakalar için giriş basıncı ve çıkış uzaması ve kuvveti için histerezis eğrileri.(C) Dokuma tabakanın alanının genişletilmesi.(D,E) Triko için giriş basıncı ile çıkış uzaması ve kuvvet arasındaki ilişki.(F) Radyal olarak genişleyen yapıların alan genişlemesi.(G) Üç farklı uzunluktaki bükme tahrikinin bükülme açıları.
Dokuma tabakanın her bir AMF'si, yaklaşık %30 uzama oluşturmak üzere 1 MPa'lık bir giriş basıncına tabi tutuldu (Şekil 4A).Tüm deneme için bu eşiği birkaç nedenden dolayı seçtik: (1) histerezis eğrilerini vurgulamak için önemli bir uzama oluşturmak (yaklaşık %30), (2) farklı deneylerden ve yeniden kullanılabilir prototiplerden kazara hasar veya arızaya neden olan döngüyü önlemek için..yüksek sıvı basıncı altında.Ölü bölge açıkça görülebilmektedir ve örgü, giriş basıncı 0,3 MPa'ya ulaşana kadar hareketsiz kalmaktadır.Basınç uzama histerezis grafiği, pompalama ve serbest bırakma aşamaları arasında büyük bir boşluk gösterir; bu, dokuma kumaşın hareketini genleşmeden büzülmeye değiştirdiğinde önemli bir enerji kaybının olduğunu gösterir.(Şekil 4A).1 MPa'lık bir giriş basıncı elde edildikten sonra dokuma levha 5,6 N'lik bir daralma kuvveti uygulayabilir (Şekil 4B).Basınç-kuvvet histerezis grafiği aynı zamanda sıfırlama eğrisinin neredeyse basınç oluşturma eğrisiyle örtüştüğünü de gösterir.Dokuma tabakanın alan genişlemesi, 3 boyutlu yüzey grafiğinde gösterildiği gibi iki AMF'nin her birine uygulanan basınç miktarına bağlıydı(Şekil 4C).Deneyler ayrıca bir dokuma kumaşın çözgü ve atkı AMF'leri aynı anda 1 MPa'lık bir hidrolik basınca maruz kaldığında %66'lık bir alan genişlemesi üretebildiğini göstermektedir.
Örme kumaşa yönelik deneysel sonuçlar, gerilim-basınç diyagramında geniş bir histerezis boşluğu ve üst üste binen basınç-kuvvet eğrileri de dahil olmak üzere, dokuma kumaşa benzer bir model göstermektedir.Örme tabaka %30'luk bir uzama gösterdi, ardından 1 MPa giriş basıncında sıkıştırma kuvveti 9 N oldu (Şekil 4D, E).
Yuvarlak dokuma bir levha durumunda, başlangıç alanı, 1 MPa'lık bir sıvı basıncına maruz kaldıktan sonraki başlangıç alanına kıyasla %25 arttı (Şekil 4F).Numune genişlemeye başlamadan önce, 0,7 MPa'ya kadar büyük bir giriş basıncı ölü bölgesi vardır.Numuneler, başlangıç gerilimlerinin üstesinden gelmek için daha yüksek basınç gerektiren daha büyük AMF'lerden yapıldığından bu büyük ölü bölge bekleniyordu.Şek.Şekil 4F aynı zamanda serbest bırakma eğrisinin neredeyse basınç artış eğrisiyle örtüştüğünü gösterir; bu da disk hareketi değiştirildiğinde çok az enerji kaybının olduğunu gösterir.
Üç bükme aktüatörü için deneysel sonuçlar (doku yeniden yapılandırması), histerezis eğrilerinin benzer bir yapıya sahip olduğunu (Şekil 4G) göstermektedir; burada kaldırmadan önce 0,2 MPa'ya kadar bir giriş basıncı ölü bölgesi yaşarlar.Üç bükme tahrikine (L20, L30 ve L50 mm) aynı hacimde sıvı (0,035 ml) uyguladık.Ancak her aktüatör farklı basınç zirveleri yaşadı ve farklı bükülme açıları geliştirdi.L20 ve L30 mm aktüatörler 0,72 ve 0,67 MPa'lık bir giriş basıncına maruz kaldı ve sırasıyla 167° ve 194°'lik bükülme açılarına ulaştı.En uzun bükme tahriki (uzunluk 50 mm) 0,61 MPa basınca dayandı ve 236°'lik maksimum bükme açısına ulaştı.Basınç açısı histerezis grafikleri ayrıca üç bükme tahrikinin tümü için basınçlandırma ve serbest bırakma eğrileri arasında nispeten büyük boşluklar ortaya çıkardı.
Yukarıdaki akıllı tekstil konfigürasyonları için giriş hacmi ve çıkış özellikleri (uzama, kuvvet, alan genişlemesi, bükülme açısı) arasındaki ilişki Ek Şekil S2'de bulunabilir.
Önceki bölümdeki deneysel sonuçlar, uygulanan giriş basıncı ile AMF numunelerinin çıkış uzaması arasındaki orantılı ilişkiyi açıkça göstermektedir.AMB ne kadar güçlü bir şekilde gerilirse, o kadar fazla uzama gelişir ve o kadar fazla elastik enerji biriktirir.Dolayısıyla uyguladığı basınç kuvveti o kadar büyük olur.Sonuçlar ayrıca, giriş basıncı tamamen ortadan kaldırıldığında numunelerin maksimum sıkıştırma kuvvetine ulaştığını gösterdi.Bu bölüm, analitik modelleme ve deneysel doğrulama yoluyla örme ve dokuma çarşafların uzama ve maksimum büzülme kuvveti arasında doğrudan bir ilişki kurmayı amaçlamaktadır.
Tek bir AMF'nin maksimum kasılma kuvveti Fout (giriş basıncı P = 0'da) ref 49'da verilmiş ve aşağıdaki şekilde yeniden sunulmuştur:
Bunlar arasında α, E ve A0 sırasıyla silikon tüpün germe faktörü, Young modülü ve kesit alanıdır;k, spiral bobinin sertlik katsayısıdır;x ve li ofset ve başlangıç uzunluğudur.Sırasıyla AMP.
doğru denklem.(1) Örme ve dokuma çarşafları örnek olarak alın (Şekil 5A, B).Örme ürün Fkv ve dokuma ürün Fwh'nin çekme kuvvetleri sırasıyla denklem (2) ve (3) ile ifade edilir.
burada mk ilmek sayısı, φp örme kumaşın enjeksiyon sırasındaki ilmek açısı (Şekil 5A), mh iplik sayısı, θhp örme kumaşın enjeksiyon sırasındaki kavrama açısı (Şekil 5B), εkv εwh örgü tabaka ve dokuma tabakanın deformasyonu, F0 ise spiral bobinin başlangıç gerilimidir.Denklemin ayrıntılı türetilmesi.(2) ve (3) destekleyici bilgilerde bulunabilir.
Uzama-kuvvet ilişkisi için analitik bir model oluşturun.(A,B) Sırasıyla örme ve dokuma çarşaflar için analitik model çizimleri.(C,D) Örme ve dokuma çarşaflar için analitik modellerin ve deneysel verilerin karşılaştırılması.RMSE Kök ortalama kare hatası.
Geliştirilen modeli test etmek için Şekil 2A'daki örgü desenlerini ve Şekil 2B'deki örgülü örnekleri kullanarak uzama deneyleri yaptık.Kasılma kuvveti, her kilitli uzatma için %0'dan %50'ye kadar %5'lik artışlarla ölçüldü.Beş denemenin ortalaması ve standart sapması Şekil 5C (örgü) ve Şekil 5D'de (örgü) sunulmaktadır.Analitik modelin eğrileri denklemlerle tanımlanır.Parametreler (2) ve (3) Tabloda verilmiştir.1. Sonuçlar, analitik modelin, örme kumaşlar için 0,34 N, dokuma AMF H (yatay yön) için 0,21 N ve 0,17 N ortalama karekök hatası (RMSE) ile tüm uzama aralığı boyunca deneysel verilerle iyi bir uyum içinde olduğunu göstermektedir. dokuma AMF için.V (dikey yön).
Temel hareketlere ek olarak önerilen akıllı tekstiller, S-bükülme, radyal büzülme ve 2D'den 3D'ye deformasyon gibi daha karmaşık hareketleri sağlayacak şekilde mekanik olarak programlanabilir.Burada düz akıllı tekstilleri istenen yapılara programlamak için çeşitli yöntemler sunuyoruz.
Alanı doğrusal yönde genişletmenin yanı sıra, tek yönlü dokuma levhalar, çok modlu hareket yaratacak şekilde mekanik olarak programlanabilir (Şekil 6A).Örgülü tabakanın uzantısını, yüzlerinden birini (üst veya alt) dikiş ipliği ile sınırlayarak bir bükülme hareketi olarak yeniden yapılandırıyoruz.Levhalar basınç altında sınırlayıcı yüzeye doğru bükülme eğilimindedir.Şek.Şekil 6A, bir yarısı üst taraftan sıkıştırıldığında ve diğer yarısı alt taraftan sıkıştırıldığında S şeklinde hale gelen iki dokuma panel örneğini göstermektedir.Alternatif olarak, yalnızca tüm yüzün kısıtlandığı dairesel bir bükme hareketi oluşturabilirsiniz.Tek yönlü örgülü bir levha, iki ucunun boru şeklinde bir yapıya bağlanmasıyla bir sıkıştırma manşonu haline de getirilebilir (Şekil 6B).Kol, ağrıyı hafifletmek veya dolaşımı iyileştirmek için bir tür masaj terapisi olan kompresyon sağlamak üzere kişinin işaret parmağı üzerine giyilir.Kollar, kalçalar ve bacaklar gibi diğer vücut kısımlarına uyacak şekilde ölçeklendirilebilir.
Çarşafları tek yönde örme yeteneği.(A) Dikiş ipliklerinin şeklinin programlanabilirliği nedeniyle deforme olabilen yapıların oluşturulması.(B) Parmak sıkıştırma manşonu.(C) Örgülü tabakanın başka bir versiyonu ve ön kol kompresyon manşonu olarak uygulanması.(D) AMF M tipi, akrilik iplik ve Velcro kayışlardan yapılmış başka bir sıkıştırma manşonu prototipi.Ayrıntılı spesifikasyonları Yöntemler bölümünde bulabilirsiniz.
Şekil 6C, tek bir AMF ve pamuk ipliğinden yapılmış tek yönlü bir dokuma tabakanın başka bir örneğini göstermektedir.Levha, alan olarak %45 oranında genişleyebilir (1,2 MPa'da) veya basınç altında dairesel harekete neden olabilir.Ayrıca çarşafın ucuna manyetik şeritler takarak ön kol kompresyon manşonu oluşturmak için bir çarşaf da ekledik.Başka bir ön kol kompresyon manşonu prototipi, daha güçlü kompresyon kuvvetleri oluşturmak için M Tipi AMF (Yöntemlere bakınız) ve akrilik ipliklerden tek yönlü örgülü tabakaların yapıldığı Şekil 6D'de gösterilmektedir.Kolay takılabilmesi ve farklı el boyutlarına uygun olması için çarşafların uçlarını Velcro bantlarla donattık.
Doğrusal uzamayı bükülme hareketine dönüştüren sınırlama tekniği çift yönlü dokuma kumaşlara da uygulanabilir.Pamuk ipliklerini çözgü ve atkı dokuma çarşafların bir tarafına genleşmeyecek şekilde örüyoruz (Şekil 7A).Böylece, iki AMF birbirinden bağımsız olarak hidrolik basınç aldığında, levha isteğe bağlı üç boyutlu bir yapı oluşturmak üzere iki yönlü bir bükülme hareketine maruz kalır.Başka bir yaklaşımda, çift yönlü dokuma çarşafların bir yönünü sınırlamak için uzamayan iplikler kullanıyoruz (Şekil 7B).Böylece levha, ilgili AMF basınç altındayken bağımsız bükülme ve esneme hareketleri yapabilir.Şek.Şekil 7B, iki yönlü örgülü bir tabakanın, bir bükülme hareketiyle insan parmağının üçte ikisini çevreleyecek ve daha sonra bir germe hareketiyle geri kalanını kaplayacak şekilde uzunluğunu uzatacak şekilde kontrol edildiği bir örneği göstermektedir.Çarşafların iki yönlü hareketi moda tasarımı veya akıllı giyim geliştirme için faydalı olabilir.
Çift yönlü dokuma sac, örme sac ve radyal olarak genişletilebilir tasarım yetenekleri.(A) Çift yönlü bir bükülme oluşturmak için çift yönlü birleştirilmiş çift yönlü hasır paneller.(B) Tek yönlü olarak sınırlandırılmış çift yönlü hasır paneller esneklik ve uzama üretir.(C) Farklı yüzey eğriliklerine uyum sağlayabilen ve hatta boru şeklinde yapılar oluşturabilen son derece elastik örgü levha.(D) hiperbolik parabolik bir şekil (patates cipsi) oluşturan radyal olarak genişleyen bir yapının merkez çizgisinin sınırlandırılması.
Örme kısmın üst ve alt sıralarının iki bitişik ilmeğini çözülmeyecek şekilde dikiş ipliği ile bağladık (Şekil 7C).Böylece, dokunmuş tabaka tamamen esnektir ve insan ellerinin ve kollarının cilt yüzeyi gibi çeşitli yüzey kıvrımlarına iyi uyum sağlar.Ayrıca örülmüş parçanın uçlarını hareket yönünde birleştirerek boru şeklinde bir yapı (manşon) oluşturduk.Manşon kişinin işaret parmağını iyice sarar (Şekil 7C).Dokuma kumaşın kıvrımlı yapısı, mükemmel uyum ve deforme olma özelliği sağlayarak, akıllı giyimde (eldivenler, kompresyon kollukları) kullanımını kolaylaştırır, rahatlık (tam uyum yoluyla) ve tedavi edici etki (basınç yoluyla) sağlar.
Çoklu yönlerde 2 boyutlu radyal genişlemeye ek olarak, dairesel dokuma levhalar da 3 boyutlu yapılar oluşturacak şekilde programlanabilir.Yuvarlak örgünün merkez hattını, düzgün radyal genişlemesini bozmak için akrilik iplikle sınırlandırdık.Sonuç olarak, yuvarlak dokuma tabakanın orijinal düz şekli, basınçlandırmanın ardından hiperbolik parabolik bir şekle (veya patates cipsine) dönüştürüldü (Şekil 7D).Bu şekil değiştirme yeteneği, bir kaldırma mekanizması, bir optik mercek, hareketli robot ayakları olarak uygulanabilir veya moda tasarımında ve biyonik robotlarda faydalı olabilir.
AMF'yi esnemeyen bir kumaş şeridine yapıştırarak bükülme tahrikleri oluşturmak için basit bir teknik geliştirdik (Şekil 3).İstenilen şekilleri oluşturmak için birden fazla aktif ve pasif bölümü tek bir AMF'de stratejik olarak dağıtabildiğimiz şekil programlanabilir iplikler oluşturmak için bu konsepti kullanıyoruz.Basınç arttıkça şekillerini düzden harfe (UNSW) değiştirebilecek dört aktif filament ürettik ve programladık (Ek Şekil S4).Bu basit yöntem, AMF'nin deforme olabilirliğinin 1 boyutlu çizgileri 2 boyutlu şekillere ve hatta muhtemelen 3 boyutlu yapılara dönüştürmesine olanak tanır.
Benzer bir yaklaşımla, bir parça pasif normal dokuyu aktif bir dört ayaklıya yeniden yapılandırmak için tek bir AMF kullandık (Şekil 8A).Yönlendirme ve programlama kavramları Şekil 3C'de gösterilenlere benzer.Ancak dikdörtgen çarşaflar yerine dört ayaklı desenli kumaşlar (kaplumbağa, pamuklu muslin) kullanmaya başladılar.Bu nedenle bacaklar daha uzundur ve yapı daha yükseğe kaldırılabilir.Yapının yüksekliği, ayakları yere dik oluncaya kadar basınç altında kademeli olarak artar.Giriş basıncı artmaya devam ederse bacaklar içeriye doğru sarkacak ve yapının yüksekliği azalacaktır.Tetrapodlar, bacakları tek yönlü desenlerle donatılmışsa veya hareket manipülasyon stratejileriyle birden fazla AMF kullanıyorsa hareket gerçekleştirebilir.Kontrol edilemeyen yangınlardan, çökmüş binalardan veya tehlikeli ortamlardan kurtarma ve tıbbi ilaç dağıtım robotları dahil olmak üzere çeşitli görevler için yumuşak hareket robotlarına ihtiyaç vardır.
Kumaş, şekil değiştiren yapılar oluşturacak şekilde yeniden yapılandırıldı.(A) AMF'yi pasif kumaş tabakasının kenarına yapıştırın ve onu yönlendirilebilir dört ayaklı bir yapıya dönüştürün.(BD) Pasif kelebekleri ve çiçekleri aktif olanlara dönüştüren doku yeniden yapılandırmasının diğer iki örneği.Esnemeyen kumaş: düz pamuklu müslin.
Ayrıca yeniden şekillendirme için iki ek biyoilhamlı yapıyı tanıtarak bu doku yeniden yapılandırma tekniğinin basitliğinden ve çok yönlülüğünden de yararlanıyoruz (Şekil 8B-D).Yönlendirilebilir bir AMF ile, şekli bozulabilen bu yapılar, pasif doku tabakalarından aktif ve yönlendirilebilir yapılara doğru yeniden yapılandırılır.Kral kelebeğinden ilham alarak, kelebek şeklinde bir kumaş parçası (pamuklu muslin) ve kanatlarının altına sıkıştırılmış uzun bir AMF parçasını kullanarak dönüşen bir kelebek yapısı yaptık.AMF basınç altındayken kanatlar katlanır.Hükümdar Kelebeği gibi, Kelebek Robotun sol ve sağ kanatları da aynı şekilde çırpar çünkü her ikisi de AMF tarafından kontrol edilir.Kelebek kanatlar yalnızca teşhir amaçlıdır.Smart Bird (Festo Corp., ABD) gibi uçamaz.Ayrıca her biri beş yapraktan oluşan iki katmandan oluşan bir kumaş çiçek (Şekil 8D) yaptık.AMF'yi her katmanın altına, yaprakların dış kenarından sonra yerleştirdik.Başlangıçta çiçekler tamamen çiçek açmış durumdadır ve tüm yaprakları tamamen açıktır.AMF, basınç altında yaprakların bükülme hareketine neden olarak kapanmalarına neden olur.İki AMF, iki katmanın hareketini bağımsız olarak kontrol ederken, bir katmanın beş yaprağı aynı anda esner.
Gönderim zamanı: 26 Aralık 2022