Faleminderit që vizituat Nature.com.Ju jeni duke përdorur një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne e shfaqim sajtin pa stile dhe JavaScript.
Shfaq një karusel me tre rrëshqitje njëherësh.Përdorni butonat Previous dhe Next për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë, ose përdorni butonat rrëshqitës në fund për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë.
Kombinimi i tekstileve dhe muskujve artificialë për të krijuar tekstile inteligjente po tërheq shumë vëmendje si nga komunitetet shkencore ashtu edhe nga ato industriale.Tekstilet inteligjente ofrojnë shumë përfitime, duke përfshirë rehati adaptive dhe një shkallë të lartë përputhshmërie me objektet, ndërsa ofrojnë aktivizim aktiv për lëvizjen dhe forcën e dëshiruar.Ky artikull paraqet një klasë të re të pëlhurave inteligjente të programueshme të bëra duke përdorur metoda të ndryshme të thurjes, thurjes dhe ngjitjes së fibrave muskulore artificiale të drejtuara nga lëngu.Një model matematikor u zhvillua për të përshkruar raportin e forcës së zgjatjes së fletëve të tekstilit të thurura dhe të endura, dhe më pas vlefshmëria e tij u testua eksperimentalisht.Tekstili i ri "i zgjuar" përmban fleksibilitet të lartë, konformitet dhe programim mekanik, duke mundësuar lëvizje multi-modale dhe aftësi deformimi për një gamë më të gjerë aplikimesh.Prototipa të ndryshëm tekstili inteligjentë janë krijuar përmes verifikimit eksperimental, duke përfshirë raste të ndryshme të ndryshimit të formës si zgjatja (deri në 65%), zgjerimi i zonës (108%), zgjerimi radial (25%) dhe lëvizja e përkuljes.Koncepti i rikonfigurimit të indeve tradicionale pasive në struktura aktive për strukturat e formësimit biomimetik është gjithashtu duke u eksploruar.Tekstilet inteligjente të propozuara pritet të lehtësojnë zhvillimin e pajisjeve inteligjente të veshjes, sistemeve haptike, robotëve të butë biomimetikë dhe pajisjeve elektronike të veshura.
Robotët e ngurtë janë efektivë kur punojnë në mjedise të strukturuara, por kanë probleme me kontekstin e panjohur të ndryshimit të mjediseve, gjë që kufizon përdorimin e tyre në kërkim ose eksplorim.Natyra vazhdon të na befasojë me shumë strategji shpikëse për t'u marrë me faktorët e jashtëm dhe diversitetin.Për shembull, gjilpërat e bimëve ngjitëse kryejnë lëvizje multimodale, të tilla si përkulja dhe spirale, për të eksploruar një mjedis të panjohur në kërkim të një mbështetjeje të përshtatshme1.Kurthi i mizave të Venusit (Dionaea muscipula) ka qime të ndjeshme në gjethet e saj që, kur nxiten, futen në vend për të kapur prenë2.Vitet e fundit, deformimi ose deformimi i trupave nga sipërfaqet dydimensionale (2D) në forma tredimensionale (3D) që imitojnë strukturat biologjike është bërë një temë interesante kërkimore3,4.Këto konfigurime të buta robotike ndryshojnë formën për t'u përshtatur me mjediset në ndryshim, mundësojnë lëvizjen multimodale dhe aplikojnë forca për të kryer punë mekanike.Shtrirja e tyre është shtrirë në një gamë të gjerë aplikimesh robotike, duke përfshirë pajisje të dislokueshme5, robotë të rikonfigurueshëm dhe vetë-palues6,7, pajisje biomjekësore8, automjete9,10 dhe elektronikë të zgjeruar11.
Shumë kërkime janë bërë për të zhvilluar pllaka të sheshta të programueshme që, kur aktivizohen, shndërrohen në struktura komplekse tre-dimensionale3.Një ide e thjeshtë për krijimin e strukturave të deformueshme është kombinimi i shtresave të materialeve të ndryshme që përkulen dhe rrudhen kur ekspozohen ndaj stimujve12,13.Janbaz etj.14 dhe Li et al.15 kanë zbatuar këtë koncept për të krijuar robotë të deformueshëm multimodalë të ndjeshëm ndaj nxehtësisë.Strukturat e bazuara në origami që përfshijnë elementë të përgjegjshëm ndaj stimulit janë përdorur për të krijuar struktura komplekse tre-dimensionale16,17,18.Të frymëzuar nga morfogjeneza e strukturave biologjike, Emmanuel et al.Elastomerët e deformueshëm në formë krijohen duke organizuar kanale ajri brenda një sipërfaqe gome që, nën presion, shndërrohen në forma komplekse, arbitrare tre-dimensionale.
Integrimi i tekstileve ose pëlhurave në robotë të butë të deformueshëm është një tjetër projekt koncept i ri që ka krijuar interes të gjerë.Tekstilet janë materiale të buta dhe elastike të bëra nga fije duke endur teknika të tilla si thurje, thurje, gërsheta ose thurje me nyje.Vetitë e mahnitshme të pëlhurave, duke përfshirë fleksibilitetin, përshtatshmërinë, elasticitetin dhe frymëmarrjen, i bëjnë ato shumë të njohura në çdo gjë, nga veshjet deri tek aplikimet mjekësore20.Ekzistojnë tri qasje të gjera për përfshirjen e tekstileve në robotikë21.Qasja e parë është përdorimi i tekstilit si një mbështetje pasive ose bazë për komponentët e tjerë.Në këtë rast, tekstilet pasive sigurojnë një përshtatje të rehatshme për përdoruesin kur mbajnë komponentë të ngurtë (motorë, sensorë, furnizim me energji elektrike).Shumica e robotëve të butë të veshur ose eksoskeleteve të buta bien nën këtë qasje.Për shembull, ekzoskelete të buta që vishen për ndihmat e ecjes 22 dhe ndihmat për bërryl 23, 24, 25, doreza të buta që vishen 26 për ndihmat e duarve dhe gishtërinjve dhe robotët e butë bionikë 27.
Qasja e dytë është përdorimi i tekstileve si komponentë pasivë dhe të kufizuar të pajisjeve të buta robotike.Aktivizuesit me bazë tekstili bien në këtë kategori, ku pëlhura zakonisht ndërtohet si një enë e jashtme që përmban zorrën ose dhomën e brendshme, duke formuar një aktivizues të butë të përforcuar me fibra.Kur i nënshtrohen një burimi të jashtëm pneumatik ose hidraulik, këta aktivizues të butë pësojnë ndryshime në formë, duke përfshirë zgjatjen, përkuljen ose përdredhjen, në varësi të përbërjes dhe konfigurimit të tyre origjinal.Për shembull, Talman et al.Veshjet ortopedike të kyçit të këmbës, të përbërë nga një sërë xhepash pëlhure, janë prezantuar për të lehtësuar përkuljen e shputës për të rivendosur ecjen28.Shtresat e tekstilit me shtrirje të ndryshme mund të kombinohen për të krijuar lëvizje anizotropike 29 .OmniSkins – lëkurat e buta robotike të bëra nga një sërë aktivizuesish të butë dhe materiale nënshtrese mund të shndërrojnë objektet pasive në robotë aktivë shumëfunksionalë që mund të kryejnë lëvizje dhe deformime multi-modale për aplikime të ndryshme.Zhu et al.kanë zhvilluar një fletë muskulore të indeve të lëngshme31 që mund të gjenerojë zgjatim, përkulje dhe lëvizje të ndryshme deformimi.Buckner et al.Integroni fibrat funksionale në indet konvencionale për të krijuar inde robotike me funksione të shumta si aktivizimi, ndjeshmëria dhe ngurtësia e ndryshueshme32.Metoda të tjera në këtë kategori mund të gjenden në këto punime 21, 33, 34, 35.
Një qasje e kohëve të fundit për shfrytëzimin e vetive superiore të tekstileve në fushën e robotikës së butë është përdorimi i fijeve reaktive ose të reagimit ndaj stimulit për të krijuar tekstile inteligjente duke përdorur metodat tradicionale të prodhimit të tekstilit siç janë metodat e thurjes, thurjes dhe thurjes21,36,37.Në varësi të përbërjes së materialit, filli reaktiv shkakton një ndryshim në formë kur i nënshtrohet veprimit elektrik, termik ose presioni, gjë që çon në deformim të pëlhurës.Në këtë qasje, ku tekstilet tradicionale integrohen në një sistem të butë robotik, riformimi i tekstilit ndodh në shtresën e brendshme (fije) dhe jo në shtresën e jashtme.Si të tilla, tekstilet inteligjente ofrojnë trajtim të shkëlqyeshëm përsa i përket lëvizjes multimodale, deformimit të programueshëm, shtrirjes dhe aftësisë për të rregulluar ngurtësinë.Për shembull, lidhjet e kujtesës së formës (SMAs) dhe polimerët e kujtesës së formës (SMPs) mund të inkorporohen në pëlhura për të kontrolluar në mënyrë aktive formën e tyre përmes stimulimit termik, të tilla si hemming38, heqja e rrudhave36,39, reagimet prekëse dhe prekëse40,41, si dhe adaptive. veshje të veshur.pajisje 42 .Megjithatë, përdorimi i energjisë termike për ngrohje dhe ftohje rezulton në reagim të ngadaltë dhe ftohje dhe kontroll të vështirë.Kohët e fundit, Hiramitsu et al.Muskujt e imët të McKibben43,44, muskujt artificialë pneumatikë, përdoren si fije deformuese për të krijuar forma të ndryshme të tekstileve aktive duke ndryshuar strukturën e thurjes45.Edhe pse kjo qasje ofron forca të larta, për shkak të natyrës së muskulit McKibben, shkalla e zgjerimit të tij është e kufizuar (< 50%) dhe madhësia e vogël nuk mund të arrihet (diametri < 0,9 mm).Përveç kësaj, ka qenë e vështirë të formohen modele të zgjuara tekstili nga metodat e thurjes që kërkojnë qoshe të mprehta.Për të formuar një gamë më të gjerë tekstilesh inteligjente, Maziz et al.Tekstilet elektroaktive të veshur janë zhvilluar duke thurur dhe endur fije polimerësh elektrosensitive46.
Vitet e fundit, është shfaqur një lloj i ri i muskulit artificial termosensitiv, i ndërtuar nga fibra polimerësh shumë të përdredhura dhe të lira47,48.Këto fibra janë të disponueshme në treg dhe përfshihen lehtësisht në thurje ose thurje për të prodhuar rroba inteligjente të përballueshme.Pavarësisht përparimeve, këto tekstile të reja të ndjeshme ndaj nxehtësisë kanë kohë të kufizuara reagimi për shkak të nevojës për ngrohje dhe ftohje (p.sh. tekstile të kontrolluara nga temperatura) ose vështirësisë për të bërë modele komplekse të thurura dhe të endura që mund të programohen për të gjeneruar deformimet dhe lëvizjet e dëshiruara. .Shembujt përfshijnë zgjerimin radial, transformimin e formës 2D në 3D ose zgjerimin me dy drejtime, të cilat ne ofrojmë këtu.
Për të kapërcyer këto probleme të lartpërmendura, ky artikull paraqet një tekstil të ri inteligjent të drejtuar nga lëngu i bërë nga fibrat tona të buta muskulore artificiale (AMF) 49,50,51.AMF-të janë shumë fleksibël, të shkallëzuar dhe mund të reduktohen në një diametër prej 0,8 mm dhe gjatësi të mëdha (të paktën 5000 mm), duke ofruar një raport të lartë pamjeje (gjatësi ndaj diametrit) si dhe zgjatim të lartë (të paktën 245%), energji të lartë efikasitet, përgjigje e shpejtë më pak se 20 Hz).Për të krijuar tekstile inteligjente, ne përdorim AMF si një fije aktive për të formuar shtresa 2D aktive të muskujve përmes teknikave të thurjes dhe thurjes.Ne kemi studiuar në mënyrë sasiore shkallën e zgjerimit dhe forcën e tkurrjes së këtyre indeve "të zgjuara" për sa i përket vëllimit të lëngut dhe presionit të dhënë.Janë zhvilluar modele analitike për të vendosur marrëdhënien e forcës së zgjatjes për fletët e thurura dhe të endura.Ne përshkruajmë gjithashtu disa teknika të programimit mekanik për tekstilet inteligjente për lëvizjen multimodale, duke përfshirë shtrirjen dydrejtimëshe, lakimin, zgjerimin radial dhe aftësinë për të kaluar nga 2D në 3D.Për të demonstruar forcën e qasjes sonë, ne do të integrojmë gjithashtu AMF në pëlhura ose tekstile komerciale për të ndryshuar konfigurimin e tyre nga struktura pasive në aktive që shkaktojnë deformime të ndryshme.Ne e kemi demonstruar gjithashtu këtë koncept në disa grupe testimi eksperimentale, duke përfshirë lakimin e programueshëm të fijeve për të prodhuar shkronjat e dëshiruara dhe strukturat biologjike që ndryshojnë formën në formën e objekteve të tilla si fluturat, strukturat katërkëmbëshe dhe lulet.
Tekstilet janë struktura fleksibël dy-dimensionale të formuara nga fije njëdimensionale të ndërthurura si fijet, fijet dhe fijet.Tekstili është një nga teknologjitë më të vjetra të njerëzimit dhe përdoret gjerësisht në të gjitha aspektet e jetës për shkak të komoditetit, përshtatshmërisë, frymëmarrjes, estetikës dhe mbrojtjes.Tekstilet inteligjente (të njohura edhe si rroba inteligjente ose pëlhura robotike) po përdoren gjithnjë e më shumë në kërkime për shkak të potencialit të tyre të madh në aplikimet robotike20,52.Tekstilet inteligjente premtojnë të përmirësojnë përvojën njerëzore të ndërveprimit me objekte të buta, duke sjellë një ndryshim paradigme në fushën ku lëvizja dhe forcat e pëlhurës së hollë dhe fleksibël mund të kontrollohen për të kryer detyra specifike.Në këtë punim, ne eksplorojmë dy qasje për prodhimin e tekstileve inteligjente bazuar në AMF49 tonë të fundit: (1) përdorim AMF si një fije aktive për të krijuar tekstile të zgjuara duke përdorur teknologjitë tradicionale të prodhimit të tekstilit;(2) futni AMF direkt në pëlhura tradicionale për të stimuluar lëvizjen dhe deformimin e dëshiruar.
AMF përbëhet nga një tub i brendshëm silikoni për të furnizuar energjinë hidraulike dhe një spirale e jashtme për të kufizuar zgjerimin e saj radial.Kështu, AMF-të zgjaten gjatësore kur ushtrohet presion dhe më pas shfaqin forca kontraktuese për t'u kthyer në gjatësinë e tyre origjinale kur presioni lirohet.Ato kanë veti të ngjashme me fibrat tradicionale, duke përfshirë fleksibilitetin, diametrin e vogël dhe gjatësinë e gjatë.Megjithatë, AMF është më aktiv dhe më i kontrolluar për sa i përket lëvizjes dhe forcës sesa homologët e tij konvencionalë.Frymëzuar nga përparimet e shpejta të kohëve të fundit në tekstile inteligjente, këtu ne paraqesim katër qasje kryesore për prodhimin e tekstileve inteligjente duke aplikuar AMF në një teknologji të prodhimit prej kohësh të pëlhurave (Figura 1).
Mënyra e parë është thurja.Ne përdorim teknologjinë e thurjes së indeve për të prodhuar një pëlhurë të thurur reaktive që shpaloset në një drejtim kur aktivizohet në mënyrë hidraulike.Fletët e thurura janë shumë elastike dhe të shtrirë, por priren të zbërthehen më lehtë se fletët e endura.Në varësi të metodës së kontrollit, AMF mund të formojë rreshta individuale ose produkte të plota.Përveç fletëve të sheshta, modelet e thurjes me tuba janë gjithashtu të përshtatshme për prodhimin e strukturave të zbrazëta AMF.Metoda e dytë është thurja, ku përdorim dy AMF si deformim dhe ind për të formuar një fletë të endur drejtkëndore që mund të zgjerohet në mënyrë të pavarur në dy drejtime.Fletët e endura ofrojnë më shumë kontroll (në të dy drejtimet) sesa fletët e thurura.Ne gjithashtu endëm AMF nga fije tradicionale për të bërë një fletë të endur më të thjeshtë që mund të zgjidhet vetëm në një drejtim.Metoda e tretë - zgjerimi radial - është një variant i teknikës së thurjes, në të cilën AMP-të nuk janë të vendosura në një drejtkëndësh, por në një spirale, dhe fijet sigurojnë kufizim radial.Në këtë rast, gërsheti zgjerohet në mënyrë radiale nën presionin e hyrjes.Një qasje e katërt është ngjitja e AMF-së në një fletë pëlhure pasive për të krijuar një lëvizje përkuljeje në drejtimin e dëshiruar.Ne e kemi rikonfiguruar tabelën e daljes pasive në një tabelë me dalje aktive duke e drejtuar AMF rreth skajit të saj.Kjo natyrë e programueshme e AMF hap mundësi të panumërta për struktura të buta që transformojnë forma të frymëzuara nga bio, ku mund t'i kthejmë objektet pasive në aktive.Kjo metodë është e thjeshtë, e lehtë dhe e shpejtë, por mund të rrezikojë jetëgjatësinë e prototipit.Lexuesi i referohet qasjeve të tjera në literaturë që detajojnë pikat e forta dhe të dobëta të secilës veti të indeve21,33,34,35.
Shumica e fijeve ose fijeve të përdorura për të bërë pëlhura tradicionale përmbajnë struktura pasive.Në këtë punë, ne përdorim AMF-në tonë të zhvilluar më parë, e cila mund të arrijë gjatësinë e metrave dhe diametrat nënmilimetër, për të zëvendësuar fijet tradicionale pasive të tekstilit me AFM për të krijuar pëlhura inteligjente dhe aktive për një gamë më të gjerë aplikimesh.Seksionet e mëposhtme përshkruajnë metoda të detajuara për prodhimin e prototipeve inteligjente të tekstilit dhe paraqesin funksionet dhe sjelljet e tyre kryesore.
Ne punuam me dorë tre fanella AMF duke përdorur teknikën e thurjes së indeve (Fig. 2A).Përzgjedhja e materialit dhe specifikimet e detajuara për AMF-të dhe prototipet mund të gjenden në seksionin Metodat.Çdo AMF ndjek një shteg dredha-dredha (i quajtur gjithashtu një rrugë) që formon një lak simetrik.Sythet e çdo rreshti janë të fiksuara me sythe të rreshtave sipër dhe poshtë tyre.Unazat e një kolone pingul me kursin kombinohen në një bosht.Prototipi ynë i thurur përbëhet nga tre rreshta me shtatë qepje (ose shtatë qepje) në çdo rresht.Unazat e sipërme dhe të poshtme nuk janë të fiksuara, kështu që ne mund t'i bashkojmë ato në shufrat metalike përkatëse.Prototipet e thurura zbërthehen më lehtë se pëlhurat e thurura konvencionale për shkak të ngurtësisë më të lartë të AMF në krahasim me fijet konvencionale.Prandaj, ne lidhëm sythet e rreshtave ngjitur me litarë të hollë elastikë.
Prototipa të ndryshëm tekstili inteligjentë janë duke u implementuar me konfigurime të ndryshme AMF.(A) Fletë e thurur e bërë nga tre AMF.(B) Fletë e endur me dy drejtime me dy AMF.(C) Një fletë e endur me një drejtim e bërë nga AMF dhe fije akrilike mund të përballojë një ngarkesë prej 500 g, që është 192 herë më e madhe se pesha e saj (2,6 g).(D) Struktura që zgjerohet në mënyrë radiale me një AMF dhe fije pambuku si kufizim radial.Specifikimet e hollësishme mund të gjenden në seksionin Metodat.
Megjithëse sythet zigzag të një thurjeje mund të shtrihen në drejtime të ndryshme, thurja jonë prototip zgjerohet kryesisht në drejtim të lakut nën presion për shkak të kufizimeve në drejtimin e udhëtimit.Zgjatja e çdo AMF kontribuon në zgjerimin e sipërfaqes totale të fletës së thurur.Në varësi të kërkesave specifike, ne mund të kontrollojmë tre AMF në mënyrë të pavarur nga tre burime të ndryshme të lëngjeve (Figura 2A) ose njëkohësisht nga një burim lëngu nëpërmjet një shpërndarësi lëngu 1-në-3.Në fig.2A tregon një shembull të një prototipi të thurur, sipërfaqja fillestare e të cilit u rrit me 35% duke ushtruar presion në tre AMP (1.2 MPa).Veçanërisht, AMF arrin një zgjatim të lartë prej të paktën 250% të gjatësisë së tij origjinale49, kështu që fletët e thurura mund të shtrihen edhe më shumë se versionet aktuale.
Ne krijuam gjithashtu fletë endje dydrejtimëshe të formuara nga dy AMF duke përdorur teknikën e thurjes së thjeshtë (Figura 2B).Deformimi dhe indi AMF ndërthuren në kënde të drejta, duke formuar një model të thjeshtë të kryqëzuar.Gërshetimi ynë prototip u klasifikua si një endje e thjeshtë e ekuilibruar, sepse si fijet e deformimit ashtu edhe ato të indeve ishin bërë nga e njëjta madhësi e fijeve (shih seksionin e Metodave për detaje).Ndryshe nga fijet e zakonshme që mund të formojnë palosje të mprehta, AMF-ja e aplikuar kërkon një rreze të caktuar përkuljeje kur kthehet në një fije tjetër të modelit të thurjes.Prandaj, fletët e endura të bëra nga AMP kanë një densitet më të ulët në krahasim me tekstilet e endura konvencionale.Lloji AMF S (diametri i jashtëm 1,49 mm) ka një rreze minimale përkuljeje prej 1,5 mm.Për shembull, endja e prototipit që paraqesim në këtë artikull ka një model fije 7×7 ku çdo kryqëzim stabilizohet me një nyjë kordoni të hollë elastik.Duke përdorur të njëjtën teknikë gërshetimi, mund të merrni më shumë fije.
Kur AMF-ja përkatëse merr presion të lëngut, fleta e endur zgjeron zonën e saj në drejtim të deformimit ose indeve.Prandaj, ne kontrolluam dimensionet e fletës së gërshetuar (gjatësia dhe gjerësia) duke ndryshuar në mënyrë të pavarur sasinë e presionit të hyrjes të aplikuar në dy AMP-të.Në fig.2B tregon një prototip të endur që u zgjerua në 44% të zonës së tij origjinale duke ushtruar presion në një AMP (1.3 MPa).Me veprimin e njëkohshëm të presionit në dy AMF, sipërfaqja u rrit me 108%.
Ne bëmë gjithashtu një fletë të endur me një drejtim nga një AMF e vetme me fije deformuese dhe akrilike si ind (Figura 2C).AMF-të janë të rregulluara në shtatë rreshta zigzag dhe fijet i thurin këto rreshta AMF-sh së bashku për të formuar një fletë pëlhure drejtkëndore.Ky prototip i endur ishte më i dendur se në Fig. 2B, falë fijeve të buta akrilike që mbushnin me lehtësi të gjithë fletën.Për shkak se ne përdorim vetëm një AMF si devijim, fleta e endur mund të zgjerohet vetëm drejt deformimit nën presion.Figura 2C tregon një shembull të një prototipi të endur sipërfaqja fillestare e të cilit rritet me 65% me presion në rritje (1.3 MPa).Përveç kësaj, kjo pjesë e gërshetuar (me peshë 2.6 gram) mund të ngrejë një ngarkesë prej 500 gramësh, që është 192 herë më e madhe se masa e saj.
Në vend që ta rregullonim AMF-në në një model zigzag për të krijuar një fletë të endur drejtkëndore, ne krijuam një formë spirale të sheshtë të AMF, e cila më pas u shtrëngua në mënyrë radiale me fije pambuku për të krijuar një fletë të endur të rrumbullakët (Figura 2D).Ngurtësia e lartë e AMF kufizon mbushjen e saj të rajonit shumë qendror të pllakës.Megjithatë, kjo mbushje mund të bëhet nga fije elastike ose pëlhura elastike.Me marrjen e presionit hidraulik, AMP konverton zgjatimin e tij gjatësor në një zgjerim radial të fletës.Vlen gjithashtu të theksohet se të dy diametrat e jashtëm dhe të brendshëm të formës spirale janë rritur për shkak të kufizimit radial të filamenteve.Figura 2D tregon se me një presion hidraulik të aplikuar prej 1 MPa, forma e një fletë të rrumbullakët zgjerohet në 25% të sipërfaqes së saj origjinale.
Ne paraqesim këtu një qasje të dytë për të bërë tekstile inteligjente, ku ngjitim një AMF në një copë pëlhure të sheshtë dhe e rikonfigurojmë atë nga një strukturë pasive në një strukturë të kontrolluar në mënyrë aktive.Diagrami i projektimit të makinës së përkuljes është paraqitur në fig.3A, ku AMP paloset në mes dhe ngjitet në një rrip pëlhure të pazgjatur (pëlhurë muslin pambuku) duke përdorur shirit të dyanshëm si ngjitës.Pasi të mbyllet, pjesa e sipërme e AMF-së është e lirë të zgjatet, ndërsa pjesa e poshtme është e kufizuar nga shiriti dhe pëlhura, duke bërë që shiriti të përkulet drejt pëlhurës.Ne mund të çaktivizojmë çdo pjesë të aktivizuesit të kthesës kudo, thjesht duke ngjitur një rrip shiriti mbi të.Një segment i çaktivizuar nuk mund të lëvizë dhe bëhet një segment pasiv.
Pëlhurat rikonfigurohen duke ngjitur AMF në pëlhura tradicionale.(A) Koncepti i projektimit për një makinë përkulëse të bërë duke ngjitur një AMF të palosur në një pëlhurë të pazgjatur.(B) Përkulja e prototipit të aktivizuesit.(C) Rikonfigurimi i një lecke drejtkëndëshe në një robot aktiv me katër këmbë.Pëlhurë joelastike: triko pambuku.Pëlhurë shtrirëse: poliestër.Specifikimet e hollësishme mund të gjenden në seksionin Metodat.
Ne bëmë disa aktuatorë të përkuljes prototip me gjatësi të ndryshme dhe i vumë presion me hidraulikë për të krijuar një lëvizje përkuljeje (Figura 3B).E rëndësishmja, AMF mund të shtrihet në një vijë të drejtë ose të paloset për të formuar fije të shumta dhe më pas të ngjitet në pëlhurë për të krijuar një makinë përkulëse me numrin e duhur të fijeve.Ne gjithashtu konvertuam fletën e indit pasiv në një strukturë aktive tetrapodi (Figura 3C), ku përdorëm AMF për të drejtuar kufijtë e një indi drejtkëndor të pazgjatshëm (pëlhurë muslin pambuku).AMP është ngjitur në pëlhurë me një copë shirit të dyanshëm.Mesi i çdo skaji është ngjitur me shirit për t'u bërë pasive, ndërsa katër qoshet mbeten aktive.Mbulesa e sipërme prej pëlhure elastike (poliester) është opsionale.Katër qoshet e pëlhurës përkulen (duket si këmbë) kur shtypen.
Ne ndërtuam një stol testimi për të studiuar në mënyrë sasiore vetitë e tekstileve inteligjente të zhvilluara (shih seksionin "Metoda" dhe figurën plotësuese S1).Meqenëse të gjitha mostrat janë bërë nga AMF, tendenca e përgjithshme e rezultateve eksperimentale (Fig. 4) është në përputhje me karakteristikat kryesore të AMF, domethënë, presioni i hyrjes është drejtpërdrejt proporcional me zgjatjen e daljes dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me forcën e ngjeshjes.Megjithatë, këto pëlhura inteligjente kanë karakteristika unike që pasqyrojnë konfigurimet e tyre specifike.
Përmban konfigurime të zgjuara tekstili.(A, B) Lakoret e histerezës për presionin e hyrjes dhe zgjatjen e daljes dhe forcën për fletët e endura.(C) Zgjerimi i zonës së fletës së endur.(D,E) Marrëdhënia midis presionit të hyrjes dhe zgjatjes dhe forcës në dalje për veshjet e thurura.(F) Zgjerimi i zonës së strukturave që zgjerohen në mënyrë radiale.(G) Këndet e përkuljes me tre gjatësi të ndryshme të disqeve përkulëse.
Çdo AMF e fletës së endur iu nënshtrua një presioni hyrës prej 1 MPa për të gjeneruar zgjatim afërsisht 30% (Fig. 4A).Ne zgjodhëm këtë prag për të gjithë eksperimentin për disa arsye: (1) për të krijuar një zgjatje të konsiderueshme (afërsisht 30%) për të theksuar kthesat e tyre të histerezës, (2) për të parandaluar çiklizmin nga eksperimente të ndryshme dhe prototipe të ripërdorshme që rezultojnë në dëmtim ose dështim aksidental..nën presion të lartë të lëngjeve.Zona e vdekur është qartë e dukshme, dhe gërsheti mbetet i palëvizshëm derisa presioni i hyrjes të arrijë 0.3 MPa.Grafiku i histerezës së zgjatjes së presionit tregon një hendek të madh midis fazave të pompimit dhe lëshimit, duke treguar se ka një humbje të konsiderueshme të energjisë kur fleta e endur ndryshon lëvizjen e saj nga zgjerimi në tkurrje.(Fig. 4A).Pas marrjes së një presioni hyrës prej 1 MPa, fleta e endur mund të ushtrojë një forcë tkurrje prej 5,6 N (Fig. 4B).Grafiku i histerezës së forcës presion tregon gjithashtu se kurba e rivendosjes pothuajse mbivendoset me kurbën e rritjes së presionit.Zgjerimi i zonës së fletës së endur varej nga sasia e presionit të aplikuar në secilën prej dy AMF-ve, siç tregohet në grafikun e sipërfaqes 3D (Figura 4C).Eksperimentet tregojnë gjithashtu se një fletë e endur mund të prodhojë një zgjerim të sipërfaqes prej 66% kur AMF-të e saj deformuese dhe indeve i nënshtrohen njëkohësisht një presioni hidraulik prej 1 MPa.
Rezultatet eksperimentale për fletën e thurur tregojnë një model të ngjashëm me fletën e endur, duke përfshirë një hendek të gjerë histerezi në diagramin tension-presion dhe kthesa të mbivendosura të presionit-forcës.Fleta e thurur tregoi një zgjatim prej 30%, pas së cilës forca e ngjeshjes ishte 9 N në një presion të hyrjes prej 1 MPa (Fig. 4D, E).
Në rastin e një fletë të endur të rrumbullakët, sipërfaqja e saj fillestare u rrit me 25% në krahasim me sipërfaqen fillestare pas ekspozimit ndaj një presioni të lëngut prej 1 MPa (Fig. 4F).Përpara se kampioni të fillojë të zgjerohet, ekziston një zonë e madhe e vdekur e presionit të hyrjes deri në 0.7 MPa.Kjo zonë e madhe e vdekur pritej pasi mostrat ishin bërë nga AMF më të mëdha të cilat kërkonin presione më të larta për të kapërcyer stresin e tyre fillestar.Në fig.4F tregon gjithashtu se kurba e lëshimit pothuajse përkon me kurbën e rritjes së presionit, duke treguar një humbje të vogël të energjisë kur lëvizja e diskut ndërrohet.
Rezultatet eksperimentale për tre aktivizuesit e përkuljes (rikonfigurimi i indit) tregojnë se kurbat e tyre të histerezës kanë një model të ngjashëm (Figura 4G), ku ata përjetojnë një zonë të vdekur të presionit të hyrjes deri në 0,2 MPa përpara se të ngrihen.Ne aplikuam të njëjtin vëllim lëngu (0,035 ml) në tre disqe përkulëse (L20, L30 dhe L50 mm).Megjithatë, çdo aktivizues përjetoi maja të ndryshme presioni dhe zhvilloi kënde të ndryshme përkuljeje.Aktivizuesit L20 dhe L30 mm përjetuan një presion hyrës prej 0,72 dhe 0,67 MPa, duke arritur kënde përkuljeje përkatësisht 167° dhe 194°.Makina më e gjatë e përkuljes (gjatësia 50 mm) i rezistoi një presioni prej 0,61 MPa dhe arriti një kënd maksimal të përkuljes prej 236°.Grafikët e histerezës së këndit të presionit zbuluan gjithashtu boshllëqe relativisht të mëdha midis kthesave të presionit dhe lëshimit për të tre disqet e përkuljes.
Marrëdhënia midis vëllimit të hyrjes dhe vetive të daljes (zgjatja, forca, zgjerimi i zonës, këndi i përkuljes) për konfigurimet e mësipërme të tekstilit inteligjent mund të gjendet në Figurën plotësuese S2.
Rezultatet eksperimentale në seksionin e mëparshëm demonstrojnë qartë marrëdhënien proporcionale midis presionit të aplikuar në hyrje dhe zgjatjes së daljes së mostrave AMF.Sa më e fortë të sforcohet AMB, aq më i madh është zgjatja që zhvillon dhe aq më shumë energji elastike grumbullon.Prandaj, aq më e madhe është forca shtypëse që ushtron.Rezultatet treguan gjithashtu se ekzemplarët arritën forcën e tyre maksimale të ngjeshjes kur presioni i hyrjes u hoq plotësisht.Ky seksion synon të krijojë një marrëdhënie të drejtpërdrejtë midis zgjatimit dhe forcës maksimale të tkurrjes së fletëve të thurura dhe të endura përmes modelimit analitik dhe verifikimit eksperimental.
Forca maksimale kontraktuese Fout (në presionin e hyrjes P = 0) e një AMF të vetme është dhënë në ref 49 dhe është rifutur si më poshtë:
Midis tyre, α, E dhe A0 janë respektivisht faktori i shtrirjes, moduli i Young dhe zona e prerjes tërthore të tubit të silikonit;k është koeficienti i ngurtësisë së spirales spirale;x dhe li janë zhvendosur dhe gjatësia fillestare.AMP, respektivisht.
ekuacioni i duhur.(1) Merrni si shembull fletët e thurura dhe të endura (Fig. 5A, B).Forcat e tkurrjes së produktit të thurur Fkv dhe produktit të endur Fwh shprehen përkatësisht me ekuacionin (2) dhe (3).
ku mk është numri i sytheve, φp është këndi i lakut të pëlhurës së thurur gjatë injektimit (Fig. 5A), mh është numri i fijeve, θhp është këndi i lidhjes së pëlhurës së thurur gjatë injektimit (Fig. 5B), εkv εwh është fleta e thurur dhe deformimi i fletës së thurur, F0 është tensioni fillestar i bobinës spirale.Nxjerrja e detajuar e ekuacionit.(2) dhe (3) mund të gjenden në informacionin mbështetës.
Krijoni një model analitik për marrëdhënien zgjatim-forcë.(A,B) Ilustrime të modeleve analitike për fletët e thurura dhe të endura, përkatësisht.(C,D) Krahasimi i modeleve analitike dhe të dhënave eksperimentale për fletët e thurura dhe të endura.Gabim mesatar katror i rrënjës RMSE.
Për të testuar modelin e zhvilluar, ne kryem eksperimente të zgjatjes duke përdorur modelet e thurura në Fig. 2A dhe mostrat e thurura në Fig. 2B.Forca e tkurrjes është matur me 5% rritje për çdo zgjatim të kyçur nga 0% në 50%.Mesatarja dhe devijimi standard i pesë provave janë paraqitur në Figurën 5C (thurje) dhe Figurën 5D (thurje).Lakoret e modelit analitik përshkruhen me ekuacione.Parametrat (2) dhe (3) janë dhënë në tabelë.1. Rezultatet tregojnë se modeli analitik është në përputhje të mirë me të dhënat eksperimentale në të gjithë diapazonin e zgjatjes me një gabim mesatar katror në rrënjë (RMSE) prej 0,34 N për veshjet e thurura, 0,21 N për AMF H të endur (drejtimi horizontal) dhe 0,17 N për AMF të endura.V (drejtimi vertikal).
Përveç lëvizjeve bazë, tekstilet inteligjente të propozuara mund të programohen mekanikisht për të ofruar lëvizje më komplekse si përkulja S, tkurrja radiale dhe deformimi 2D në 3D.Ne paraqesim këtu disa metoda për programimin e tekstileve inteligjente të sheshta në strukturat e dëshiruara.
Përveç zgjerimit të domenit në drejtim linear, fletët e endura me një drejtim mund të programohen mekanikisht për të krijuar lëvizje multimodale (Fig. 6A).Ne rikonfigurojmë shtrirjen e fletës së gërshetuar si një lëvizje lakimi, duke kufizuar njërën nga fytyrat e saj (sipër ose fund) me fije qepëse.Fletët priren të përkulen drejt sipërfaqes kufizuese nën presion.Në fig.6A tregon dy shembuj të paneleve të endura që bëhen në formë S kur njëra gjysma është e ngushtë në anën e sipërme dhe gjysma tjetër është e ngushtë në anën e poshtme.Përndryshe, ju mund të krijoni një lëvizje rrethore përkulëse ku vetëm e gjithë fytyra është e kufizuar.Një fletë e endur me një drejtim mund të bëhet gjithashtu në një mëngë kompresuese duke lidhur dy skajet e saj në një strukturë tubulare (Fig. 6B).Mëngët mbahen mbi gishtin tregues të një personi për të siguruar kompresim, një formë terapie masazhi për të lehtësuar dhimbjen ose për të përmirësuar qarkullimin.Mund të shkallëzohet për t'iu përshtatur pjesëve të tjera të trupit si krahët, ijet dhe këmbët.
Aftësia për të endur fletët në një drejtim.(A) Krijimi i strukturave të deformueshme për shkak të programueshmërisë së formës së fijeve të qepjes.(B) Mëngë për shtypjen e gishtit.(C) Një version tjetër i fletës së gërshetuar dhe zbatimi i saj si mëngë kompresuese e parakrahut.(D) Një tjetër prototip i mëngës së ngjeshjes i bërë nga AMF tip M, fije akrilike dhe rripa Velcro.Specifikimet e hollësishme mund të gjenden në seksionin Metodat.
Figura 6C tregon një shembull tjetër të një fletë të endur me një drejtim të bërë nga një AMF e vetme dhe fije pambuku.Fleta mund të zgjerohet me 45% në sipërfaqe (në 1.2 MPa) ose të shkaktojë lëvizje rrethore nën presion.Ne kemi inkorporuar gjithashtu një fletë për të krijuar një mëngë shtypëse të parakrahut duke bashkuar rripat magnetikë në fund të fletës.Një tjetër prototip i mëngës së ngjeshjes së parakrahut është paraqitur në Fig. 6D, në të cilën fletët e gërshetuara me një drejtim janë bërë nga tipi M AMF (shih Metodat) dhe fije akrilike për të gjeneruar forca më të forta kompresimi.Ne kemi pajisur skajet e çarçafëve me rripa Velcro për ngjitje të lehtë dhe për madhësi të ndryshme duarsh.
Teknika e frenimit, e cila konverton shtrirjen lineare në lëvizje përkulëse, është gjithashtu e zbatueshme për fletët e endura dydrejtimëshe.Ne thurim fijet e pambukut në njërën anë të fletëve të endura me dredhë dhe ind që të mos zgjerohen (Fig. 7A).Kështu, kur dy AMF marrin presion hidraulik në mënyrë të pavarur nga njëra-tjetra, fleta i nënshtrohet një lëvizje lakimi dydrejtimëshe për të formuar një strukturë arbitrare tre-dimensionale.Në një qasje tjetër, ne përdorim fije të pazgjatshme për të kufizuar një drejtim të fletëve të endura me dy drejtime (Figura 7B).Kështu, fleta mund të bëjë lëvizje të pavarura të përkuljes dhe shtrirjes kur AMF përkatës është nën presion.Në fig.7B tregon një shembull në të cilin një fletë e gërshetuar me dy drejtime kontrollohet për të mbështjellë rreth dy të tretat e gishtit të njeriut me një lëvizje përkulëse dhe më pas zgjatet gjatësia e saj për të mbuluar pjesën tjetër me një lëvizje shtrirjeje.Lëvizja e dyanshme e çarçafëve mund të jetë e dobishme për dizajnin e modës ose zhvillimin e veshjeve inteligjente.
Fletë e endur me dy drejtime, fletë e punuar me shtiza dhe aftësi dizajni të zgjerueshme në mënyrë radiale.(A) Panele thurje të lidhura me dy drejtime për të krijuar një kthesë dydrejtimëshe.(B) Panelet prej thurjeje me dy drejtime të kufizuara në një drejtim prodhojnë përkulje dhe zgjatim.(C) Fletë e thurur shumë elastike, e cila mund të përputhet me lakimet e ndryshme të sipërfaqes dhe madje të formojë struktura tubulare.(D) përcaktimi i vijës qendrore të një strukture që zgjerohet në mënyrë radiale duke formuar një formë parabolike hiperbolike (patate të skuqura patate).
Dy sythe ngjitur të rreshtit të sipërm dhe të poshtëm të pjesës së thurur lidhëm me fije qepjeje që të mos zbërthehej (Fig. 7C).Kështu, fleta e endur është plotësisht fleksibël dhe përshtatet mirë me kthesa të ndryshme sipërfaqësore, siç është sipërfaqja e lëkurës së duarve dhe krahëve të njeriut.Gjithashtu krijuam një strukturë tubulare (mëngë) duke lidhur skajet e pjesës së thurur në drejtim të udhëtimit.Mëngë mbështillet mirë rreth gishtit tregues të personit (Fig. 7C).Sinuoziteti i pëlhurës së endur siguron përshtatje dhe deformueshmëri të shkëlqyeshme, duke e bërë atë të lehtë për t'u përdorur në veshjet inteligjente (doreza, mëngë kompresuese), duke siguruar rehati (nëpërmjet përshtatjes) dhe efekt terapeutik (nëpërmjet ngjeshjes).
Përveç zgjerimit radial 2D në drejtime të shumta, fletët e endura rrethore mund të programohen gjithashtu për të formuar struktura 3D.Ne kufizuam vijën qendrore të bishtalecit të rrumbullakët me fije akrilike për të prishur zgjerimin e njëtrajtshëm radial.Si rezultat, forma origjinale e sheshtë e fletës së endur të rrumbullakët u shndërrua në një formë parabolike hiperbolike (ose patate të skuqura) pas presionit (Fig. 7D).Kjo aftësi e ndryshimit të formës mund të zbatohet si një mekanizëm ngritës, një lente optike, këmbë robotësh të lëvizshëm ose mund të jetë e dobishme në dizajnin e modës dhe robotët bionikë.
Ne kemi zhvilluar një teknikë të thjeshtë për krijimin e disqeve përkulëse duke ngjitur AMF në një rrip pëlhure që nuk shtrihet (Figura 3).Ne e përdorim këtë koncept për të krijuar fije të programueshme në formë ku mund të shpërndajmë në mënyrë strategjike seksione të shumta aktive dhe pasive në një AMF për të krijuar forma të dëshiruara.Ne fabrikuam dhe programuam katër filamente aktive që mund të ndryshonin formën e tyre nga e drejtë në shkronjë (UNSW) me rritjen e presionit (Figura suplementare S4).Kjo metodë e thjeshtë lejon deformueshmërinë e AMF për të kthyer linjat 1D në forma 2D dhe ndoshta edhe struktura 3D.
Në një qasje të ngjashme, ne përdorëm një AMF të vetme për të rikonfiguruar një pjesë të indit normal pasiv në një tetrapod aktiv (Fig. 8A).Konceptet e rrugëtimit dhe programimit janë të ngjashme me ato të paraqitura në Figurën 3C.Megjithatë, në vend të çarçafëve drejtkëndëshe, ata filluan të përdorin pëlhura me një model katërkëmbësh (breshka, muslin pambuku).Prandaj, këmbët janë më të gjata dhe struktura mund të ngrihet më lart.Lartësia e strukturës gradualisht rritet nën presion derisa këmbët e saj të jenë pingul me tokën.Nëse presioni i hyrjes vazhdon të rritet, këmbët do të ulen nga brenda, duke ulur lartësinë e strukturës.Tetrapodët mund të kryejnë lëvizje nëse këmbët e tyre janë të pajisura me modele të njëanshme ose përdorin AMF të shumta me strategji të manipulimit të lëvizjes.Robotët e lëvizjes së butë nevojiten për një sërë detyrash, duke përfshirë shpëtimin nga zjarret, ndërtesat e shembura ose mjediset e rrezikshme dhe robotët e shpërndarjes së barnave mjekësore.
Pëlhura është rikonfiguruar për të krijuar struktura që ndryshojnë formën.(A) Ngjitni AMF-në në kufirin e fletës pasive të pëlhurës, duke e kthyer atë në një strukturë me katër këmbë të drejtuara.(BD) Dy shembuj të tjerë të rikonfigurimit të indeve, duke i kthyer fluturat dhe lulet pasive në ato aktive.Pëlhurë që nuk shtrihet: muslin i thjeshtë pambuku.
Ne gjithashtu përfitojmë nga thjeshtësia dhe shkathtësia e kësaj teknike të rikonfigurimit të indeve duke prezantuar dy struktura shtesë të bioinspiruara për riformësim (Figurat 8B-D).Me një AMF të lëvizshme, këto struktura të deformueshme në formë rikonfigurohen nga fletët e indit pasiv në struktura aktive dhe të drejtuara.Frymëzuar nga flutura monark, ne bëmë një strukturë fluture transformuese duke përdorur një copë pëlhure në formë fluture (muslin pambuku) dhe një copë të gjatë AMF të mbërthyer nën krahët e saj.Kur AMF është nën presion, krahët palosen lart.Ashtu si Monarch Butterfly, krahët e majtë dhe të djathtë të Robotit Butterfly përplasen në të njëjtën mënyrë sepse të dy kontrollohen nga AMF.Fluturat e fluturave janë vetëm për qëllime ekspozimi.Nuk mund të fluturojë si Smart Bird (Festo Corp., SHBA).Ne bëmë gjithashtu një lule pëlhure (Figura 8D) e përbërë nga dy shtresa me nga pesë petale secila.Ne vendosëm AMF poshtë çdo shtrese pas skajit të jashtëm të petaleve.Fillimisht, lulet janë në lulëzim të plotë, me të gjitha petalet plotësisht të hapura.Nën presion, AMF shkakton një lëvizje përkulëse të petaleve, duke shkaktuar mbylljen e tyre.Dy AMF-të kontrollojnë në mënyrë të pavarur lëvizjen e dy shtresave, ndërsa pesë petalet e një shtrese përkulen në të njëjtën kohë.
Koha e postimit: Dhjetor-26-2022