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Cumminendu tessili è musculi artificiali per creà tessili intelligenti attrae assai attenzione da e cumunità scientifica è industriale.I tessili intelligenti offrenu assai benefizii, cumpresi cunfortu adattativu è un altu gradu di cunfurmità à l'uggetti mentre furnisce l'attuazione attiva per u muvimentu è a forza desiderata.Questu articulu presenta una nova classe di tessuti intelligenti programmabili fatti cù diversi metudi di tessitura, tessitura è incollazione di fibre muscolari artificiali guidate da fluidi.Un mudellu matematicu hè statu sviluppatu per discrìviri u rapportu di a forza di allungamentu di i fogli di tessili magliati è tessuti, è dopu a so validità hè stata pruvata sperimentalmente.U novu tessili "intelligente" presenta una alta flessibilità, cunfurmità è prugrammazione meccanica, chì permette un muvimentu multimodale è capacità di deformazione per una gamma più larga di applicazioni.Diversi prototipi di tessili intelligenti sò stati creati attraversu a verificazione sperimentale, cumprese diversi casi di cambiamentu di forma cum'è l'allungamentu (finu à 65%), l'espansione di l'area (108%), l'espansione radiale (25%) è u muvimentu di curvatura.U cuncettu di ricunfigurazione di tessuti tradiziunali passivi in strutture attive per strutture di forma biomimetica hè ancu esse esploratu.I tessili intelligenti pruposti sò previsti per facilità u sviluppu di wearables intelligenti, sistemi tattili, robot biomimetici morbidi, è elettronica wearable.
I robots rigidi sò efficaci quandu travaglianu in ambienti strutturati, ma anu prublemi cù u cuntestu scunnisciutu di l'ambienti cambianti, chì limita u so usu in a ricerca o l'esplorazione.A natura cuntinueghja à sorprenderci cù assai strategie inventive per trattà cù fatturi esterni è diversità.Per esempiu, i tendini di e piante rampicanti facenu movimenti multimodali, cum'è a curvatura è a spirale, per scopre un ambiente scunnisciutu in cerca di un supportu adattatu1.L'attrape-mouche de Vénus (Dionaea muscipula) a des poils sensibles sur ses feuilles qui, lorsqu'ils sont déclenchés, s'enclenchent en place pour attraper la proie2.Nta l'ultimi anni, a deformazione o a deformazione di i corpi da superfici bidimensionali (2D) à forme tridimensionali (3D) chì imitanu strutture biologiche hè diventata un tema di ricerca interessante3,4.Queste cunfigurazioni robotiche morbide cambianu a forma per adattà à l'ambienti cambianti, permettenu a locomozione multimodale, è applica forze per fà u travagliu meccanicu.A so portata s'hè estesa à una larga gamma di applicazioni robotiche, cumprese implementabili5, robots reconfigurabili è autopiegabili6,7, dispositi biomedicali8, veiculi9,10 è elettronica espansibile11.
Molte ricerche sò state fatte per sviluppà platti piani programmabili chì, quandu sò attivati, si trasformanu in strutture tridimensionali cumplesse3.Una idea simplice per creà strutture deformabili hè di cumminà strati di diversi materiali chì si flexionanu è s'arruganu quandu sò esposti à stimuli12,13.Janbaz et al.14 è Li et al.15 anu implementatu stu cuncettu per creà robots deformabili multimodali sensibili à u calore.Strutture basate in origami chì incorporanu elementi stimuli-responsive sò state aduprate per creà strutture tridimensionali cumplesse16,17,18.Ispiratu da a morfogenesi di strutture biologiche, Emmanuel et al.L'elastomeri deformabili in forma sò creati urganizendu canali d'aria in una superficia di gomma chì, sottu pressione, si trasformanu in forme tridimensionali cumplesse è arbitrarie.
L'integrazione di tessili o tessili in robots morbidi deformabili hè un altru prughjettu di cuncettu novu chì hà generatu un interessu generalizatu.I tessili sò materiali morbidi è elastici fatti da filati da tecniche di tessitura cum'è a maglia, a tessitura, a treccia, o u nodu.E proprietà maravigghiusu di i tessuti, cumprese a flessibilità, l'adattazione, l'elasticità è a respirabilità, li facenu assai populari in tuttu, da u vestitu à l'applicazioni mediche20.Ci sò trè approcci larghi per incorpore tessili in robotica21.U primu approcciu hè di utilizà u tessili cum'è un sustegnu passivu o basa per altri cumpunenti.In questu casu, i tessili passivi furniscenu un adattamentu còmode per l'utilizatore quandu portanu cumpunenti rigidi (motori, sensori, alimentazione).A maiò parte di i robots wearable molle o exoskeletons molle sò sottu à questu approcciu.Per esempiu, esoscheletri morbidi indossabili per aiuti per marchjà 22 è codici 23, 24, 25, guanti morbidi 26 per aiuti di mani è dita, è robot bionici morbidi 27.
U sicondu approcciu hè di utilizà tessili cum'è cumpunenti passivi è limitati di i dispositi robotichi soft.L'attuatori basati in tessili entranu in questa categuria, induve a tela hè generalmente custruita cum'è un containeru esterno per cuntene a manguera interna o a camera, furmendu un attuatore rinfurzatu di fibra suave.Quandu sò sottumessi à una fonte pneumatica o idraulica esterna, questi attuatori morbidi sottumettenu cambiamenti di forma, cumprese allungamentu, curvatura o torsione, secondu a so cumpusizioni è a cunfigurazione originale.Per esempiu, Talman et al.U vestitu ortopedicu di l'ankle, custituitu da una serie di sacchetti di tela, hè statu introduttu per facilità a flexione plantare per restaurà l'andatura28.Capi tessili cù estensibilità diffirenti ponu esse cumminati per creà movimenti anisotropicu 29 .OmniSkins - pelli robotiche morbide fatte da una varietà di attuatori morbidi è materiali di sustrato ponu trasfurmà l'uggetti passivi in robot attivi multifunzionali chì ponu realizà movimenti multi-modali è deformazioni per diverse applicazioni.Zhu et al.anu sviluppatu una foglia di musculu di tissutu liquidu31 chì pò generà allungamentu, curvatura è diversi movimenti di deformazione.Buckner et al.Integrate fibre funzionali in tessuti cunvinziunali per creà tessuti robotichi cù funzioni multiple cum'è attuazione, sensazione è rigidità variabile32.Altri metudi in questa categuria ponu esse truvati in questi documenti 21, 33, 34, 35.
Un approcciu recente per sfruttà e proprietà superiori di i tessili in u campu di a robotica dolce hè di utilizà filamenti reattivi o stimulanti per creà tessili intelligenti utilizendu metudi tradiziunali di fabricazione di tessili cum'è i metudi di tessitura, di maglia è di tessitura21,36,37.Sicondu a cumpusizioni di u materiale, u filatu reattivu provoca un cambiamentu in a forma quandu sottumessu à l'azzione elettrica, termale o di pressione, chì porta à a deformazione di u tela.In questu approcciu, induve i tessili tradiziunali sò integrati in un sistema roboticu suave, a riformulazione di u tessili si trova nantu à a capa interna (filatu) in quantu à a capa esterna.Comu tali, i tessili intelligenti offrenu una maneggevolezza eccellente in quantu à u muvimentu multimodale, a deformazione programabile, l'elasticità è a capacità di aghjustà a rigidità.Per esempiu, leghe di memoria di forma (SMA) è polimeri di memoria di forma (SMP) ponu esse incorporati in i tessuti per cuntrullà attivamente a so forma per via di l'estimulazione termale, cum'è l'urganizazione38, a rimozione di arrughe36,39, u feedback tactile è tattile40,41, è ancu adattativu. vestiti purtati.dispusitivi 42 .Tuttavia, l'usu di l'energia termale per u riscaldamentu è u rinfrescante risulta in una risposta lenta è un rinfrescante è u cuntrollu difficiuli.Più recentemente, Hiramitsu et al.I musculi fini di McKibben43,44, i musculi artificiali pneumatichi, sò usati cum'è filati di urdimentu per creà diverse forme di tessili attivi cambiendu a struttura di tessitura45.Ancu s'è stu approcciu furnisce e forze elevate, per via di a natura di u musculu McKibben, a so rata di espansione hè limitata (< 50%) è ùn pò micca ottene una piccula dimensione (diametru < 0,9 mm).Inoltre, hè statu difficiule di furmà mudelli tessili intelligenti da i metudi di tessitura chì necessitanu anguli forti.Per furmà una gamma più larga di tessili intelligenti, Maziz et al.I tessili wearable elettroattivi sò stati sviluppati da maglieria è tesse fili polimeri elettrosensibili46.
Nta l'ultimi anni, un novu tipu di musculu artificiale termosensibile hè apparsu, custruitu da fibre di polimeru assai torciate è di prezzu47,48.Queste fibri sò dispunibuli cummerciale è sò facilmente incorporati in tessitura o tessitura per pruduce vestiti intelligenti à prezzu.Malgradu i prugressi, sti novi tessili sensibili à u calore anu tempi di risposta limitati per a necessità di riscaldamentu è rinfrescante (per esempiu, tessili cuntrullati in temperatura) o a difficultà di fà mudelli cumplessi di maglia è tessuti chì ponu esse programati per generà e deformazioni è i movimenti desiderati. .Esempii includenu espansione radiale, trasfurmazioni di forma 2D à 3D, o espansione bidirezionale, chì offremu quì.
Per superà questi prublemi sopra citati, questu articulu presenta un novu tessili intelligente guidatu da fluidu fattu da e nostre fibre muscolari artificiali (AMF) 49,50,51 recentemente introdotte.L'AMF sò assai flessibili, scalabili è ponu esse ridotti à un diametru di 0,8 mm è longu longu (almenu 5000 mm), chì offre un altu rapportu d'aspettu (lunghezza à diametru) è un altu allungamentu (almenu 245%), alta energia. efficienza, menu di risposta rapida di 20 Hz).Per creà tessili intelligenti, usemu AMF cum'è filatu attivu per furmà strati di musculi attivi 2D attraversu tecniche di maglia è di tessitura.Avemu studiatu quantitativamente a rata di espansione è a forza di cuntrazione di sti tissuti "intelligenti" in quantu à u voluminu di fluidu è a pressione furnita.I mudelli analitici sò stati sviluppati per stabilisce a relazione di forza di allungamentu per i fogli di maglia è tessuti.Descrivemu ancu parechje tecniche di prugrammazione meccanica per tessili intelligenti per u muvimentu multimodale, cumprese l'estensione bidirezionale, a curvatura, l'espansione radiale, è a capacità di transizione da 2D à 3D.Per dimustrà a forza di u nostru approcciu, integreremu ancu AMF in tessuti o tessili cummirciali per cambià a so cunfigurazione da strutture passive à attive chì causanu diverse deformazioni.Avemu ancu dimustratu stu cuncettu nantu à parechji banchi di prova sperimentali, cumprese a curvatura programabile di fili per pruduce lettere desiderate è strutture biologiche chì cambianu a forma in a forma di l'uggetti cum'è farfalle, strutture quadrupedi è fiori.
I tessili sò strutture flessibili bidimensionali formate da fili unidimensionali intrecciati cum'è filati, filamenti è fibre.U tessili hè una di e tecnulugia più antiche di l'umanità è hè largamente utilizata in tutti l'aspetti di a vita per via di u so cunfortu, adattabilità, respirabilità, estetica è prutezzione.I tessili intelligenti (cunnisciutu ancu com'è vestiti intelligenti o tessuti robotichi) sò sempre più utilizati in a ricerca per via di u so grande potenziale in l'applicazioni robotiche20,52.I tessili intelligenti prumettenu di migliurà l'esperienza umana di l'interazzione cù l'uggetti molli, inducendu un cambiamentu di paradigma in u campu induve u muvimentu è e forze di tessili magre è flessibili ponu esse cuntrullati per fà funzioni specifiche.In questu documentu, scopremu dui approcci à a produzzione di tessili intelligenti basati nantu à a nostra recente AMF49: (1) utilizate AMF cum'è filatu attivu per creà tessili intelligenti cù e tecnulugia tradiziunali di fabricazione di tessili;(2) inserisci AMF direttamente in tessuti tradiziunali per stimulà u muvimentu è a deformazione desiderate.
L'AMF hè custituitu da un tubu di silicone internu per furnisce l'energia idraulica è una bobina elicoidale esterna per limità a so espansione radiale.Cusì, l'AMF s'allunganu longitudinalmente quandu a pressione hè applicata è sussegwentemente exhibenu forze contractile per vultà à a so lunghezza originale quandu a pressione hè liberata.Hanu pruprietà simili à e fibre tradiziunali, cumprese a flessibilità, u diametru chjucu è a longa longa.In ogni casu, l'AMF hè più attivu è cuntrullatu in quantu à u muvimentu è a forza chì i so contraparti cunvinziunali.Ispirati da i recenti avanzati rapidi in i tessili intelligenti, quì avemu prisentatu quattru approcci principali per a produzzione di tessili intelligenti applicà l'AMF à una tecnulugia di fabricazione di tessuti di longa durata (Figura 1).
U primu modu hè u tissutu.Utilizemu a tecnulugia di maglia di trama per pruduce un tessulu di maglia reattivu chì si sviluppa in una direzzione quandu hè attuatu idraulicamente.I fogli di maglia sò assai elastici è elastici, ma tendenu à sbulicà più facilmente cà i fogli tessuti.Sicondu u metudu di cuntrollu, AMF pò furmà fila individuali o prudutti cumpleti.In più di i fogli piani, i mudelli di maglia tubulari sò ancu adattati per a fabricazione di strutture cave AMF.U sicondu metudu hè u tessulu, induve usemu dui AMF cum'è warp è trama per furmà una tela rettangulare tissuta chì pò espansione indipindente in duie direzzione.I fogli tessuti furniscenu più cuntrollu (in e duie direzzione) cà i fogli di maglia.Avemu ancu tissutu AMF da u filatu tradiziunale per fà un fogliu tissutu più simplice chì pò esse svoltu solu in una direzzione.U terzu metudu - espansione radiale - hè una variante di a tecnica di tissitura, in quale l'AMP ùn sò micca situati in un rectangulu, ma in una spirale, è i filamenti furnisce a limitazione radiale.In questu casu, a treccia si espande radialmente sottu a pressione di l'ingressu.Un quartu approcciu hè di appiccà l'AMF nantu à una foglia di tela passiva per creà un muvimentu di curvatura in a direzzione desiderata.Avemu riconfiguratu a tavola di sbloccazione passiva in una tavola di sbloccazione attiva eseguendu l'AMF intornu à u so bordu.Questa natura programabile di l'AMF apre innumerevoli pussibulità per strutture morbidi chì trasformanu a forma bio-inspirata induve pudemu turnà l'ogetti passivi in quelli attivi.Stu metudu hè simplice, faciule è veloce, ma pò compromette a longevità di u prototipu.U lettore hè riferitu à altri approcci in a literatura chì detallanu i punti di forza è debule di ogni pruprietà di tissuti21,33,34,35.
A maiò parte di i filamenti o filati usati per fà i tessuti tradiziunali cuntenenu strutture passive.In questu travagliu, usemu a nostra AMF sviluppata prima, chì pò ghjunghje à lunghezze di metri è diametri submillimetri, per rimpiazzà i filati tessili passivi tradiziunali cù AFM per creà tessuti intelligenti è attivi per una gamma più larga di applicazioni.I seguenti sezzioni descrizanu i metudi detallati per fà prototipi tessili intelligenti è presentanu e so funzioni principali è cumpurtamenti.
Avemu fattu artighjanali trè maglie AMF cù a tecnica di tricot di trama (Fig. 2A).A selezzione di materiale è e specificazioni dettagliate per AMF è prototipi ponu esse truvate in a sezione Metodi.Ogni AMF seguita una strada sinuosa (chjamata ancu una strada) chì forma un ciclu simmetricu.I loops di ogni fila sò fissi cù i loops di e fila sopra è sottu.L'anelli di una colonna perpendiculare à u corsu sò cumminati in un fustu.U nostru prototipu di maglia hè custituitu da trè file di sette punti (o sette punti) in ogni fila.L'anelli di cima è di fondu ùn sò micca fissi, cusì pudemu attaccà à i bastoni di metalli currispondenti.I prototipi di maglia si sò sbulicati più facilmente cà i tessuti cunvinziunali di maglia per via di a più alta rigidità di AMF cumparatu cù i filati convenzionali.Per quessa, avemu ligatu i loops di fila adiacente cù cordi elastici fini.
Diversi prototipi tessili intelligenti sò implementati cù diverse cunfigurazioni AMF.(A) Foglia di maglia fatta da trè AMF.(B) Foglia tissutu bidirezionale di dui AMF.(C) Un fogliu tissutu unidirezionale fattu da AMF è filatu acrilicu pò purtà una carica di 500 g, chì hè 192 volte u so pesu (2,6 g).(D) Struttura in espansione radiale cun un AMF è filatu di cuttuni cum'è limitazione radiale.Specificazioni dettagliate ponu esse truvate in a sezione Metodi.
Ancu s'è i loops zigzag di una maglia pò stende in diverse direzzione, u nostru prototipu di maglia si espansione principarmenti in a direzzione di u ciclu sottu pressione per via di limitazioni in a direzzione di viaghju.L'allungamentu di ogni AMF cuntribuisce à l'espansione di l'area tutale di u fogliu di maglia.Sicondu i bisogni specifichi, pudemu cuntrullà trè AMF indipindentamente da trè fonti di fluidi differenti (Figura 2A) o simultaneamente da una fonte di fluidu via un distributore di fluidu 1-à-3.Nantu à fig.2A mostra un esempiu di un prototipu di maglia, l'area iniziale di quale hà aumentatu da 35% mentre applicà a pressione à trè AMP (1.2 MPa).In particulare, AMF ottenga un allungamentu elevatu di almenu 250% di a so lunghezza originale49 cusì i fogli di maglia ponu stende ancu più di e versioni attuali.
Avemu ancu creatu fogli di tessitura bidirezionale furmati da dui AMF cù a tecnica di tessitura pianura (Figura 2B).L'orditu è a trama AMF sò intrecciati à l'angulu rettu, furmendu un mudellu simplice incruciatu.U nostru prototipu di trama hè stata classificata cum'è una trama pianura equilibrata perchè sia i filati di urdimentu è di trama sò stati fatti da a stessa dimensione di filatu (vede a sezione Metodi per i dettagli).A cuntrariu di i filamenti ordinali chì ponu formate pieghe sharp, l'AMF applicata esige un certu raghju di curvatura quandu si torna à un altru filu di u mudellu di tissitura.Dunque, i fogli tessuti fatti di AMP anu una densità più bassa cumparatu cù tessili cunvinziunali.AMF-type S (diametru esternu 1,49 mm) hà un raghju minimu di curvatura di 1,5 mm.Per esempiu, u prototipu di u tessulu chì avemu prisentatu in questu articulu hà un mudellu di filu 7 × 7 induve ogni intersezzione hè stabilizzata cù un nodo di corda elastica fina.Utilizendu a listessa tecnica di tessitura, pudete ottene più filamenti.
Quandu l'AMF currispundente riceve a pressione di fluidu, u fogliu tissutu espansione a so area in a direzzione di urdimentu o trama.Per quessa, avemu cuntrullatu e dimensioni di u fogliu intrecciatu (lunghezza è larghezza) cambiendu indipindente a quantità di pressione di ingressu applicata à i dui AMP.Nantu à fig.2B mostra un prototipu tissutu chì si stende à 44% di a so area originale mentre applicà a pressione à un AMP (1.3 MPa).Cù l'azzione simultanea di pressione nantu à dui AMF, l'area hà aumentatu da 108%.
Avemu ancu fattu un fogliu di tissutu unidirezionale da una sola AMF cù filati di urdimentu è acrilichi cum'è trama (Figura 2C).L'AMF sò disposti in sette fila di zigzag è i fili intreccianu sti fila di AMF inseme per furmà una foglia rettangulare di tela.Stu prototipu tissutu era più densu ch'è in a figura 2B, grazia à i filamenti acrilichi morbidi chì facianu facilmente tutta a foglia.Perchè usemu solu un AMF cum'è u warp, u fogliu tessutu pò espansione solu versu u warp sottu pressione.A figura 2C mostra un esempiu di un prototipu tissutu chì a so area iniziale aumenta di 65% cù a pressione crescente (1,3 MPa).Inoltre, stu pezzu intrecciatu (pesu 2,6 grammi) pò elevà una carica di 500 grammi, chì hè 192 volte a so massa.
Invece di urganizà l'AMF in un mudellu di zigzag per creà una foglia tessili rectangulari, avemu fabricatu una forma spirale plana di l'AMF, chì hè stata allora radially constrained cun filatu di cuttuni per creà una foglia round tissue (Figura 2D).L'alta rigidità di AMF limita u so riempimentu di a regione assai cintrali di a piastra.In ogni casu, stu padding pò esse fattu da filati elastici o tessuti elastici.Dopu avè ricivutu a pressione idraulica, l'AMP cunverte u so allungamentu longitudinale in una espansione radiale di u fogliu.Hè nutate ancu chì i diametri esterni è internu di a forma spirale sò aumentati per via di a limitazione radiale di i filamenti.A figura 2D mostra chì cù una pressione idraulica applicata di 1 MPa, a forma di una foglia tonda si espansione à 25% di a so area originale.
Avemu prisentatu quì un secondu approcciu per fà tessili intelligenti induve cola un AMF à un pezzu pianu di tela è cunfigurà da una struttura passiva à una struttura cuntrullata attivamente.U schema di cuncepimentu di l'accionamentu di curvatura hè mostratu in a fig.3A, induve l'AMP hè plegatu à u mezu è incollatu à una striscia di tela inestensibile (tessutu di mussola di cuttuni) utilizendu una cinta à doppia faccia cum'è adesivu.Una volta sigillata, a cima di l'AMF hè liberu di allargà, mentre chì u fondu hè limitatu da a cinta è u tela, facendu chì a striscia si curva versu u tela.Pudemu disattivà ogni parte di l'attuatore di curvatura in ogni locu semplicemente appiccà una striscia di cinta.Un segmentu disattivatu ùn pò micca spustà è diventa un segmentu passiu.
I tessuti sò ricunfigurati appiccichendu AMF nantu à i tessuti tradiziunali.(A) Cuncepimentu di cuncepimentu per una trasmissione di curvatura fatta da colla un AMF plegatu nantu à un tissu inestensibile.(B) Curvatura di u prototipu di l'attuatore.(C) Reconfigurazione di una tela rettangulare in un robot attivu di quattru zampe.Tissu inelasticu: jersey di cuttuni.Tissu stretch: poliester.Specificazioni dettagliate ponu esse truvate in a sezione Metodi.
Avemu fattu parechji prototipi di attuatori di curvatura di diverse lunghezze è pressurizzati cù l'idraulica per creà un muvimentu di curvatura (Figura 3B).Impurtante, l'AMF pò esse dispostu in una linea recta o plegati per furmà parechji filamenti è poi pegati à u tessulu per creà una unità di curvatura cù u numeru adattatu di filamenti.Avemu ancu cunvertitu u fogliu di tissutu passiu in una struttura di tetrapod attiva (Figura 3C), induve avemu usatu AMF per indirizzà e fruntiere di un tissutu rettangulare inestensibile (tessuto muslin di cuttuni).AMP hè attaccatu à u tela cun un pezzu di cinta à doppia faccia.A mità di ogni bordu hè tappata per diventà passiva, mentre chì i quattru cantoni restanu attivi.Copertura superiore di tela stretch (poliester) hè opzionale.I quattru cantoni di a tela si curvanu (sembla peri) quandu sò pressati.
Avemu custruitu un bancu di teste per studià quantitativamente e proprietà di i tessili intelligenti sviluppati (vede a sezione Metodi è a Figura Supplementaria S1).Siccomu tutti i campioni sò stati fatti di AMF, a tendenza generale di i risultati spirimintali (Fig. 4) hè coherente cù e caratteristiche principali di AMF, vale à dì, a pressione di l'ingressu hè direttamente proporzionale à l'allungamentu di l'outlet è inversamente proporzionale à a forza di compressione.Tuttavia, sti tessuti intelligenti anu caratteristiche uniche chì riflettenu e so cunfigurazioni specifiche.
Presenta cunfigurazioni tessili intelligenti.(A, B) Curve d'isteresi per a pressione di entrata è l'allungamentu di l'output è a forza per i fogli tessuti.(C) Espansione di l'area di u fogliu tissutu.(D,E) Relazione trà a pressione di input è l'allungamentu di output è a forza per a maglieria.(F) Espansione di l'area di strutture in espansione radiale.(G) Angoli di curvatura di trè lunghezze diverse di unità di piegatura.
Ogni AMF di u tessulu hè statu sottumessu à una pressione di ingressu di 1 MPa per generà circa 30% allungamentu (Fig. 4A).Avemu sceltu questu limitu per l'esperimentu tutale per parechje motivi: (1) per creà un allungamentu significativu (circa 30%) per enfatizà e so curve d'isteresi, (2) per prevene u ciclismu da diversi esperimenti è prototipi reutilizabili risultatu in danni accidentali o fallimentu..sottu alta pressione di fluidu.A zona morta hè chjaramente visibile, è a treccia resta immobile finu à chì a pressione di l'ingressu righjunghji 0,3 MPa.A trama di l'isteresi di l'allungamentu di a pressione mostra una grande distanza trà e fasi di pumping è di liberazione, chì indicanu chì ci hè una perdita significativa di energia quandu u fogliu tissutu cambia u so muvimentu da espansione à cuntrazione.(Fig. 4A).Dopu avè ottinutu una pressione d'ingressu di 1 MPa, u fogliu tissutu puderia esercite una forza di cuntrazzioni di 5,6 N (Fig. 4B).A trama di l'isteresi di forza di pressione mostra ancu chì a curva di reset si sovrappone quasi à a curva di creazione di pressione.L'espansione di l'area di u fogliu tissutu dipende da a quantità di pressione applicata à ognunu di i dui AMF, cum'è mostra in a trama di a superficia 3D (Figura 4C).L'esperimenti dimustranu ancu chì una foglia tessuta pò pruduce una espansione di l'area di 66% quandu i so AMF di urdimentu è di trama sò simultaneamente sottumessi à una pressione idraulica di 1 MPa.
I risultati sperimentali per u fogliu di maglia mostranu un mudellu simili à u fogliu tissutu, cumprese un largu intervallu d'isteresi in u diagramma di tensione-pressione è curve sovrapposte di forza di pressione.U fogliu di maglia dimustrava un allungamentu di 30%, dopu chì a forza di compressione era 9 N à una pressione d'ingressu di 1 MPa (Fig. 4D, E).
In u casu di una foglia round tissue, a so zona iniziale hà aumentatu da 25% cumparatu cù l'area iniziale dopu l'esposizione à una pressione di liquidu di 1 MPa (Fig. 4F).Prima chì u campionu cumencia à espansione, ci hè una zona morta di pressione d'ingressu grande finu à 0,7 MPa.Questa grande zona morta era prevista cum'è i campioni sò stati fatti da AMF più grande chì necessitavanu pressioni più altu per superà u so stress iniziale.Nantu à fig.4F mostra ancu chì a curva di liberazione guasi coincide cù a curva di crescita di pressione, chì indica poca perdita di energia quandu u muvimentu di u discu hè cambiatu.
I risultati sperimentali per i trè attuatori di curvatura (riconfigurazione di tissuti) mostranu chì e so curve d'isteresi anu un mudellu simili (Figura 4G), induve sperimentanu una zona morta di pressione di ingressu finu à 0,2 MPa prima di l'elevazione.Avemu applicatu u stessu voluminu di liquidu (0,035 ml) à trè unità di curvatura (L20, L30 è L50 mm).Tuttavia, ogni attuatore hà sperimentatu diversi picchi di pressione è hà sviluppatu diversi anguli di curvatura.L'attuatori L20 è L30 mm anu sperimentatu una pressione di ingressu di 0,72 è 0,67 MPa, righjunghjendu anguli di curvatura di 167 ° è 194 ° rispettivamente.L'unità di curvatura più longa (lunghezza 50 mm) resiste à una pressione di 0,61 MPa è hà righjuntu un angolo di curvatura massimu di 236 °.I grafici di l'isteresi di l'angolo di pressione anu revelatu ancu spazii relativamente grandi trà e curve di pressurizazione è di liberazione per tutti i trè unità di curvatura.
A relazione trà u voluminu di input è e proprietà di output (allungamentu, forza, espansione di l'area, angolo di curvatura) per e cunfigurazioni tessili intelligenti sopra ponu esse truvate in a Figura Supplementaria S2.
I risultati sperimentali in a sezione precedente dimustranu chjaramente a relazione proporzionale trà a pressione di ingressu applicata è l'allungamentu di l'outlet di i campioni AMF.U più forte l'AMB hè strained, u più grande l'allungamentu si sviluppa è l'energia più elastica chì accumula.Dunque, più grande hè a forza di compressione chì esercita.I risultati anu ancu dimustratu chì i specimens anu righjuntu a so forza massima di compressione quandu a pressione di l'ingressu hè stata completamente eliminata.Questa sezione hà u scopu di stabilisce una relazione diretta trà l'allungamentu è a forza massima di ritirata di i fogli magliati è tessuti attraversu a modellazione analitica è a verificazione sperimentale.
A forza contractile massima Fout (à a pressione di ingressu P = 0) di una sola AMF hè stata data in ref 49 è reintrodutta cusì:
Frà elli, α, E è A0 sò u fattore di stretching, u modulu di Young è l'area trasversale di u tubu di silicone, rispettivamente;k hè u coefficient di rigidità di a bobina spirale;x è li sò offset è lunghezza iniziale.AMP, rispettivamente.
l'equazione ghjusta.(1) Pigliate fogli di maglia è tissuti com'è esempiu (Fig. 5A, B).E forze di ritirata di u pruduttu di maglia Fkv è di u pruduttu tissutu Fwh sò espressi da l'equazioni (2) è (3), rispettivamente.
induve mk hè u nùmeru di loops, φp hè l'angulu di u loop di u tessulu magliatu durante l'injection (Fig. 5A), mh hè u numeru di fili, θhp hè l'angolo d'ingaghjamentu di u tessulu magliatu durante l'injection (Fig. 5B), εkv εwh hè u fogliu di maglia è a deformazione di u fogliu tissutu, F0 hè a tensione iniziale di a bobina spirale.Derivazione dettagliata di l'equazioni.(2) è (3) ponu esse truvati in l'infurmazioni di sustegnu.
Crea un mudellu analiticu per a relazione allungamentu-forza.(A,B) Illustrazioni di mudelli analitici per fogli di maglia è tessuti, rispettivamente.(C, D) Comparazione di mudelli analitici è dati sperimentali per i fogli di maglia è tessuti.RMSE Errore quadratu mediu di a radica.
Per pruvà u mudellu sviluppatu, avemu realizatu esperimenti di allungamentu cù i mudelli di maglia in Fig. 2A è campioni intrecciati in Fig.A forza di cuntrazzione hè stata misurata in incrementi di 5% per ogni estensione chjusa da 0% à 50%.A media è a deviazione standard di i cinque prucessi sò presentati in Figura 5C (maglia) è Figura 5D (maglia).E curve di u mudellu analiticu sò descritte da equazioni.I paràmetri (2) è (3) sò datu in Table.1. I risultati dimustranu chì u mudellu analiticu hè in bonu accordu cù e dati sperimentali nantu à tutta l'allungamentu di l'allungamentu cù un errore quadratu mediu (RMSE) di 0,34 N per a maglieria, 0,21 N per a tessitura AMF H (direzzione horizontale) è 0,17 N. per i tessuti AMF.V (direzzione verticale).
In più di i muvimenti basi, i tessili intelligenti pruposti ponu esse programati meccanicamente per furnisce movimenti più cumplessi cum'è S-bend, cuntrazione radiale è deformazione 2D à 3D.Presentemu quì parechji metudi per programà tessili smart flat in strutture desiderate.
In più di l'espansione di u duminiu in a direzzione lineale, i fogli unidirezionali ponu esse programati meccanicamente per creà un muvimentu multimodale (Fig. 6A).Ricunfigurà l'estensione di a foglia treccia cum'è un muvimentu di curvatura, custrinendu una di e so facci (in cima o in fondu) cù filu di cucitura.I fogli tendenu à piegà versu a superficia di limitazione sottu pressione.Nantu à fig.6A mostra dui esempi di pannelli tissuti chì diventanu in forma di S quandu una mità hè stretta in u latu superiore è l'altra mità hè stretta in u latu fondu.In alternativa, pudete creà un muvimentu di curvatura circular induve solu a faccia sana hè limitata.Un fogliu braided unidirezionale pò ancu esse fattu in una manica di compressione cunnessu i so dui estremità in una struttura tubular (Fig. 6B).A manica hè purtata nantu à l'indici di una persona per furnisce a compressione, una forma di terapia di massaggio per allevà u dolore o migliurà a circulazione.Pò esse scalatu per adattà à altre parti di u corpu, cum'è braccia, fianchi è gambe.
Capacità di tesse fogli in una direzzione.(A) Creazione di strutture deformabili per via di a programabilità di a forma di filamenti di cucitura.(B) Manicotta di compressione di dita.(C) Una altra versione di u fogliu intrecciatu è a so implementazione cum'è una manica di compressione di l'avantbracciu.(D) Un altru prototipu di manica di compressione fatta da AMF tipu M, filatu acrilicu è cinturini Velcro.Specificazioni dettagliate ponu esse truvate in a sezione Metodi.
A Figura 6C mostra un altru esempiu di un fogliu unidirezionale fattu da una sola AMF è filatu di cuttuni.U fogliu pò espansione da 45% in area (à 1,2 MPa) o pruvucà movimentu circular sottu pressione.Avemu ancu incorporatu un fogliu per creà una manica di compressione di l'avantbracciu attachendu cinturi magnetichi à a fine di u fogliu.Un altru prototipu di manica di compressione di l'avantbracciu hè mostratu in a Fig. 6D, in quale i fogli intrecciati unidirezionali sò stati fatti da Type M AMF (vede Methods) è filati acrilichi per generà forzi di compressione più forte.Avemu equipatu l'estremità di i fogli cù cinturini Velcro per un attaccamentu faciule è per diverse dimensioni di mani.
A tecnica di restrizzione, chì cunverte l'estensione lineale in u muvimentu di curvatura, hè ancu applicabile à i fogli tessuti bidirezionali.Tessemu i filamenti di cuttuni nantu à un latu di l'urdimentu è a trama tissuti per ch'elli ùn si espansione (Fig. 7A).Cusì, quandu dui AMF ricevenu a pressione idraulica indipindentamente l'una di l'altru, a foglia hè sottumessa à un muvimentu di curvatura bidirezionale per furmà una struttura tridimensionale arbitraria.In un altru approcciu, usemu filati inestensibili per limità una direzzione di fogli tissuti bidirezionali (Figura 7B).Cusì, u fogliu pò fà movimenti indipindenti di curvatura è stende quandu l'AMF currispondente hè sottu pressione.Nantu à fig.7B mostra un esempiu in quale una foglia intrecciata bidirezionale hè cuntrullata per avvolgere intornu à dui terzi di un dito umanu cù un muvimentu di curvatura è poi allargà a so lunghezza per copre u restu cù un muvimentu di stretchimentu.U muvimentu bidirezionale di i fogli pò esse utile per u disignu di moda o u sviluppu di vestiti intelligenti.
Foglia tessuta bidirezionale, foglia maglia è capacità di cuncepimentu espansibile radialmente.(A) Pannelli di vimini bidirezionali legati bidirezionali per creà una curva bidirezionale.(B) I pannelli di vimini bidirezionali limitati unidirezionali producono flex e allungamento.(C) Foglia di maglia altamente elastica, chì pò cunforme à diverse curvature di a superficia è ancu formate strutture tubulari.(D) delimitazione di a linea centrale di una struttura in espansione radiale chì forma una forma parabolica iperbolica (patatine).
Avemu cunnessu dui loops adiacenti di e fila superiore è inferjuri di a parti tricotata cù filu di costura per ùn esse micca sbulicatu (Fig. 7C).Cusì, u fogliu tissutu hè cumplettamente flexibule è si adatta bè à diverse curve di superficia, cum'è a superficia di a pelle di mani è braccia umani.Avemu ancu creatu una struttura tubulare (manica) cunghjuntendu l'estremità di a parti di maglia in a direzzione di u viaghju.A manica s'impegna bè intornu à l'indici di a persona (Fig. 7C).A sinuosità di u tessulu tissutu furnisce un fitu è deformabilità eccellente, facendu faciule d'utilizà in vestiti intelligenti (guanti, maniche di compressione), furnisce cunfortu (attraversu fit) è effettu terapeuticu (per compressione).
In più di l'espansione radiale 2D in parechje direzzione, i fogli di tissuti circulari ponu ancu esse programati per furmà strutture 3D.Avemu limitatu a linea centrale di a treccia tonda cù filatu acrilicu per disturbà a so espansione radiale uniforme.In u risultatu, a forma piatta uriginale di u fogliu round tissue hè stata trasfurmata in una forma parabolica hyperbolic (o patatine fritte) dopu à pressurization (Fig. 7D).Questa capacità di cambià di forma puderia esse implementata cum'è un mecanismu di elevazione, una lente ottica, gambe di robot mobili, o puderia esse utile in u disignu di moda è robot bionici.
Avemu sviluppatu una tecnica simplice per creà unità di flexural incollandu AMF nantu à una striscia di tela non stretch (Figura 3).Utilizemu stu cuncettu per creà filamenti programmabili di forma induve pudemu distribuisce strategicamente parechje sezioni attive è passive in un AMF per creà forme desiderate.Avemu fabricatu è programatu quattru filamenti attivi chì puderanu cambià a so forma da dritta à lettera (UNSW) cum'è a pressione hè stata aumentata (Figura Supplementaria S4).Stu metudu simplice permette a deformabilità di l'AMF per trasfurmà e linee 1D in forme 2D è possibbilmente ancu strutture 3D.
In un approcciu simili, avemu usatu una sola AMF per cunfigurà un pezzu di tissutu normale passiu in un tetrapod attivu (Fig. 8A).I cuncetti di routing è di prugrammazione sò simili à quelli mostrati in Figura 3C.In ogni casu, invece di fogli rettangulari, cuminciaru à utilizà tessili cù un mudellu quadrupede (tartaruga, muslin di cuttuni).Dunque, i gammi sò più longu è a struttura pò esse elevata più altu.L'altezza di a struttura aumenta gradualmente sottu pressione finu à chì i so gammi sò perpendiculari à a terra.Se a pressione di l'inlet cuntinueghja à cresce, i gammi s'affaccianu in l'internu, diminuendu l'altezza di a struttura.I tetrapodi ponu fà locomozione se i so gammi sò dotati di mudelli unidirezionali o utilizanu parechje AMF cù strategie di manipulazione di u muvimentu.I robot di locomozione morbidi sò necessarii per una varietà di compiti, cumprese i salvataggi da incendi, edifici colapsati o ambienti periculosi, è robots di consegna di droghe mediche.
A tela hè ricunfigurata per creà strutture chì cambianu a forma.(A) Colla l'AMF à u cunfini di u fogliu di tela passiva, trasfurmendu in una struttura di quattru gambe orientabile.(BD) Dui altri esempi di ricunfigurazione di tissuti, trasfurmendu farfalle passive è fiori in attivi.Tissu non stretch: mussola di cotone uni.
Avemu ancu prufittà di a simplicità è a versatilità di sta tecnica di ricunfigurazione di tissuti intruducendu duie strutture bioinspirate supplementari per rinfurzà (Figure 8B-D).Cù un AMF routable, sti strutturi deformabili in forma sò ricunfigurati da fogli di tissuti passivi à strutture attive è steerable.Inspiratu da a farfalla monarca, avemu fattu una struttura di farfalla trasfurmendu cù un pezzu di tela in forma di farfalla (mussola di cuttuni) è un pezzu longu di AMF appiccicatu sottu à e so ali.Quandu l'AMF hè sottu pressione, l'ale si plega.Cum'è a Farfalla Monarca, l'ala sinistra è diritta di u Robot Butterfly batte u listessu modu perchè sò tramindui cuntrullati da l'AMF.I flaps di farfalla sò solu per scopi di visualizazione.Ùn pò micca volà cum'è Smart Bird (Festo Corp., USA).Avemu ancu fattu un fiore di tela (Figura 8D) custituitu da dui strati di cinque petali ognunu.Pudemu l'AMF sottu à ogni strata dopu à a riva esterna di i petali.In principiu, i fiori sò in piena fioritura, cù tutti i petali aperti.Sottu pressione, l'AMF pruvuca un muvimentu di curvatura di i petali, pruvucannu à chjude.I dui AMF cuntrullanu indipindentamente u muvimentu di e duie strati, mentre chì i cinque petali di una capa flexe à u stessu tempu.
Tempu di Postu: Dec-26-2022