Tekstil entelijan lè l sèvi avèk fib misk atifisyèl ki kondwi likid

Mèsi paske w vizite Nature.com.W ap itilize yon vèsyon navigatè ak sipò CSS limite.Pou pi bon eksperyans, nou rekòmande pou w sèvi ak yon navigatè ki ajou (oswa enfim mòd konpatibilite nan Internet Explorer).Anplis de sa, asire sipò kontinyèl, nou montre sit la san estil ak JavaScript.
Montre yon Carousel twa glisad alafwa.Sèvi ak bouton Previous ak Next pou deplase nan twa glisad alafwa, oswa itilize bouton kurseur nan fen a pou w deplase nan twa glisad nan yon moman.
Konbine tekstil ak misk atifisyèl pou kreye tekstil entelijan ap atire anpil atansyon nan tou de kominote syantifik ak endistriyèl.Tekstil entelijan ofri anpil avantaj, ki gen ladan konfò adaptasyon ak yon wo degre de konfòmite ak objè pandan y ap bay aksyon aktif pou mouvman vle ak fòs.Atik sa a prezante yon nouvo klas nan twal entelijan pwogramasyon ki fèt ak metòd divès kalite resi, resi ak kolan fib misk atifisyèl ki kondwi likid.Yo te devlope yon modèl matematik pou dekri rapò fòs elongasyon dra twal knitted ak trikote, epi apre sa yo te teste validite li eksperimantal.Nouvo twal "entelijan" a gen gwo fleksibilite, konfòmite ak pwogramasyon mekanik, sa ki pèmèt mouvman milti-modal ak kapasite deformation pou yon seri aplikasyon pi laj.Yo te kreye plizyè pwototip twal entelijan atravè verifikasyon eksperimantal, ki gen ladan plizyè ka chanjman fòm tankou elongasyon (jiska 65%), ekspansyon zòn (108%), ekspansyon radial (25%), ak mouvman koube.Konsèp rekonfigurasyon tisi tradisyonèl pasif yo nan estrikti aktif pou estrikti fòm biomimetik yo ap eksplore tou.Tekstil entelijan yo pwopoze yo espere fasilite devlopman nan wearables entelijan, sistèm haptic, robo mou byomimetik, ak elektwonik portable.
Robo rijid yo efikas lè y ap travay nan anviwònman estriktire, men gen pwoblèm ak kontèks enkoni nan anviwònman chanje, ki limite itilizasyon yo nan rechèch oswa eksplorasyon.Nati kontinye sipriz nou ak anpil estrateji envante pou fè fas ak faktè ekstèn ak divèsite.Pou egzanp, tenrils yo nan plant k ap grenpe fè mouvman multimodal, tankou koube ak espiral, yo eksplore yon anviwònman enkoni pou chèche yon sipò apwopriye1.Venus flytrap (Dionaea muscipula) gen cheve sansib sou fèy li yo ki, lè yo deklanche, yo kase an plas pou kenbe bèt2.Nan dènye ane yo, deformation oswa deformation kò ki soti nan sifas ki genyen de dimansyon (2D) ak fòm ki genyen twa dimansyon (3D) ki imite estrikti byolojik te vin tounen yon sijè rechèch enteresan3,4.Konfigirasyon robotik mou sa yo chanje fòm pou adapte yo ak anviwònman k ap chanje, pèmèt lokomosyon multimodal, epi aplike fòs pou fè travay mekanik.Yo te pwolonje nan yon pakèt aplikasyon robotik, ki gen ladan deployables5, reconfigurable ak oto-pliye robo6,7, aparèy byomedikal8, machin9,10 ak elektwonik dilatabl11.
Yo te fè anpil rechèch pou devlope plak plat pwogramasyon ki, lè yo aktive, transfòme nan estrikti konplèks ki genyen twa dimansyon3.Yon lide senp pou kreye estrikti deformable se konbine kouch diferan materyèl ki flechi ak rid lè yo ekspoze a stimuli12,13.Janbaz et al.14 ak Li et al.15 te aplike konsèp sa a pou kreye robo deformable multimodal ki sansib pou chalè.Yo te itilize estrikti ki baze sou origami ki enkòpore eleman ki reponn a estimilis pou kreye estrikti konplèks ki genyen twa dimansyon16,17,18.Enspire pa morphogenesis nan estrikti byolojik, Emmanuel et al.Fòm-deformable elastomè yo kreye pa òganize chanèl lè nan yon sifas kawotchou ki, anba presyon, transfòme nan fòm konplèks, abitrè ki genyen twa dimansyon.
Entegrasyon an nan tekstil oswa twal nan robo mou deformable se yon lòt nouvo pwojè konsèp ki te pwodwi enterè toupatou.Tekstil yo se materyèl mou ak elastik ki fèt ak fil pa teknik resi tankou trikote, resi, trese, oswa trese ne.Pwopriyete yo etonan nan twal, ki gen ladan fleksibilite, anfòm, elastisite ak rèspirabilite, fè yo trè popilè nan tout bagay soti nan rad ak aplikasyon medikal20.Gen twa apwòch laj pou enkòpore tekstil nan robotics21.Premye apwòch la se sèvi ak twal la kòm yon sipò pasif oswa baz pou lòt konpozan.Nan ka sa a, tekstil pasif bay yon anfòm konfòtab pou itilizatè a lè yo pote eleman rijid (motè, detèktè, ekipman pou pouvwa).Pifò mou robo portable oswa èzoskelèt mou tonbe anba apwòch sa a.Pou egzanp, èzoskelèt mou pou mete pou èd pou mache 22 ak èd koud 23, 24, 25, gan mou pou mete 26 pou èd men ak dwèt, ak robo byonik mou 27.
Dezyèm apwòch la se sèvi ak tekstil kòm eleman pasif ak limite nan aparèy robotik mou.Tekstil ki baze aktuateurs tonbe nan kategori sa a, kote twal la anjeneral konstwi kòm yon veso ekstèn ki genyen kawotchou anndan an oswa chanm, fòme yon fib mou aktuateur ranfòse.Lè yo sibi yon sous pneumatik oswa idwolik ekstèn, actuators mou sa yo sibi chanjman nan fòm, ki gen ladan elongasyon, koube oswa trese, tou depann de konpozisyon orijinal yo ak konfigirasyon.Pou egzanp, Talman et al.Rad òtopedik cheviy, ki fòme ak yon seri de pòch twal, yo te prezante pou fasilite flexion plantèr pou retabli demach28.Kouch tekstil ak ekstansibilite diferan ka konbine pou kreye mouvman anisotropik 29 .OmniSkins - po robo mou ki fèt ak yon varyete de actuators mou ak materyèl substra ka transfòme objè pasif nan robo aktif multifonksyonèl ki ka fè mouvman milti-modal ak deformation pou aplikasyon pou divès kalite.Zhu et al.te devlope yon fèy nan misk tisi likid31 ki ka jenere elongasyon, koube, ak divès mouvman deformation.Buckner et al.Entegre fib fonksyonèl nan tisi konvansyonèl yo kreye tisi robotik ak fonksyon miltip tankou aksyon, deteksyon, ak rèd varyab32.Ou ka jwenn lòt metòd nan kategori sa a nan papye sa yo 21, 33, 34, 35.
Yon apwòch resan pou exploiter pwopriyete siperyè tekstil yo nan domèn robotik mou se sèvi ak filaman reyaktif oswa estimilis-reponn pou kreye tekstil entelijan lè l sèvi avèk metòd tradisyonèl fabrikasyon twal tankou resi, trikote ak tissage metòd21,36,37.Tou depan de konpozisyon an nan materyèl la, fil reyaktif lakòz yon chanjman nan fòm lè yo sibi aksyon elektrik, tèmik oswa presyon, ki mennen nan deformation nan twal la.Nan apwòch sa a, kote tekstil tradisyonèl yo entegre nan yon sistèm robotik mou, refòm nan twal la rive sou kouch enteryè a (fil) olye ke kouch ekstèn lan.Kòm sa yo, twal entelijan ofri manyen ekselan an tèm de mouvman multimodal, deformation pwogramasyon, stretchability, ak kapasite nan ajiste rèd.Pou egzanp, alyaj memwa fòm (SMA) ak polymère memwa fòm (SMP) ka enkòpore nan twal pou kontwole aktivman fòm yo atravè eksitasyon tèmik, tankou hemming38, retire rid36,39, tactile ak tactile fidbak40,41, osi byen ke adaptasyon. rad ki kapab mete.aparèy 42 .Sepandan, itilizasyon enèji tèmik pou chofaj ak refwadisman rezilta nan repons dousman ak refwadisman difisil ak kontwòl.Plis resamman, Hiramitsu et al.Misk amann McKibben yo43,44, misk pneumatik atifisyèl, yo itilize kòm fil chèn pou kreye divès fòm tekstil aktif pa chanje estrikti nan mare45.Malgre ke apwòch sa a bay fòs segondè, akòz nati a nan misk McKibben, to ekspansyon li yo limite (< 50%) ak ti gwosè pa ka reyalize (dyamèt < 0.9 mm).Anplis de sa, li te difisil yo fòme modèl twal entelijan soti nan metòd resi ki mande pou kwen byen file.Pou fòme yon seri pi laj nan tekstil entelijan, Maziz et al.Tekstil elèktroaktif portable yo te devlope pa trikote ak resi fil polymère electrosensitive46.
Nan dènye ane yo, yon nouvo kalite misk atifisyèl thermosensitive te parèt, ki te konstwi soti nan fib polymère trè trese, ki pa chè47,48.Fib sa yo disponib nan komès epi yo fasil enkòpore nan resi oswa resi pou pwodui rad entelijan abòdab.Malgre pwogrè yo, nouvo tekstil sansib chalè sa yo gen tan repons limite akòz nesesite pou chofaj ak refwadisman (egzanp twal kontwole tanperati) oswa difikilte pou fè modèl trikote ak trikote konplèks ki ka pwograme pou jenere deformation ak mouvman yo vle. .Egzanp yo enkli ekspansyon radial, transfòmasyon fòm 2D a 3D, oswa ekspansyon bi-direksyon, ke nou ofri isit la.
Pou simonte pwoblèm sa yo mansyone pi wo a, atik sa a prezante yon nouvo twal entelijan ki kondwi ak likid ki fèt ak fib nan misk atifisyèl mou nou an ki fèk prezante (AMF)49,50,51.AMF yo trè fleksib, évolutive epi yo ka redwi a yon dyamèt 0.8 mm ak gwo longè (omwen 5000 mm), ofri yon gwo rapò aspè (longè a dyamèt) osi byen ke gwo elongasyon (omwen 245%), gwo enèji. efikasite, mwens pase 20Hz repons rapid).Pou kreye tekstil entelijan, nou itilize AMF kòm yon fil aktif pou fòme kouch nan misk aktif 2D atravè teknik trikote ak resi.Nou te etidye quantitatively to ekspansyon ak fòs kontraksyon tisi "entelijan" sa yo an tèm de volim likid ak presyon delivre.Modèl analyse yo te devlope pou etabli relasyon fòs elongasyon pou dra knitted ak trikote.Nou dekri tou plizyè teknik pwogramasyon mekanik pou tekstil entelijan pou mouvman multimodal, ki gen ladan ekstansyon bi-direksyon, koube, ekspansyon radial, ak kapasite nan tranzisyon soti nan 2D a 3D.Pou demontre fòs apwòch nou an, nou pral entegre AMF tou nan twal komèsyal oswa tekstil pou chanje konfigirasyon yo soti nan estrikti pasif ak estrikti aktif ki lakòz divès deformation.Nou te demontre tou konsèp sa a sou plizyè ban tès eksperimantal, ki gen ladan koube pwogramasyon fil yo pou pwodui lèt vle ak estrikti byolojik ki chanje fòm nan fòm objè tankou papiyon, estrikti quadruped ak flè.
Tekstil yo se estrikti fleksib ki genyen de dimansyon ki fòme nan fil ki genyen yon sèl dimansyon tankou fil, fil ak fib.Tekstil se youn nan pi ansyen teknoloji limanite ak lajman itilize nan tout aspè nan lavi akòz konfò li yo, adaptabilite, rèspirabilite, estetik ak pwoteksyon.Tekstil entelijan (ke yo rele tou rad entelijan oswa twal robotik) yo de pli zan pli itilize nan rechèch akòz gwo potansyèl yo nan aplikasyon robotik20,52.Tekstil entelijan pwomèt amelyore eksperyans imen an nan kominike avèk objè mou, inogirasyon nan yon chanjman paradigm nan jaden an kote mouvman an ak fòs nan mens, twal fleksib ka kontwole fè travay espesifik.Nan papye sa a, nou eksplore de apwòch nan pwodiksyon tekstil entelijan ki baze sou AMF49 ki sot pase nou an: (1) sèvi ak AMF kòm yon fil aktif pou kreye tekstil entelijan lè l sèvi avèk teknoloji tradisyonèl fabrikasyon twal;(2) mete AMF dirèkteman nan twal tradisyonèl yo pou ankouraje mouvman an vle ak deformation.
AMF a konsiste de yon tib silikon entèn pou bay pouvwa idwolik ak yon bobin ekstèn helical pou limite ekspansyon radial li yo.Kidonk, AMF yo pwolonje longitudinal lè yo aplike presyon epi answit montre fòs kontraksyon pou retounen nan longè orijinal yo lè presyon lage.Yo gen pwopriyete ki sanble ak fib tradisyonèl yo, ki gen ladan fleksibilite, ti dyamèt ak longè long.Sepandan, AMF a pi aktif ak kontwole an tèm de mouvman ak fòs pase tokay konvansyonèl li yo.Enspire pa dènye pwogrè rapid nan twal entelijan, isit la nou prezante kat gwo apwòch nan pwodwi twal entelijan lè w aplike AMF nan yon teknoloji fabrikasyon twal ki te etabli depi lontan (Figi 1).
Premye fason an se resi.Nou itilize teknoloji trikote trame pou pwodwi yon twal trikote reyaktif ki dewoulman nan yon direksyon lè idwolik yo opere.Fèy knitted yo trè etann ak etann men yo gen tandans debouche pi fasil pase dra trikote.Tou depan de metòd kontwòl la, AMF ka fòme ranje endividyèl oswa pwodwi konplè.Anplis de fèy plat, modèl trikote tubulaires yo apwopriye tou pou fabrike AMF estrikti kre.Dezyèm metòd la se resi, kote nou itilize de AMF kòm chèn ak trame pou fòme yon fèy rektangilè trikote ki ka elaji poukont li nan de direksyon.Fèy trikote bay plis kontwòl (nan toude direksyon) pase fèy knitted.Nou menm tou nou tise AMF soti nan fil tradisyonèl yo fè yon fèy trikote ki pi senp ki ka sèlman dewoule nan yon direksyon.Metòd twazyèm lan - ekspansyon radial - se yon varyant nan teknik la resi, nan ki AMP yo yo sitiye pa nan yon rektang, men nan yon espiral, ak fil yo bay kontrent radial.Nan ka sa a, galon an elaji radial anba presyon inlet la.Yon katriyèm apwòch se kole AMF sou yon fèy twal pasif pou kreye yon mouvman koube nan direksyon vle a.Nou te rekonfigire tablo levasyon pasif la nan yon tablo levasyon aktif nan kouri AMF la alantou kwen li yo.Nati pwogramasyon sa a nan AMF ouvè posiblite inonbrabl pou estrikti mou ki transfòme fòm byo-enspire kote nou ka vire objè pasif nan bagay ki aktif.Metòd sa a se senp, fasil, ak vit, men li ka konpwomèt lonjevite nan pwototip la.Yo refere lektè a nan lòt apwòch nan literati a ki detaye fòs ak feblès chak pwopriyete tisi21,33,34,35.
Pifò fil oswa fil yo itilize pou fè twal tradisyonèl yo gen estrikti pasif.Nan travay sa a, nou itilize AMF deja devlope nou an, ki ka rive jwenn longè mèt ak dyamèt submilimèt, pou ranplase fil tradisyonèl pasif twal ak AFM pou kreye twal entèlijan ak aktif pou yon seri aplikasyon pi laj.Seksyon sa yo dekri metòd detaye pou fè pwototip twal entelijan epi prezante fonksyon prensipal yo ak konpòtman yo.
Nou te fè atizanal twa jersey AMF lè l sèvi avèk teknik trikote trame (figi 2A).Seleksyon materyèl ak espesifikasyon detaye pou AMF ak pwototip ka jwenn nan seksyon an Metòd.Chak AMF swiv yon chemen likidasyon (yo rele tou yon wout) ki fòme yon bouk simetrik.Bouk yo nan chak ranje yo fiks ak pasan nan ranje ki anwo ak anba yo.Bag yo nan yon kolòn pèpandikilè ak kou a yo konbine nan yon arbr.Pwototip knitted nou an konsiste de twa ranje sèt pwen (oswa sèt pwen) nan chak ranje.Bag yo anwo ak anba yo pa fiks, kidonk nou ka tache yo ak baton metal korespondan yo.Pwototip knitted debouche pi fasil pase twal trikote konvansyonèl akòz rèd ki pi wo nan AMF konpare ak fil konvansyonèl yo.Se poutèt sa, nou mare pasan yo nan ranje adjasan ak kòd mens elastik.
Plizyè pwototip twal entelijan yo ap aplike ak diferan konfigirasyon AMF.(A) Fèy knitted ki fèt ak twa AMF.(B) Bidirectionnelle tise dra de AMFs.(C) Yon fèy trikote inidireksyon ki fèt ak AMF ak fil Acrylic ka pote yon chaj 500g, ki se 192 fwa pwa li (2.6g).(D) Estrikti radial agrandi ak yon sèl AMF ak fil koton kòm kontrent radial.Espesifikasyon detaye ka jwenn nan seksyon an Metòd.
Malgre ke bouk zigzag yo nan yon brode ka detire nan diferan direksyon, brode pwototip nou an elaji prensipalman nan direksyon bouk la anba presyon akòz limit nan direksyon vwayaj.Pwolonjman nan chak AMF kontribye nan ekspansyon nan zòn nan total nan fèy la knitted.Tou depan de kondisyon espesifik, nou ka kontwole twa AMF poukont yo soti nan twa sous likid diferan (Figi 2A) oswa ansanm soti nan yon sous likid atravè yon distribitè likid 1-a-3.Sou fig.2A montre yon egzanp yon pwototip knitted, zòn inisyal la ki te ogmante pa 35% pandan y ap aplike presyon sou twa AMP (1.2 MPa).Miyò, AMF reyalize yon elongasyon segondè nan omwen 250% nan longè orijinal li49 pou fèy knitted ka detire menm plis pase vèsyon aktyèl yo.
Nou menm tou nou te kreye fèy tise bidireksyon ki te fòme apati de AMF lè l sèvi avèk teknik tise plenn lan (Figi 2B).AMF chèn ak trame yo mare nan ang dwat, fòme yon senp modèl criss-cross.Pwototip mare nou an te klase kòm yon tise plenn balanse paske tou de fil chèn ak trame yo te fè soti nan menm gwosè fil (gade seksyon Metòd pou plis detay).Kontrèman ak fil òdinè ki ka fòme pli byen file, AMF aplike a mande pou yon reyon koube sèten lè retounen nan yon lòt fil nan modèl la resi.Se poutèt sa, fèy papye trikote ki fèt ak AMP gen yon dansite pi ba konpare ak tekstil trikote konvansyonèl yo.AMF-tip S (dyamèt ekstèn 1.49 mm) gen yon reyon minimòm koube 1.5 mm.Pou egzanp, pwototip mare nou prezante nan atik sa a gen yon modèl fil 7 × 7 kote chak entèseksyon estabilize ak yon ne nan kòd mens elastik.Sèvi ak menm teknik tissage, ou ka jwenn plis fil.
Lè AMF korespondan an resevwa presyon likid, fèy twal la elaji zòn li nan direksyon chèn oswa trame.Se poutèt sa, nou kontwole dimansyon yo nan fèy la trese (longè ak lajè) pa chanje endepandamman kantite presyon inlet aplike nan de AMP yo.Sou fig.2B montre yon pwototip trikote ki elaji a 44% nan zòn orijinal li pandan y ap aplike presyon nan yon sèl AMP (1.3 MPa).Avèk aksyon an similtane nan presyon sou de AMFs, zòn nan ogmante pa 108%.
Nou menm tou nou te fè yon fèy trikote unidireksyon ki soti nan yon sèl AMF ak chèn ak fil Acrylic kòm trame (Figi 2C).AMF yo ranje nan sèt ranje zigzag ak fil yo mare ranje sa yo nan AMF yo ansanm yo fòme yon fèy rektangilè nan twal.Pwototip trikote sa a te pi dans pase nan Figi 2B, gras a mou fil Acrylic ki fasil ranpli fèy la tout antye.Paske nou itilize sèlman yon sèl AMF kòm chèn lan, fèy twal la ka sèlman elaji nan direksyon chèn nan anba presyon.Figi 2C montre yon egzanp yon pwototip trikote ki gen premye zòn ogmante pa 65% ak ogmante presyon (1.3 MPa).Anplis de sa, moso trese sa a (ki peze 2.6 gram) ka leve yon chaj 500 gram, ki se 192 fwa mas li.
Olye pou yo fè aranjman pou AMF a nan yon modèl zigzag pou kreye yon fèy trikote rektangilè, nou te fabrike yon fòm espiral plat nan AMF la, ki te Lè sa a, radial contrainte ak fil koton yo kreye yon fèy wonn trikote (Figi 2D).Segondè frigidité nan AMF limite ranpli li yo nan rejyon an trè santral nan plak la.Sepandan, padding sa a ka fèt ak fil elastik oswa twal elastik.Lè yo resevwa presyon idwolik, AMP la konvèti elongasyon longitudinal li yo nan yon ekspansyon radial nan fèy la.Li se tou vo sonje ke tou de dyamèt ekstèn yo ak enteryè nan fòm nan espiral yo ogmante akòz limit radial nan filaman yo.Figi 2D montre ke ak yon presyon idwolik aplike nan 1 MPa, fòm nan yon fèy wonn elaji a 25% nan zòn orijinal li.
Nou prezante isit la yon dezyèm apwòch pou fè twal entelijan kote nou kole yon AMF sou yon moso twal plat epi rekonfigire li soti nan yon estrikti pasif nan yon estrikti aktivman kontwole.Dyagram nan konsepsyon nan kondwi a koube yo montre nan fig.3A, kote AMP a ki plwaye desann nan mitan an ak kole nan yon teren nan twal inextensible (koton twal muselin) lè l sèvi avèk tep doub-sided kòm yon adezif.Yon fwa sele, tèt la nan AMF a gratis pou yon ekstansyon pou, pandan y ap anba a limite pa kasèt la ak twal, sa ki lakòz teren an pliye nan direksyon twal la.Nou ka dezaktive nenpòt pati nan actuator a pliye nenpòt kote pa senpleman kole yon bann kasèt sou li.Yon segman dezaktive pa ka deplase epi li vin yon segman pasif.
Twal yo rekonfigire lè yo kole AMF sou twal tradisyonèl yo.(A) Konsèp konsepsyon pou yon kondwi koube ki fèt pa kole yon AMF ki plwaye sou yon twal inextensible.(B) Koube pwototip aktè a.(C) Rekonfigurasyon yon twal rektangilè nan yon robo aktif kat janm.Twal inelastik: jersey koton.Detire twal: Polyester.Espesifikasyon detaye ka jwenn nan seksyon an Metòd.
Nou te fè plizyè pwototip koube actuators nan longè diferan ak presyon yo ak idwolik yo kreye yon mouvman koube (Figi 3B).Sa ki enpòtan, AMF a ka mete deyò nan yon liy dwat oswa ki plwaye yo fòme fil miltip ak Lè sa a, kole nan twal yo kreye yon kondwi koube ak kantite ki apwopriye nan fil.Nou menm tou nou konvèti fèy tisi pasif la nan yon estrikti tetrapod aktif (Figi 3C), kote nou te itilize AMF pou wout fwontyè yo nan yon tisi rektangilè inextensible (twal koton muselin).AMP tache ak twal la ak yon moso kasèt doub-sided.Se mitan chak kwen kole yo vin pasif, pandan y ap kat kwen yo rete aktif.Detire twal tèt kouvèti (polyester) se opsyonèl.Kat kwen twal la pliye (sanble janm) lè yo peze.
Nou te konstwi yon ban tès pou etidye quantitativement pwopwiyete twal entelijan devlope yo (gade seksyon Metòd ak Figi Siplemantè S1).Depi tout echantiyon yo te fè nan AMF, tandans jeneral rezilta eksperimantal yo (Fig. 4) se ki konsistan avèk karakteristik prensipal yo nan AMF, sètadi, presyon an inlet se dirèkteman pwopòsyonèl ak elongasyon an priz ak envès pwopòsyonèl ak fòs la konpresyon.Sepandan, twal entelijan sa yo gen karakteristik inik ki reflete konfigirasyon espesifik yo.
Karakteristik konfigirasyon twal entelijan.(A, B) koub hysterèz pou presyon inlet ak elongasyon priz ak fòs pou fèy twal.(C) Ekspansyon nan zòn nan fèy la trikote.(D, E) Relasyon ant presyon antre ak elongasyon pwodiksyon ak fòs pou triko.(F) Ekspansyon zòn nan estrikti radial agrandi.(G) Koube ang twa diferan longè kondwi koube.
Chak AMF nan fèy la trikote te sibi yon presyon inlet nan 1 MPa jenere apeprè 30% elongasyon (Fig. 4A).Nou te chwazi papòt sa a pou tout eksperyans la pou plizyè rezon: (1) pou kreye yon elongasyon enpòtan (apeprè 30%) pou mete aksan sou koub isterèz yo, (2) pou anpeche monte bisiklèt soti nan eksperyans diferan ak pwototip ki kapab itilize ankò ki lakòz domaj aksidan oswa echèk..anba presyon likid segondè.Zòn mouri a byen vizib, ak galon an rete san mouvman jiskaske presyon inlet la rive nan 0.3 MPa.Trase isterèz elongasyon presyon an montre yon gwo diferans ant faz ponpe ak divilge, ki endike ke gen yon pèt enpòtan nan enèji lè fèy twal la chanje mouvman li soti nan ekspansyon nan kontraksyon.(Fig. 4A).Apre yo fin jwenn yon presyon inlet nan 1 MPa, fèy la trikote ka fè egzèsis yon fòs kontraksyon nan 5.6 N (Fig. 4B).Konplo hysterèz presyon-fòs la montre tou ke koub reset la prèske sipèpoze ak koub ogmantasyon presyon an.Ekspansyon nan zòn nan fèy la trikote depann sou kantite presyon aplike nan chak nan de AMF yo, jan yo montre nan trase sifas 3D la (Figi 4C).Eksperyans yo montre tou ke yon fèy trikote ka pwodwi yon ekspansyon zòn nan 66% lè chèn li yo ak trame AMF yo ansanm sibi yon presyon idwolik nan 1 MPa.
Rezilta eksperimantal yo pou fèy knitted la montre yon modèl ki sanble ak fèy la trikote, ki gen ladan yon espas hysterèz lajè nan dyagram nan tansyon-presyon ak sipèpoze koub presyon-fòs.Fèy knitted la te montre yon elongasyon 30%, apre sa fòs konpresyon an te 9 N nan yon presyon inlet nan 1 MPa (figi 4D, E).
Nan ka a nan yon fèy wonn trikote, zòn inisyal li ogmante pa 25% konpare ak zòn inisyal la apre ekspoze a yon presyon likid nan 1 MPa (Fig. 4F).Anvan echantiyon an kòmanse elaji, gen yon gwo presyon inlet zòn mouri jiska 0.7 MPa.Gwo zòn mouri sa a te espere kòm echantiyon yo te fè soti nan pi gwo AMFs ki te mande pi gwo presyon simonte premye estrès yo.Sou fig.4F montre tou ke koub lage a prèske konyenside ak koub ogmantasyon presyon an, ki endike ti pèt enèji lè mouvman disk la chanje.
Rezilta eksperimantal pou twa actuators koube yo (rekonfigirasyon tisi) montre ke koub hystérésis yo gen yon modèl menm jan an (Figi 4G), kote yo fè eksperyans yon presyon inlet zòn mouri ki rive jiska 0.2 MPa anvan leve.Nou aplike menm volim likid (0.035 ml) nan twa kondui koube (L20, L30 ak L50 mm).Sepandan, chak actuator te fè eksperyans pik presyon diferan ak devlope diferan ang koube.Aktuateur L20 ak L30 mm yo te fè eksperyans yon presyon inlet nan 0.72 ak 0.67 MPa, rive nan ang koube nan 167 ° ak 194 ° respektivman.Pi long koube kondwi a (longè 50 mm) kenbe tèt ak yon presyon nan 0.61 MPa ak rive nan yon maksimòm ang koube nan 236 °.Konplo hysterèz ang presyon yo te revele tou twou vid ki genyen relativman gwo ant koub presyon yo ak lage pou tout twa kondui koube.
Ou ka jwenn relasyon ant volim opinyon ak pwopriyete pwodiksyon (elongasyon, fòs, ekspansyon zòn, ang koube) pou konfigirasyon twal entelijan ki anwo yo ka jwenn nan Figi Siplemantè S2.
Rezilta eksperimantal yo nan seksyon anvan an montre klèman relasyon pwopòsyonèl ant presyon inlet aplike ak elongasyon priz echantiyon AMF yo.Plis AMB la pi fò, se pi gwo elongasyon an li devlope ak plis enèji elastik li akimile.Pakonsekan, pi gwo fòs konpresiv li egzèse.Rezilta yo te montre tou ke espesimèn yo te rive nan fòs konpresyon maksimòm yo lè presyon inlet la te konplètman retire.Seksyon sa a gen pou objaktif pou etabli yon relasyon dirèk ant elongasyon ak fòs maksimòm kontraksyon nan fèy knitted ak trikote atravè modèl analyse ak verifikasyon eksperimantal.
Fòs kontraktil maksimòm Fout (nan presyon inlet P = 0) nan yon sèl AMF te bay nan ref 49 ak re-entwodwi jan sa a:
Pami yo, α, E, ak A0 se faktè etann, modil Young, ak zòn kwa-seksyonèl tib silikone a, respektivman;k se koyefisyan rèd bobin espiral la;x ak li yo konpanse ak longè inisyal.AMP, respektivman.
ekwasyon an dwa.(1) Pran dra knitted ak trikote kòm yon egzanp (Fig. 5A, B).Fòs kontraksyon nan pwodwi trikote Fkv ak pwodwi trikote Fwh yo eksprime pa ekwasyon (2) ak (3), respektivman.
kote mk se kantite bouk, φp se ang bouk twal la knitted pandan piki (Fig. 5A), mh se kantite fil, θhp se ang angajman twal la knitted pandan piki (Fig. 5B), εkv εwh se fèy la knitted ak deformation nan fèy la trikote, F0 se tansyon inisyal la nan bobin an espiral.Detaye derivasyon ekwasyon an.(2) ak (3) ka jwenn nan enfòmasyon sipò yo.
Kreye yon modèl analyse pou relasyon elongasyon-fòs la.(A,B) ilistrasyon modèl analyse pou fèy knitted ak trikote, respektivman.(C,D) Konparezon modèl analyse ak done eksperimantal pou fèy knitted ak trikote.RMSE Erè kare mwayen rasin.
Pou teste modèl devlope a, nou te fè eksperyans elongasyon lè l sèvi avèk modèl knitted nan Figi 2A ak echantiyon trese nan Figi 2B.Fòs kontraksyon yo te mezire nan ogmantasyon 5% pou chak ekstansyon fèmen soti nan 0% a 50%.Mwayèn ak estanda devyasyon senk esè yo prezante nan Figi 5C (trikote) ak Figi 5D (trikote).Koub modèl analitik yo dekri pa ekwasyon.Paramèt (2) ak (3) yo bay nan Tablo.1. Rezilta yo montre ke modèl analyse a an bon akò ak done eksperimantal yo sou tout ranje elongasyon ak yon erè kare mwayen rasin (RMSE) nan 0.34 N pou trikot, 0.21 N pou trikote AMF H (direksyon orizontal) ak 0.17 N. pou trikote AMF.V (direksyon vètikal).
Anplis de sa nan mouvman debaz yo, tekstil entelijan yo pwopoze yo ka pwograme mekanikman pou bay mouvman pi konplèks tankou S-bend, kontraksyon radial, ak deformation 2D a 3D.Nou prezante isit la plizyè metòd pou pwograme twal entelijan plat nan estrikti vle.
Anplis de sa nan elaji domèn nan nan direksyon lineyè, fèy papye unidireksyon yo ka mekanikman pwograme yo kreye mouvman multimodal (figi 6A).Nou reconfigure ekstansyon fèy trese a kòm yon mouvman koube, kontrent youn nan figi li yo (anwo oswa anba) ak fil koud.Fèy yo gen tandans pliye nan direksyon sifas la limite anba presyon.Sou fig.6A montre de egzanp panno trikote ki vin gen fòm S lè yon mwatye se restrenn sou bò anwo a ak lòt mwatye a se restrenn sou bò anba a.Altènativman, ou ka kreye yon mouvman koube sikilè kote sèlman tout figi a contrainte.Yon fèy trese unidirectionnelle kapab tou fèt nan yon manch konpresyon pa konekte de bout li yo nan yon estrikti tubulaires (figi 6B).Se manch rad la mete sou dwèt endèks yon moun pou bay konpresyon, yon fòm terapi masaj pou soulaje doulè oswa amelyore sikilasyon.Li ka echèl pou anfòm lòt pati kò tankou bra, ranch, ak janm.
Kapasite pou mare dra nan yon direksyon.(A) Kreyasyon estrikti deformable akòz pwogramasyon fòm fil koud yo.(B) Manch konpresyon dwèt.(C) Yon lòt vèsyon nan fèy la trese ak aplikasyon li kòm yon manch rad konpresyon avanbra.(D) Yon lòt pwototip manch konpresyon ki fèt ak AMF tip M, fil Acrylic ak espageti Velcro.Espesifikasyon detaye ka jwenn nan seksyon an Metòd.
Figi 6C montre yon lòt egzanp yon fèy trikote inidireksyon ki fèt ak yon sèl AMF ak fil koton.Fèy la ka elaji pa 45% nan zòn (nan 1.2 MPa) oswa lakòz mouvman sikilè anba presyon.Nou te tou enkòpore yon fèy pou kreye yon manch konpresyon avanbra pa atache espageti mayetik nan fen fèy la.Yon lòt pwototip manch konpresyon avanbra yo montre nan Figi 6D, nan ki dra trese inidiresyonèl yo te fè soti nan Tip M AMF (gade Metòd) ak fil Acrylic jenere fòs konpresyon pi fò.Nou te ekipe pwent fèy yo ak espageti Velcro pou atachman fasil ak pou diferan gwosè men.
Teknik kontrent la, ki konvèti ekstansyon lineyè nan mouvman koube, aplikab tou pou fèy twal bidirectionnelle.Nou mare fil koton yo sou yon bò nan chèn ak twal tise yo pou yo pa elaji (figi 7A).Kidonk, lè de AMF resevwa presyon idwolik poukont youn ak lòt, fèy la sibi yon mouvman koube bi-direksyon pou fòme yon estrikti abitrè ki genyen twa dimansyon.Nan yon lòt apwòch, nou itilize fil inextensible pou limite yon direksyon dra tise bidireksyon (Figi 7B).Kidonk, fèy la ka fè mouvman endepandan koube ak etann lè AMF ki koresponn lan anba presyon.Sou fig.7B montre yon egzanp kote yon fèy trese bidirectionnelle kontwole pou vlope alantou de tyè nan yon dwèt moun ak yon mouvman koube ak Lè sa a, pwolonje longè li yo kouvri rès la ak yon mouvman etann.Mouvman an de-fason nan fèy ka itil pou konsepsyon mòd oswa devlopman rad entelijan.
Bi-direksyon fèy trikote, fèy knitted ak kapasite konsepsyon radial dilatabl.(A) Bi-direksyon lye panno Wicker bi-direksyon yo kreye yon koube bi-direksyon.(B) Panno Wicker inidirectionnelle contrainte bidirectionnelle pwodwi flex ak elongation.(C) Trè elastik fèy knitted, ki ka konfòme yo ak diferan koub sifas e menm fòme estrikti tubulaires.(D) delimitasyon liy sant yon estrikti radial agrandi ki fòme yon fòm parabolik ipèrbolik (chips pòmdetè).
Nou konekte de pasan adjasan nan ranje anwo ak pi ba yo nan pati knitted la ak fil koud pou li pa ta debouche (figi 7C).Se konsa, fèy la trikote se konplètman fleksib epi li adapte byen nan koub sifas divès kalite, tankou sifas po a nan men moun ak bra.Nou menm tou nou te kreye yon estrikti Echafodaj (manch) pa konekte pwent yo nan pati nan knitted nan yon direksyon ki nan vwayaj.Manch la byen vlope otou dwèt endèks moun nan (figi 7C).Sinuozite nan twal la trikote bay ekselan anfòm ak deformabilite, ki fè li fasil pou itilize nan mete entelijan (gan, manch konpresyon), bay konfò (atravè anfòm) ak efè terapetik (atravè konpresyon).
Anplis ekspansyon radial 2D nan plizyè direksyon, fèy sikilè tise yo ka pwograme tou pou fòme estrikti 3D.Nou limite liy sant lan nan galon an wonn ak fil Acrylic deranje ekspansyon radial inifòm li yo.Kòm yon rezilta, fòm plat orijinal la nan fèy la trikote wonn te transfòme nan yon fòm parabolik hyperbolic (oswa bato pòmdetè) apre presyon (figi 7D).Kapasite chanjman fòm sa a ta ka aplike kòm yon mekanis leve, yon lantiy optik, janm robo mobil, oswa ka itil nan konsepsyon mòd ak robo byonik.
Nou te devlope yon teknik senp pou kreye kondui flexural pa kole AMF sou yon teren twal ki pa detire (Figi 3).Nou itilize konsèp sa a pou kreye fil pwogramasyon fòm kote nou ka distribye estratejik plizyè seksyon aktif ak pasif nan yon sèl AMF pou kreye fòm vle.Nou fabrike ak pwograme kat filaman aktif ki ta ka chanje fòm yo soti nan dwat nan lèt (UNSW) kòm presyon te ogmante (Siplemantè Fig. S4).Metòd senp sa a pèmèt defòmabilite AMF la vire liy 1D nan fòm 2D e petèt menm estrikti 3D.
Nan yon apwòch menm jan an, nou te itilize yon sèl AMF pou rekonfigire yon moso tisi nòmal pasif nan yon tetrapod aktif (Fig. 8A).Konsèp routage ak pwogramasyon yo sanble ak sa yo montre nan Figi 3C.Sepandan, olye pou yo fèy rektangilè, yo te kòmanse sèvi ak twal ki gen yon modèl quadruped (tòti, muselin koton).Se poutèt sa, janm yo pi long ak estrikti a ka leve soti vivan pi wo.Wotè estrikti a piti piti ogmante anba presyon jiskaske janm li yo pèpandikilè ak tè a.Si presyon inlet la kontinye ap monte, pye yo ap sag anndan, bese wotè estrikti a.Tetrapods ka fè lokomosyon si janm yo ekipe ak modèl inidireksyon oswa itilize plizyè AMF ak estrateji manipilasyon mouvman.Yo bezwen robo mouvman mou pou yon varyete travay, tankou sekou nan dife sovaj, bilding ki tonbe oswa anviwònman danjere, ak robo livrezon dwòg medikal.
Twal la rekonfigire pou kreye estrikti ki chanje fòm.(A) Kole AMF a sou fwontyè fèy twal pasif la, fè l tounen yon estrikti kat janm ki ka dirije.(BD) De lòt egzanp rekonfigirasyon tisi, vire papiyon pasif ak flè nan papiyon aktif.Twal ki pa detire: muselin koton plenn.
Nou menm tou nou pran avantaj de senplisite ak adaptabilite teknik rekonfigirasyon tisi sa a lè nou entwodwi de estrikti adisyonèl bioenspire pou refòme (Figi 8B-D).Avèk yon AMF routabl, estrikti fòm-deformable sa yo rekonfigire soti nan fèy tisi pasif nan estrikti aktif ak dirije.Enspire pa papiyon monak la, nou te fè yon estrikti papiyon transfòmasyon lè l sèvi avèk yon moso twal ki gen fòm papiyon (muslin koton) ak yon moso long AMF kole anba zèl li yo.Lè AMF a anba presyon, zèl yo pliye.Menm jan ak Papiyon Monak la, zèl gòch ak zèl dwat Robo Papiyon an bat menm jan an paske yo tou de kontwole pa AMF la.Sabatani papiyon yo se pou rezon ekspozisyon sèlman.Li pa ka vole tankou Smart Bird (Festo Corp., USA).Nou menm tou nou te fè yon flè twal (Figi 8D) ki gen de kouch senk petal chak.Nou mete AMF anba chak kouch apre kwen ekstèn petal yo.Okòmansman, flè yo an plen fleri, ak tout petal konplètman louvri.Anba presyon, AMF la lakòz yon mouvman koube nan petal yo, sa ki lakòz yo fèmen.De AMF yo poukont kontwole mouvman de kouch yo, pandan y ap senk petal yo nan yon kouch flechi nan menm tan an.