טקסטיל חכם באמצעות סיבי שריר מלאכותיים מונעי נוזלים

תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מציג קרוסלה של שלוש שקופיות בבת אחת.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם, או השתמש בלחצני המחוון שבקצה כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם.
שילוב של טקסטיל ושרירים מלאכותיים ליצירת טקסטיל חכם מושך תשומת לב רבה הן מהקהילות המדעיות והן מהקהילות התעשייתיות.טקסטיל חכם מציע יתרונות רבים, כולל נוחות אדפטיבית ורמה גבוהה של התאמה לחפצים תוך מתן הפעלה אקטיבית לתנועה וחוזק רצויים.מאמר זה מציג מחלקה חדשה של בדים חכמים הניתנים לתכנות המיוצרים בשיטות שונות של אריגה, אריגה והדבקה של סיבי שריר מלאכותיים המונעים על ידי נוזלים.פותח מודל מתמטי לתיאור היחס בין כוח ההתארכות של יריעות טקסטיל סרוגות וארוגות, ולאחר מכן נבדקה תוקפו בניסוי.הטקסטיל ה"חכם" החדש כולל גמישות גבוהה, קונפורמיות ותכנות מכני, המאפשרים יכולות תנועה ודפורמציה רב-מודאלית עבור מגוון רחב יותר של יישומים.אבות טיפוס טקסטיל חכמים שונים נוצרו באמצעות אימות ניסיוני, כולל מקרי שינוי צורה שונים כגון התארכות (עד 65%), הרחבת שטח (108%), התרחבות רדיאלית (25%) ותנועת כיפוף.הרעיון של קונפיגורציה מחדש של רקמות מסורתיות פסיביות למבנים פעילים עבור מבני עיצוב ביומימטיים נחקר גם הוא.הטקסטיל החכם המוצע צפוי להקל על הפיתוח של פריטים לבישים חכמים, מערכות הפטיות, רובוטים רכים ביו-מימטיים ואלקטרוניקה לבישה.
רובוטים קשיחים יעילים כאשר עובדים בסביבות מובנות, אך יש להם בעיות עם ההקשר הלא ידוע של סביבות משתנות, מה שמגביל את השימוש בהם בחיפוש או בחקירה.הטבע ממשיך להפתיע אותנו באסטרטגיות המצאתיות רבות להתמודדות עם גורמים חיצוניים וגיוון.לדוגמה, קנוקנותיהם של צמחים מטפסים מבצעים תנועות רב-מודאליות, כגון כיפוף וספירלה, כדי לחקור סביבה לא ידועה בחיפוש אחר תמיכה מתאימה1.ללכידת זבובי ונוס (Dionaea muscipula) יש שערות רגישות על העלים שלה, שכאשר מופעלות, נצמדות למקומן כדי לתפוס טרף2.בשנים האחרונות, העיוות או העיוות של גופים ממשטחים דו מימדיים (2D) לצורות תלת מימדיות (3D) המחקות מבנים ביולוגיים הפכו לנושא מחקר מעניין3,4.תצורות רובוטיות רכות אלו משנות צורה כדי להסתגל לסביבות משתנות, לאפשר תנועה רב-מודאלית ולהפעיל כוחות לביצוע עבודה מכנית.טווח ההגעה שלהם התרחב למגוון רחב של יישומי רובוטיקה, כולל פריסה 5, רובוטים הניתנים להגדרה מחדש ומתקפלים בעצמם 6,7, מכשירים ביו-רפואיים8, כלי רכב 9,10 ואלקטרוניקה הניתנת להרחבה11.
מחקר רב נעשה לפיתוח לוחות שטוחים הניתנים לתכנות, שכאשר הם מופעלים, הופכים למבנים תלת מימדיים מורכבים3.רעיון פשוט ליצירת מבנים הניתנים לעיוות הוא שילוב שכבות של חומרים שונים שמתגמשים ומתקמטים בחשיפה לגירויים12,13.Janbaz et al.14 ולי וחב'.15 יישמו את הרעיון הזה כדי ליצור רובוטים רגישים לחום רב-מודאליים.מבנים מבוססי אוריגמי המשלבים אלמנטים מגיבים לגירוי שימשו ליצירת מבנים תלת מימדיים מורכבים16,17,18.בהשראת המורפוגנזה של מבנים ביולוגיים, עמנואל et al.אלסטומרים הניתנים לעיוות צורה נוצרים על ידי ארגון תעלות אוויר בתוך משטח גומי אשר, בלחץ, הופכים לצורות תלת מימדיות מורכבות ושרירותיות.
השילוב של טקסטיל או בדים ברובוטים רכים הניתנים לעיוות הוא עוד פרויקט קונספט חדש שעורר עניין נרחב.טקסטיל הם חומרים רכים ואלסטיים העשויים מחוט בטכניקות אריגה כמו סריגה, אריגה, שזירה או אריגת קשר.המאפיינים המדהימים של בדים, לרבות גמישות, התאמה, גמישות ונושם, הופכים אותם לפופולריים מאוד בכל דבר, החל מלבוש ועד יישומים רפואיים20.ישנן שלוש גישות רחבות לשילוב טקסטיל ברובוטיקה21.הגישה הראשונה היא להשתמש בטקסטיל כגב פסיבי או כבסיס לרכיבים אחרים.במקרה זה, טקסטיל פסיבי מספק התאמה נוחה למשתמש בעת נשיאת רכיבים קשיחים (מנועים, חיישנים, ספק כוח).רוב רובוטים לבישים רכים או שלדים חיצוניים רכים נופלים תחת גישה זו.לדוגמה, שלדים חיצוניים רכים לבישים לעזרי הליכה 22 ועזרי מרפק 23, 24, 25, כפפות רכות לבישות 26 לעזרי ידיים ואצבעות, ורובוטים רכים ביוניים 27.
הגישה השנייה היא להשתמש בטקסטיל כרכיבים פסיביים ומוגבלים של מכשירים רובוטיים רכים.מפעילים מבוססי טקסטיל נכללים בקטגוריה זו, כאשר הבד בנוי בדרך כלל כמיכל חיצוני שיכיל את הצינור או החדר הפנימי, ויוצר מפעיל מחוזק בסיבים רכים.כאשר הם נתונים למקור פניאומטי או הידראולי חיצוני, מפעילים רכים אלו עוברים שינויים בצורתם, כולל התארכות, כיפוף או פיתול, בהתאם להרכבם והתצורה המקוריים שלהם.למשל, טלמן וחב'.בגדי קרסול אורטופדיים, המורכבים מסדרה של כיסי בד, הוכנסו כדי להקל על כיפוף כף הרגל כדי לשחזר את ההליכה28.ניתן לשלב שכבות טקסטיל בעלות הרחבה שונה ליצירת תנועה אנזוטרופית 29 .OmniSkins – עורות רובוטיים רכים העשויים ממגוון מפעילים רכים וחומרי מצע יכולים להפוך אובייקטים פסיביים לרובוטים אקטיביים רב-תכליתיים שיכולים לבצע תנועות ועיוותים רב-מודאליים עבור יישומים שונים.Zhu et al.פיתחו יריעת שריר רקמה נוזלית31 שיכולה ליצור התארכות, כיפוף ותנועות דפורמציה שונות.באקנר וחב'.שלב סיבים תפקודיים ברקמות קונבנציונליות כדי ליצור רקמות רובוטיות עם פונקציות מרובות כגון הפעלה, חישה ונוקשות משתנה32.שיטות אחרות בקטגוריה זו ניתן למצוא במאמרים אלה 21, 33, 34, 35.
גישה עדכנית לרתימת המאפיינים המעולים של טקסטיל בתחום הרובוטיקה הרכה היא שימוש בחוטים תגובתיים או מגיבים לגירוי כדי ליצור טקסטיל חכם תוך שימוש בשיטות ייצור טקסטיל מסורתיות כגון שיטות אריגה, סריגה ואריגה21,36,37.בהתאם להרכב החומר, חוט תגובתי גורם לשינוי צורה כאשר הוא נתון לפעולה חשמלית, תרמית או לחץ, מה שמוביל לעיוות של הבד.בגישה זו, שבה משולבים טקסטיל מסורתי במערכת רובוטית רכה, העיצוב מחדש של הטקסטיל מתרחש על השכבה הפנימית (חוט) ולא על השכבה החיצונית.ככזה, טקסטיל חכם מציע טיפול מצוין במונחים של תנועה רב-מודאלית, עיוות שניתן לתכנות, יכולת מתיחה ויכולת להתאים את הקשיחות.לדוגמה, ניתן לשלב סגסוגות של זיכרון צורה (SMAs) ופולימרים לזיכרון צורה (SMPs) בבדים כדי לשלוט באופן פעיל על צורתם באמצעות גירוי תרמי, כגון היפוך 38, הסרת קמטים 36,39, משוב מישוש ומגע 40,41 וכן משוב אדפטיבי. בגדים לבישים.מכשירים 42 .עם זאת, השימוש באנרגיה תרמית לחימום וקירור מביא לתגובה איטית ולקירור ובקרה קשים.לאחרונה, Hiramitsu et al.השרירים העדינים של מק'קיבן43,44, שרירים מלאכותיים פנאומטיים, משמשים כחוטי עיוות ליצירת צורות שונות של טקסטיל פעיל על ידי שינוי מבנה האריגה45.למרות שגישה זו מספקת כוחות גבוהים, בשל אופיו של שריר McKibben, קצב ההתפשטות שלו מוגבל (<50%) ולא ניתן להשיג גודל קטן (קוטר < 0.9 מ"מ).בנוסף, היה קשה ליצור דוגמאות טקסטיל חכמות משיטות אריגה הדורשות פינות חדות.כדי ליצור מגוון רחב יותר של טקסטיל חכם, Maziz et al.טקסטיל לביש אלקטרואקטיבי פותח על ידי סריגה ואריגה של חוטי פולימר רגישים לאקטרו46.
בשנים האחרונות, צץ סוג חדש של שרירים מלאכותיים רגישים לתרמי, הבנויים מסיבים פולימריים מעוותים מאוד וזולים47,48.סיבים אלה זמינים מסחרית ומשולבים בקלות באריגה או באריגה כדי לייצר בגדים חכמים במחיר סביר.למרות ההתקדמות, לטקסטיל החדש הרגיש לחום יש זמני תגובה מוגבלים עקב הצורך בחימום וקירור (למשל טקסטיל מבוקרי טמפרטורה) או הקושי ליצור דוגמאות סרוגות וארוגות מורכבות שניתן לתכנת להן ליצור את העיוותים והתנועות הרצויות. .דוגמאות כוללות התרחבות רדיאלית, שינוי צורה דו-ממדית לתלת-ממדית, או התרחבות דו-כיוונית, שאנו מציעים כאן.
כדי להתגבר על הבעיות שהוזכרו לעיל, מאמר זה מציג טקסטיל חכם חדש מונע נוזלים העשוי מסיבי השריר הרכים המלאכותיים (AMF)49,50,51 שהוצגו לאחרונה.AMFs הם גמישים מאוד, ניתנים להרחבה וניתן להקטין אותם לקוטר של 0.8 מ"מ ואורכים גדולים (לפחות 5000 מ"מ), ומציעים יחס רוחב-גובה גבוה (אורך לקוטר) כמו גם התארכות גבוהה (לפחות 245%), אנרגיה גבוהה יעילות, תגובה מהירה של פחות מ-20 הרץ).כדי ליצור טקסטיל חכם, אנו משתמשים ב-AMF כחוט פעיל ליצירת שכבות שרירים פעילות דו-ממדיות באמצעות טכניקות סריגה ואריגה.חקרנו באופן כמותי את קצב ההתפשטות וכוח ההתכווצות של הרקמות ה"חכמות" הללו במונחים של נפח הנוזל והלחץ הנמסר.מודלים אנליטיים פותחו כדי לבסס את יחסי כוח ההתארכות עבור יריעות סרוגות וארוגות.כמו כן, אנו מתארים מספר טכניקות תכנות מכניות עבור טקסטיל חכם לתנועה מולטי-מודאלית, כולל הארכה דו-כיוונית, כיפוף, התרחבות רדיאלית ויכולת מעבר מ-2D לתלת-ממד.כדי להדגים את חוזק הגישה שלנו, נשלב AMF גם בבדים מסחריים או בטקסטיל כדי לשנות את התצורה שלהם ממבנים פסיביים למבנים אקטיביים הגורמים לעיוותים שונים.הדגמנו רעיון זה גם בכמה ספסלי ניסוי, כולל כיפוף ניתן לתכנות של חוטים לייצור אותיות רצויות ומבנים ביולוגיים משנים צורה לצורת חפצים כגון פרפרים, מבנים מרובעים ופרחים.
טקסטיל הם מבנים דו מימדיים גמישים הנוצרים מחוטים חד מימדיים שזורים כגון חוטים, חוטים וסיבים.טקסטיל היא אחת הטכנולוגיות הוותיקות ביותר של האנושות ונמצאת בשימוש נרחב בכל היבטי החיים בשל הנוחות, יכולת ההסתגלות, הנשימה, האסתטיקה וההגנה שלו.טקסטיל חכם (המכונה גם בגדים חכמים או בדים רובוטיים) נמצא בשימוש יותר ויותר במחקר בשל הפוטנציאל הרב שלהם ביישומים רובוטיים20,52.טקסטיל חכם מבטיח לשפר את החוויה האנושית של אינטראקציה עם חפצים רכים, תוך כדי שינוי פרדיגמה בתחום שבו ניתן לשלוט בתנועה ובכוחות של בד דק וגמיש לביצוע משימות ספציפיות.במאמר זה, אנו בוחנים שתי גישות לייצור טקסטיל חכם המבוסס על AMF49 האחרון שלנו: (1) השתמש ב-AMF כחוט פעיל ליצירת טקסטיל חכם תוך שימוש בטכנולוגיות ייצור טקסטיל מסורתיות;(2) הכנס AMF ישירות לבדים מסורתיים כדי לעורר את התנועה והעיוות הרצויים.
ה-AMF מורכב מצינור סיליקון פנימי לאספקת כוח הידראולי וסליל סליל חיצוני כדי להגביל את ההתפשטות הרדיאלית שלו.לפיכך, AMFs מתארכים לאורך כאשר מופעל לחץ ולאחר מכן מציגים כוחות התכווצות כדי לחזור לאורכם המקורי כאשר הלחץ משתחרר.יש להם תכונות דומות לסיבים מסורתיים, כולל גמישות, קוטר קטן ואורך ארוך.עם זאת, ה-AMF פעיל ומבוקר יותר במונחים של תנועה וכוח מאשר מקביליו הרגילים.בהשראת ההתקדמות המהירה האחרונה בטקסטיל חכם, אנו מציגים כאן ארבע גישות עיקריות לייצור טקסטיל חכם על ידי יישום AMF על טכנולוגיית ייצור בדים ותיקה (איור 1).
הדרך הראשונה היא אריגה.אנו משתמשים בטכנולוגיית סריגת ערב כדי לייצר בד סרוג תגובתי המתפרש בכיוון אחד בעת הפעלה הידראולית.סדינים סרוגים מאוד נמתחים וניתנים למתיחה אך נוטים להתפרק בקלות רבה יותר מאשר סדינים ארוגים.בהתאם לשיטת הבקרה, AMF יכול ליצור שורות בודדות או מוצרים שלמים.בנוסף ליריעות שטוחות, דפוסי סריגה צינוריים מתאימים גם לייצור מבנים חלולים AMF.השיטה השנייה היא אריגה, שבה אנו משתמשים בשני AMFs כעיוות וערב ליצירת יריעה ארוגה מלבנית שיכולה להתרחב באופן עצמאי לשני כיוונים.סדינים ארוגים מספקים יותר שליטה (בשני הכיוונים) מאשר סדינים סרוגים.שזרנו גם AMF מחוט מסורתי כדי ליצור יריעה ארוגה פשוטה יותר שניתן לפרום רק בכיוון אחד.השיטה השלישית - התרחבות רדיאלית - היא גרסה של טכניקת האריגה, שבה ה-AMPs ממוקמים לא במלבן, אלא בספירלה, והחוטים מספקים אילוץ רדיאלי.במקרה זה, הצמה מתרחבת בצורה רדיאלית תחת לחץ הכניסה.גישה רביעית היא להדביק את ה-AMF על יריעת בד פסיבי כדי ליצור תנועת כיפוף בכיוון הרצוי.הגדרנו מחדש את לוח הפריצה הפסיבי ללוח פריצה אקטיבי על ידי הפעלת ה-AMF סביב הקצה שלו.הטבע הניתן לתכנות זה של AMF פותח אינספור אפשרויות למבנים רכים בעלי השראה ביולוגית, בהם אנו יכולים להפוך אובייקטים פסיביים לאקטיביים.שיטה זו פשוטה, קלה ומהירה, אך עלולה לפגוע באורך החיים של אב הטיפוס.הקורא מופנה לגישות אחרות בספרות המפרטות את החוזקות והחולשות של כל מאפיין רקמה21,33,34,35.
רוב החוטים או החוטים המשמשים לייצור בדים מסורתיים מכילים מבנים פסיביים.בעבודה זו, אנו משתמשים ב-AMF שפותח בעבר, שיכול להגיע לאורכים של מטר וקוטרים תת-מילימטרים, כדי להחליף חוטי טקסטיל פסיביים מסורתיים ב-AFM כדי ליצור בדים חכמים ופעילים למגוון רחב יותר של יישומים.הסעיפים הבאים מתארים שיטות מפורטות להכנת אבות טיפוס טקסטיל חכמים ומציגים את הפונקציות וההתנהגויות העיקריות שלהם.
יצרנו בעבודת יד שלוש גופיות AMF בטכניקת סריגת ערב (איור 2A).בחירת חומר ומפרטים מפורטים עבור AMFs ואבות טיפוס ניתן למצוא בסעיף שיטות.כל AMF עוקב אחר נתיב מפותל (נקרא גם מסלול) היוצר לולאה סימטרית.הלולאות של כל שורה קבועות עם לולאות של השורות מעליהן ומתחתיהן.הטבעות של עמודה אחת מאונכות למסלול משולבות לפיר.אב הטיפוס הסרוג שלנו מורכב משלוש שורות של שבעה תפרים (או שבעה תפרים) בכל שורה.הטבעות העליונות והתחתונות אינן קבועות, כך שנוכל לחבר אותן למוטות המתכת המתאימים.אבות טיפוס סרוגים נפרמו בקלות רבה יותר מבדים סרוגים קונבנציונליים בשל הקשיחות הגבוהה יותר של AMF בהשוואה לחוטים קונבנציונליים.לכן, קשרנו את הלולאות של שורות סמוכות עם חוטים אלסטיים דקים.
אבות טיפוס טקסטיל חכמים שונים מיושמים עם תצורות AMF שונות.(א) סדין סרוג עשוי משלושה AMFs.(ב) גיליון ארוג דו-כיווני של שני AMFs.(ג) יריעה ארוגה חד כיוונית עשויה AMF וחוט אקרילי יכולה לשאת עומס של 500 גרם, שהם פי 192 ממשקלו (2.6 גרם).(ד) מבנה מתרחב בצורה רדיאלית עם AMF אחד וחוט כותנה כאילוץ רדיאלי.מפרטים מפורטים ניתן למצוא בסעיף שיטות.
למרות שלולאות זיגזג של סריג יכולות להימתח לכיוונים שונים, סריג האב-טיפוס שלנו מתרחב בעיקר לכיוון הלולאה בלחץ בגלל מגבלות בכיוון הנסיעה.ההתארכות של כל AMF תורמת להרחבת השטח הכולל של הסדין הסרוג.בהתאם לדרישות הספציפיות, אנו יכולים לשלוט בשלושה AMFs באופן עצמאי משלושה מקורות נוזלים שונים (איור 2A) או בו-זמנית ממקור נוזל אחד באמצעות מפיץ נוזלים 1-3.על איור.2A מציג דוגמה של אב טיפוס סרוג, ששטחו הראשוני גדל ב-35% תוך הפעלת לחץ על שלושה AMPs (1.2 MPa).יש לציין כי AMF משיגה התארכות גבוהה של לפחות 250% מהאורך המקורי49 כך שסדינים סרוגים יכולים להימתח אפילו יותר מהגרסאות הנוכחיות.
יצרנו גם יריעות אריגה דו-כיוונית שנוצרו משני AMFs בטכניקת אריגה רגילה (איור 2B).עיוות AMF וערב שלובים זה בזה בזווית ישרה, ויוצרים דפוס פשוט צולב.אב הטיפוס שלנו סווג כאריגה חלקה מאוזנת מכיוון שגם חוטי העיוות וגם חוטי הערב היו עשויים מאותו גודל חוט (ראה סעיף שיטות לפרטים).בניגוד לחוטים רגילים שיכולים ליצור קפלים חדים, ה-AMF המיושם דורש רדיוס כיפוף מסוים כאשר חוזרים לחוט אחר של תבנית האריגה.לכן, ליריעות ארוגות מ-AMP יש צפיפות נמוכה יותר בהשוואה לטקסטיל ארוגים קונבנציונלי.AMF מסוג S (קוטר חיצוני 1.49 מ"מ) הוא בעל רדיוס כיפוף מינימלי של 1.5 מ"מ.לדוגמה, לארוג אב הטיפוס שאנו מציגים במאמר זה יש דפוס חוט 7×7 שבו כל צומת מיוצבת עם קשר של חוט אלסטי דק.באמצעות אותה טכניקת אריגה, אתה יכול לקבל יותר גדילים.
כאשר ה-AMF המתאים מקבל לחץ נוזל, הסדין הארוג מרחיב את שטחו בכיוון העיוות או הערב.לכן, שלטנו במידות הסדין הקלוע (אורך ורוחב) על ידי שינוי עצמאי של כמות לחץ הכניסה המופעל על שני ה-AMPs.על איור.2B מציג אב טיפוס ארוג שהתרחב ל-44% מהשטח המקורי שלו תוך הפעלת לחץ על AMP אחד (1.3 MPa).עם פעולת לחץ בו-זמנית על שני AMFs, השטח גדל ב-108%.
הכנו גם יריעה ארוגה חד-כיוונית מ-AMF יחיד עם חוטי עיוות ואקרילי כמו ערב (איור 2C).ה-AMFs מסודרים בשבע שורות זיגזג והחוטים שוזרים שורות אלו של AMFs יחד ליצירת יריעת בד מלבנית.אב הטיפוס הארוג הזה היה צפוף יותר מאשר באיור 2B, הודות לחוטי אקריליק רכים שמילאו בקלות את כל הגיליון.מכיוון שאנו משתמשים רק ב-AMF אחד בתור העיוות, הסדין הארוג יכול להתרחב רק לכיוון העיוות בלחץ.איור 2C מציג דוגמה של אב טיפוס ארוג שהשטח הראשוני שלו גדל ב-65% עם עלייה בלחץ (1.3 MPa).בנוסף, החלק הקלוע הזה (במשקל 2.6 גרם) יכול להרים עומס של 500 גרם, שהם פי 192 מהמסה שלו.
במקום לסדר את ה-AMF בדוגמת זיגזג ליצירת יריעה ארוגה מלבנית, יצרנו צורת ספירלה שטוחה של ה-AMF, אשר הוגבלה אז בצורה רדיאלית עם חוט כותנה ליצירת יריעה ארוגה עגולה (איור 2D).הקשיחות הגבוהה של AMF מגבילה את מילויו של האזור המרכזי מאוד של הצלחת.עם זאת, ריפוד זה יכול להיות עשוי מחוטים אלסטיים או מבדים אלסטיים.עם קבלת לחץ הידראולי, ה-AMP ממיר את התארכותו האורכית להתרחבות רדיאלית של היריעת.ראוי גם לציין כי הן הקוטר החיצוני והפנימי של צורת הספירלה גדלים עקב המגבלה הרדיאלית של החוטים.איור 2D מראה שעם לחץ הידראולי מופעל של 1 MPa, הצורה של יריעה עגולה מתרחבת ל-25% מהשטח המקורי שלו.
אנו מציגים כאן גישה שנייה לייצור טקסטיל חכם, שבה אנו מדביקים AMF על פיסת בד שטוחה ומגדירים אותה מחדש ממבנה פסיבי למבנה מבוקר אקטיבי.תרשים העיצוב של כונן הכיפוף מוצג באיור.3A, כאשר ה-AMP מקופל באמצע ומודבק לרצועה של בד בלתי ניתן להרחבה (בד מוסלין כותנה) באמצעות סרט דו צדדי כדבק.לאחר האטימה, החלק העליון של ה-AMF חופשי להאריך, בעוד שהחלק התחתון מוגבל על ידי הסרט והבד, מה שגורם לרצועה להתכופף לכיוון הבד.אנחנו יכולים לבטל כל חלק של מפעיל הכיפוף בכל מקום על ידי הדבקת רצועת סרט על זה.קטע מושבת אינו יכול לזוז והופך לקטע פסיבי.
בדים מוגדרים מחדש על ידי הדבקת AMF על בדים מסורתיים.(א) קונספט עיצובי לכונן כיפוף שנעשה על ידי הדבקת AMF מקופל על בד בלתי ניתן להרחבה.(ב) כיפוף של אב טיפוס המפעיל.(ג) תצורה מחדש של בד מלבני לרובוט פעיל בעל ארבע רגליים.בד לא גמיש: ג'רזי כותנה.בד נמתח: פוליאסטר.מפרטים מפורטים ניתן למצוא בסעיף שיטות.
יצרנו מספר מפעילי כיפוף אב טיפוס באורכים שונים ולחץ עליהם עם הידראוליקה כדי ליצור תנועת כיפוף (איור 3B).חשוב לציין, ניתן לפרוס את ה-AMF בקו ישר או לקפל ליצירת חוטים מרובים ולאחר מכן להדביק אותו על בד כדי ליצור כונן כיפוף עם מספר החוטים המתאים.המרנו גם את יריעת הרקמה הפסיבית למבנה ארבע פוד פעיל (איור 3C), שם השתמשנו ב-AMF כדי לנתב את הגבולות של רקמה מלבנית בלתי ניתנת להרחבה (בד מוסלין כותנה).AMP מחובר לבד עם חתיכת סרט דו צדדי.האמצע של כל קצה מודבק כדי להפוך לפסיבי, בעוד ארבע הפינות נשארות פעילות.כיסוי עליון מבד מתיחה (פוליאסטר) הוא אופציונלי.ארבע פינות הבד מתכופפות (נראות כמו רגליים) בלחיצה.
בנינו ספסל בדיקה כדי ללמוד באופן כמותי את המאפיינים של הטקסטיל החכם שפותח (ראה סעיף שיטות ואיור משלים S1).מכיוון שכל הדגימות נעשו מ-AMF, המגמה הכללית של תוצאות הניסוי (איור 4) עולה בקנה אחד עם המאפיינים העיקריים של AMF, כלומר, לחץ הכניסה הוא פרופורציונלי ישר להתארכות היציאה ויחס הפוך לכוח הדחיסה.עם זאת, לבדים חכמים אלו מאפיינים ייחודיים המשקפים את התצורות הספציפיות שלהם.
כולל תצורות טקסטיל חכמות.(א, ב) עקומות היסטרזיס עבור לחץ כניסה והתארכות יציאה וכוח עבור יריעות ארוגות.(ג) הרחבת שטח הסדין הארוג.(D,E) קשר בין לחץ קלט והתארכות פלט וכוח לסריגים.(ו) הרחבת שטח של מבנים מתרחבים רדיאלית.(ז) זוויות כיפוף של שלושה אורכים שונים של כונני כיפוף.
כל AMF של הגיליון הארוג היה נתון ללחץ כניסה של 1 MPa כדי ליצור כ-30% התארכות (איור 4A).בחרנו את הסף הזה עבור כל הניסוי מכמה סיבות: (1) כדי ליצור התארכות משמעותית (כ-30%) כדי להדגיש את עקומות ההיסטרזיס שלהם, (2) כדי למנוע רכיבה על אופניים מניסויים שונים ואבות טיפוס לשימוש חוזר וכתוצאה מכך לנזק או כישלון מקרי..תחת לחץ נוזלים גבוה.האזור המת נראה בבירור, והצמה נשארת ללא תנועה עד שלחץ הכניסה מגיע ל-0.3 MPa.עלילת ההיסטרזיס של התארכות הלחץ מראה פער גדול בין שלבי השאיבה והשחרור, מה שמעיד על אובדן אנרגיה משמעותי כאשר היריעה הארוגה משנה את תנועתה מהתפשטות לכיווץ.(איור 4א).לאחר קבלת לחץ כניסה של 1 MPa, הסדין הארוג יכול להפעיל כוח כיווץ של 5.6 N (איור 4B).עלילת ההיסטרזיס של הלחץ-כוח מראה גם שעקומת האיפוס כמעט חופפת לעקומת הצטברות הלחץ.הרחבת השטח של הסדין הארוג תלויה בכמות הלחץ שהופעל על כל אחד משני ה-AMFs, כפי שמוצג בחלקת השטח התלת-ממדית (איור 4C).ניסויים מראים גם כי יריעה ארוגה יכולה לייצר הרחבת שטח של 66% כאשר ה-AMF של עיוות וערב נתונים בו זמנית ללחץ הידראולי של 1 MPa.
תוצאות הניסוי עבור הסדין הסרוג מראות תבנית דומה ליריעה הארוגה, כולל פער היסטרזיס רחב בתרשים המתח-לחץ ועיקולי כוח-לחץ חופפים.היריעה הסרוגה הראתה התארכות של 30%, ולאחר מכן כוח הדחיסה היה 9 N בלחץ כניסה של 1 MPa (איור 4D, E).
במקרה של יריעה ארוגה עגולה, השטח הראשוני שלה גדל ב-25% בהשוואה לשטח ההתחלתי לאחר חשיפה ללחץ נוזלי של 1 MPa (איור 4F).לפני שהדגימה מתחילה להתרחב, יש אזור מת לחץ כניסה גדול עד 0.7 MPa.אזור מת גדול זה היה צפוי מכיוון שהדגימות יוצרו מ-AMFs גדולים יותר שדרשו לחצים גבוהים יותר כדי להתגבר על הלחץ הראשוני שלהם.על איור.4F גם מראה שעקומת השחרור כמעט עולה בקנה אחד עם עקומת עליית הלחץ, מה שמעיד על איבוד אנרגיה קטן כאשר תנועת הדיסק משתנה.
תוצאות ניסוי עבור שלושת מפעילי הכיפוף (קונפיגורציה מחדש של רקמות) מראות שלעקומות ההיסטרזיס שלהם יש דפוס דומה (איור 4G), שבו הם חווים אזור מת של לחץ כניסה של עד 0.2 MPa לפני ההרמה.שמנו את אותו נפח נוזל (0.035 מ"ל) על שלושה כונני כיפוף (L20, L30 ו-L50 מ"מ).עם זאת, כל מפעיל חווה שיאי לחץ שונים ופיתח זוויות כיפוף שונות.המפעילים L20 ו-L30 מ"מ חוו לחץ כניסה של 0.72 ו-0.67 MPa, והגיעו לזוויות כיפוף של 167° ו- 194° בהתאמה.כונן הכיפוף הארוך ביותר (אורך 50 מ"מ) עמד בלחץ של 0.61 MPa והגיע לזווית כיפוף מקסימלית של 236°.עלילות ההיסטרזיס של זווית הלחץ חשפו גם פערים גדולים יחסית בין עקומות הלחץ והשחרור עבור כל שלושת כונני הכיפוף.
ניתן למצוא את הקשר בין נפח הכניסה ומאפייני הפלט (התארכות, כוח, התרחבות שטח, זווית כיפוף) עבור תצורות הטקסטיל החכמות לעיל באיור משלים S2.
תוצאות הניסוי בסעיף הקודם מדגימות בבירור את הקשר הפרופורציונלי בין לחץ הכניסה המופעל להתארכות היציאה של דגימות AMF.ככל שה-AMB מתאמץ חזק יותר, כך הוא מתפתח יותר ויותר אנרגיה אלסטית הוא צובר.מכאן שככל שכוח הלחיצה שהוא מפעיל גדול יותר.התוצאות גם הראו שהדגימות הגיעו לכוח הדחיסה המרבי שלהן כאשר לחץ הכניסה הוסר לחלוטין.סעיף זה נועד ליצור קשר ישיר בין התארכות וכוח כיווץ מקסימלי של יריעות סרוגות וארוגות באמצעות מודלים אנליטיים ואימות ניסיוני.
כוח ההתכווצות המקסימלי Fout (בלחץ כניסה P = 0) של AMF יחיד ניתן בשאפ 49 והוכנס מחדש באופן הבא:
ביניהם, α, E ו-A0 הם גורם המתיחה, מודול יאנג ושטח החתך של צינור הסיליקון, בהתאמה;k הוא מקדם הקשיחות של סליל הספירלה;x ו-li הם היסט ואורך התחלתי.AMP, בהתאמה.
המשוואה הנכונה.(1) קח יריעות סרוגות וארוגות כדוגמה (איור 5A, B).כוחות הכיווץ של המוצר הסרוג Fkv והמוצר הארוג Fwh באים לידי ביטוי במשוואה (2) ו- (3), בהתאמה.
כאשר mk הוא מספר הלולאות, φp הוא זווית הלולאה של הבד הסרוג במהלך ההזרקה (איור 5A), mh הוא מספר החוטים, θhp הוא זווית ההתקשרות של הבד הסרוג במהלך ההזרקה (איור 5B), εkv εwh הוא הסדין הסרוג והדפורמציה של הסדין הארוג, F0 הוא המתח הראשוני של סליל הספירלה.גזירה מפורטת של המשוואה.(2) ו-(3) ניתן למצוא במידע התומך.
צור מודל אנליטי ליחסי התארכות-כוח.(א,ב) איורי מודל אנליטיים ליריעות סרוגות וארוגות, בהתאמה.(C,D) השוואה בין מודלים אנליטיים ונתונים ניסיוניים ליריעות סרוגות וארוגות.שגיאה ריבועית ממוצעת של שורש RMSE.
כדי לבדוק את המודל שפותח, ביצענו ניסויי התארכות באמצעות הדפוסים הסרוגים באיור 2A ודגימות קלוע באיור 2B.כוח ההתכווצות נמדד במרווחים של 5% עבור כל שלוחה נעולה מ-0% ל-50%.הממוצע וסטיית התקן של חמשת הניסויים מוצגים באיור 5C (סרוג) ואיור 5D (סרוג).העקומות של המודל האנליטי מתוארות באמצעות משוואות.פרמטרים (2) ו-(3) ניתנים בטבלה.1. התוצאות מראות שהמודל האנליטי תואם היטב את נתוני הניסוי על פני כל טווח ההתארכות עם טעות ממוצעת של שורש (RMSE) של 0.34 N עבור סריגים, 0.21 N עבור AMF H ארוג (כיוון אופקי) ו-0.17 N עבור AMF ארוג.V (כיוון אנכי).
בנוסף לתנועות הבסיסיות, ניתן לתכנת את הטקסטיל החכם המוצע בצורה מכנית כדי לספק תנועות מורכבות יותר כגון כיפוף S, כיווץ רדיאלי ודפורמציה דו-ממדית לתלת-ממדית.אנו מציגים כאן מספר שיטות לתכנות טקסטיל חכם שטוח למבנים רצויים.
בנוסף להרחבת התחום בכיוון הליניארי, ניתן לתכנת יריעות ארוגות חד-כיווניות ליצירת תנועה רב-מודאלית (איור 6A).אנו מגדירים מחדש את הרחבה של הסדין הקלוע כתנועת כיפוף, מגבילים את אחד הפנים שלו (עליון או תחתון) בחוט תפירה.היריעות נוטות להתכופף לכיוון המשטח התוחם בלחץ.על איור.6A מציגה שתי דוגמאות של לוחות ארוגים שהופכים לצורת S כאשר חצי אחד צפוף בצד העליון והחצי השני צפוף בצד התחתון.לחלופין, ניתן ליצור תנועת כיפוף מעגלית שבה רק כל הפנים מוגבלות.יריעה קלועה חד כיוונית יכולה להתבצע גם לשרוול דחיסה על ידי חיבור שני קצוותיו למבנה צינורי (איור 6B).השרוול נלבש על האצבע המורה של אדם כדי לספק דחיסה, סוג של טיפול בעיסוי כדי להקל על הכאב או לשפר את זרימת הדם.ניתן להגדיל אותו כך שיתאים לחלקי גוף אחרים כגון ידיים, ירכיים ורגליים.
יכולת לארוג סדינים בכיוון אחד.(א) יצירת מבנים הניתנים לעיוות עקב יכולת התכנות של צורת חוטי התפירה.(ב) שרוול דחיסת אצבע.(ג) גרסה נוספת של הסדין הקלוע ויישומו כשרוול דחיסה של האמה.(ד) אב טיפוס נוסף של שרוול דחיסה עשוי מ-AMF מסוג M, חוט אקרילי ורצועות סקוטש.מפרטים מפורטים ניתן למצוא בסעיף שיטות.
איור 6C מציג דוגמה נוספת של יריעה ארוגה חד כיוונית עשויה מחוט AMF יחיד וחוט כותנה.הסדין יכול להתרחב ב-45% בשטח (ב-1.2 MPa) או לגרום לתנועה מעגלית בלחץ.שילבנו גם סדין ליצירת שרוול דחיסה של האמה על ידי הצמדת רצועות מגנטיות לקצה הסדין.אב טיפוס נוסף של שרוול דחיסה של האמה מוצג באיור 6D, שבו נעשו יריעות קלוע חד-כיווניות מסוג M AMF (ראה שיטות) וחוטים אקריליים כדי ליצור כוחות דחיסה חזקים יותר.ציידנו את קצוות הסדינים ברצועות סקוטש להצמדה קלה ולמידות ידיים שונות.
טכניקת הריסון, הממירה הרחבה ליניארית לתנועת כיפוף, חלה גם על יריעות ארוגות דו-כיווניות.אנו שוזרים את חוטי הכותנה בצד אחד של העיוות ועורכים סדינים ארוגים כך שהם לא יתרחבו (איור 7A).לפיכך, כאשר שני AMFs מקבלים לחץ הידראולי ללא תלות זה בזה, הסדין עובר תנועת כיפוף דו כיוונית ליצירת מבנה תלת מימדי שרירותי.בגישה אחרת, אנו משתמשים בחוטים בלתי ניתנים להרחבה כדי להגביל כיוון אחד של יריעות ארוגות דו-כיווניות (איור 7B).לפיכך, הסדין יכול לבצע תנועות כיפוף ומתיחה עצמאיות כאשר ה-AMF המתאים נמצא בלחץ.על איור.7B מציג דוגמה שבה סדין קלוע דו-כיווני נשלט לכרוך סביב שני שליש מאצבע אנושית בתנועת כיפוף ולאחר מכן להאריך את אורכו כדי לכסות את השאר בתנועת מתיחה.התנועה הדו-כיוונית של הסדינים יכולה להיות שימושית עבור עיצוב אופנה או פיתוח בגדים חכמים.
סדין ארוג דו-כיווני, יריעה סרוגה ויכולות עיצוב הניתנות להרחבה רדיאלית.(א) לוחות נצרים דו-כיווניים מלוכדים ליצירת עיקול דו-כיווני.(ב) לוחות נצרים דו-כיווניים מוגבלים מייצרים גמישות והתארכות.(ג) סדין סרוג אלסטי במיוחד, שיכול להתאים לעקמומיות פני שטח שונות ואף ליצור מבנים צינוריים.(ד) תיחום קו האמצע של מבנה מתרחב רדיאלית ויוצר צורה פרבולית היפרבולית (צ'יפס תפוחי אדמה).
חיברנו שתי לולאות סמוכות של השורות העליונות והתחתונות של החלק הסרוג עם חוט תפירה כדי שלא יתפרק (איור 7C).לפיכך, הסדין הארוג גמיש לחלוטין ומסתגל היטב לקימורים שונים של פני השטח, כגון פני העור של ידיים וזרועות אנושיות.יצרנו גם מבנה צינורי (שרוול) על ידי חיבור קצוות החלק הסרוג לכיוון הנסיעה.השרוול עוטף היטב את האצבע המורה של האדם (איור 7C).הפיתול של הבד הארוג מספק התאמה מעולה ועיוות, מה שמקל על השימוש בלבוש חכם (כפפות, שרוולי דחיסה), מספק נוחות (דרך התאמה) ואפקט טיפולי (דרך דחיסה).
בנוסף להתרחבות רדיאלית דו-ממדית במספר כיוונים, ניתן לתכנת יריעות ארוגות מעגליות ליצירת מבנים תלת-ממדיים.הגבלנו את קו האמצע של הצמה העגולה עם חוט אקרילי כדי לשבש את ההתפשטות הרדיאלית האחידה שלה.כתוצאה מכך, הצורה השטוחה המקורית של הסדין הארוג העגול עברה טרנספורמציה לצורה פרבולית היפרבולית (או צ'יפס תפוחי אדמה) לאחר לחץ (איור 7D).יכולת שינוי צורה זו יכולה להיות מיושמת כמנגנון הרמה, עדשה אופטית, רגלי רובוט ניידות, או יכולה להיות שימושית בעיצוב אופנה ורובוטים ביונים.
פיתחנו טכניקה פשוטה ליצירת כוננים מכופפים על ידי הדבקת AMF על רצועה של בד לא מתיחה (איור 3).אנו משתמשים בתפיסה זו כדי ליצור חוטים הניתנים לתכנות צורה שבהם אנו יכולים להפיץ באופן אסטרטגי מספר קטעים אקטיביים ופסיביים ב-AMF אחד כדי ליצור צורות רצויות.יצרנו ותכנתנו ארבעה חוטים פעילים שיכולים לשנות את צורתם מישר לאות (UNSW) עם הגברת הלחץ (איור משלים. S4).שיטה פשוטה זו מאפשרת את יכולת העיוות של ה-AMF להפוך קווים דו-ממדיים לצורות דו-ממדיות ואולי אפילו למבנים תלת-ממדיים.
בגישה דומה, השתמשנו ב-AMF יחיד כדי להגדיר מחדש פיסת רקמה רגילה פסיבית לארבע פוד פעיל (איור 8A).מושגי ניתוב ותכנות דומים לאלה המוצגים באיור 3C.עם זאת, במקום סדינים מלבניים, הם החלו להשתמש בבדים עם דוגמה מרובעת (צב, מוסלין כותנה).לכן הרגליים ארוכות יותר וניתן להגביה את המבנה גבוה יותר.גובה המבנה גדל בהדרגה בלחץ עד שרגליו מאונכות לקרקע.במידה ולחץ הכניסה ימשיך לעלות, הרגליים יצנחו פנימה ויפחיתו את גובה המבנה.טטרפודים יכולים לבצע תנועה אם רגליהם מצוידות בדפוסים חד-כיווניים או משתמשים במספר AMFs עם אסטרטגיות מניפולציה בתנועה.רובוטי תנועה רכים נחוצים למגוון משימות, כולל חילוץ משריפות, מבנים שקרסו או סביבות מסוכנות, ורובוטים להעברת תרופות רפואיות.
הבד מוגדר מחדש ליצירת מבנים משנים צורה.(א) הדביקו את ה-AMF על הגבול של יריעת הבד הפסיבית, והפכו אותו למבנה בעל ארבע רגליים הניתן לכיוון.(BD) שתי דוגמאות נוספות של תצורה מחדש של רקמות, הפיכת פרפרים ופרחים פסיביים לאקטיביים.בד לא מתיחה: מוסלין כותנה רגילה.
אנו גם מנצלים את הפשטות והרבגוניות של טכניקת תצורה מחדש של רקמות זו על ידי הצגת שני מבנים נוספים בהשראה ביולוגית לעיצוב מחדש (איורים 8B-D).עם AMF ניתן לניתוב, המבנים הניתנים לעיוות צורה מוגדרים מחדש מיריעות של רקמה פסיבית למבנים אקטיביים וניתנים לכיוון.בהשראת פרפר המלך, יצרנו מבנה פרפר משתנה באמצעות פיסת בד בצורת פרפר (מוסלין כותנה) וחתיכה ארוכה של AMF שננעצה מתחת לכנפיו.כאשר ה-AMF נמצא בלחץ, הכנפיים מתקפלות.כמו פרפר המונרך, הכנפיים השמאלית והימנית של רובוט הפרפר מתנפנפות באותו האופן מכיוון ששניהם נשלטים על ידי ה-AMF.דשי פרפר מיועדים לצורכי תצוגה בלבד.זה לא יכול לעוף כמו Smart Bird (Festo Corp., ארה"ב).הכנו גם פרח בד (איור 8D) המורכב משתי שכבות של חמישה עלי כותרת כל אחת.שמנו את ה-AMF מתחת לכל שכבה אחרי הקצה החיצוני של עלי הכותרת.בתחילה, הפרחים בשיא פריחתם, כאשר כל עלי הכותרת פתוחים לחלוטין.בלחץ, ה-AMF גורם לתנועת כיפוף של עלי הכותרת, מה שגורם להם להיסגר.שני ה-AMF שולטים באופן עצמאי בתנועה של שתי השכבות, בעוד חמשת עלי הכותרת של שכבה אחת מתכופפים בו-זמנית.