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Die Kombination von Textilien und künstlichen Muskeln zur Schaffung intelligenter Textilien erregt große Aufmerksamkeit sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie.Intelligente Textilien bieten viele Vorteile, darunter adaptiven Komfort und ein hohes Maß an Anpassung an Objekte, während sie gleichzeitig eine aktive Betätigung für die gewünschte Bewegung und Kraft ermöglichen.In diesem Artikel wird eine neue Klasse programmierbarer intelligenter Stoffe vorgestellt, die mithilfe verschiedener Methoden zum Weben, Weben und Kleben flüssigkeitsbetriebener künstlicher Muskelfasern hergestellt werden.Zur Beschreibung des Verhältnisses der Dehnungskraft gestrickter und gewebter Textilbahnen wurde ein mathematisches Modell entwickelt und anschließend seine Gültigkeit experimentell getestet.Das neue „intelligente“ Textil zeichnet sich durch hohe Flexibilität, Konformität und mechanische Programmierung aus und ermöglicht multimodale Bewegungs- und Verformungsfähigkeiten für ein breiteres Anwendungsspektrum.Durch experimentelle Verifizierung wurden verschiedene intelligente Textilprototypen erstellt, darunter verschiedene Fälle von Formänderungen wie Dehnung (bis zu 65 %), Flächenausdehnung (108 %), radiale Ausdehnung (25 %) und Biegebewegung.Das Konzept der Rekonfiguration passiver traditioneller Gewebe in aktive Strukturen zur biomimetischen Formgebung von Strukturen wird ebenfalls untersucht.Die vorgeschlagenen intelligenten Textilien sollen die Entwicklung intelligenter Wearables, haptischer Systeme, biomimetischer Softroboter und tragbarer Elektronik erleichtern.
Starre Roboter sind beim Arbeiten in strukturierten Umgebungen effektiv, haben jedoch Probleme mit dem unbekannten Kontext sich verändernder Umgebungen, was ihren Einsatz bei der Suche oder Erkundung einschränkt.Die Natur überrascht uns immer wieder mit vielen einfallsreichen Strategien, um mit äußeren Faktoren und Vielfalt umzugehen.Beispielsweise führen die Ranken von Kletterpflanzen multimodale Bewegungen wie Biegen und Spiralen aus, um eine unbekannte Umgebung auf der Suche nach einer geeigneten Stütze zu erkunden1.Die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) hat empfindliche Haare auf ihren Blättern, die beim Auslösen einrasten, um Beute zu fangen2.In den letzten Jahren ist die Verformung bzw. Verformung von Körpern von zweidimensionalen (2D) Oberflächen zu dreidimensionalen (3D) Formen, die biologische Strukturen nachahmen, zu einem interessanten Forschungsthema geworden3,4.Diese weichen Roboterkonfigurationen ändern ihre Form, um sich an veränderte Umgebungen anzupassen, ermöglichen eine multimodale Fortbewegung und wenden Kräfte an, um mechanische Arbeit auszuführen.Ihre Reichweite hat sich auf ein breites Spektrum an Robotikanwendungen ausgeweitet, darunter einsetzbare5, rekonfigurierbare und selbstfaltende Roboter6,7, biomedizinische Geräte8, Fahrzeuge9,10 und erweiterbare Elektronik11.
Es wurde viel Forschung betrieben, um programmierbare flache Platten zu entwickeln, die sich bei Aktivierung in komplexe dreidimensionale Strukturen verwandeln3.Eine einfache Idee zur Schaffung verformbarer Strukturen besteht darin, Schichten aus verschiedenen Materialien zu kombinieren, die sich biegen und falten, wenn sie Reizen ausgesetzt werden12,13.Janbaz et al.14 und Li et al.15 haben dieses Konzept umgesetzt, um wärmeempfindliche multimodale verformbare Roboter zu schaffen.Origami-basierte Strukturen, die auf Reize reagierende Elemente enthalten, wurden verwendet, um komplexe dreidimensionale Strukturen zu schaffen16,17,18.Inspiriert von der Morphogenese biologischer Strukturen haben Emmanuel et al.Formverformbare Elastomere entstehen durch die Organisation von Luftkanälen innerhalb einer Gummioberfläche, die sich unter Druck in komplexe, beliebige dreidimensionale Formen verwandeln.
Die Integration von Textilien oder Stoffen in verformbare Softroboter ist ein weiteres neues Konzeptprojekt, das großes Interesse hervorgerufen hat.Textilien sind weiche und elastische Materialien, die durch Webtechniken wie Stricken, Weben, Flechten oder Knotenweben aus Garn hergestellt werden.Die erstaunlichen Eigenschaften von Stoffen, einschließlich Flexibilität, Passform, Elastizität und Atmungsaktivität, machen sie in allen Bereichen von Kleidung bis hin zu medizinischen Anwendungen sehr beliebt20.Es gibt drei allgemeine Ansätze zur Integration von Textilien in die Robotik21.Der erste Ansatz besteht darin, das Textil als passive Unterlage oder Basis für andere Komponenten zu nutzen.In diesem Fall sorgen passive Textilien für einen angenehmen Tragekomfort beim Tragen starrer Komponenten (Motoren, Sensoren, Stromversorgung).Die meisten weichen tragbaren Roboter oder weichen Exoskelette fallen unter diesen Ansatz.Zum Beispiel weiche tragbare Exoskelette für Gehhilfen 22 und Ellbogenhilfen 23, 24, 25, weiche tragbare Handschuhe 26 für Hand- und Fingerhilfen und bionische Softroboter 27.
Der zweite Ansatz besteht darin, Textilien als passive und begrenzte Komponenten weicher Robotergeräte zu verwenden.In diese Kategorie fallen Aktuatoren auf Textilbasis, bei denen das Gewebe normalerweise als Außenbehälter zur Aufnahme des Innenschlauchs oder der Innenkammer konstruiert ist und so einen Aktuator mit weicher Faserverstärkung bildet.Wenn diese weichen Aktuatoren einer externen pneumatischen oder hydraulischen Quelle ausgesetzt werden, verändern sie ihre Form, einschließlich Dehnung, Biegung oder Verdrehung, abhängig von ihrer ursprünglichen Zusammensetzung und Konfiguration.Talman et al.Orthopädische Knöchelbekleidung, bestehend aus einer Reihe von Stofftaschen, wurde eingeführt, um die Plantarflexion zur Wiederherstellung des Gangs zu erleichtern28.Textilschichten mit unterschiedlicher Dehnbarkeit können kombiniert werden, um eine anisotrope Bewegung zu erzeugen 29 .OmniSkins – weiche Roboterhäute aus verschiedenen weichen Aktuatoren und Substratmaterialien können passive Objekte in multifunktionale aktive Roboter verwandeln, die multimodale Bewegungen und Verformungen für verschiedene Anwendungen ausführen können.Zhu et al.haben eine Muskelschicht aus flüssigem Gewebe31 entwickelt, die Dehnungs-, Biege- und verschiedene Verformungsbewegungen erzeugen kann.Buckner et al.Integrieren Sie funktionelle Fasern in herkömmliche Gewebe, um Robotergewebe mit mehreren Funktionen wie Betätigung, Wahrnehmung und variabler Steifigkeit zu schaffen32.Weitere Methoden in dieser Kategorie finden Sie in den Artikeln 21, 33, 34, 35.
Ein aktueller Ansatz zur Nutzung der überlegenen Eigenschaften von Textilien im Bereich der Soft-Robotik besteht darin, reaktive oder auf Reize reagierende Filamente zu verwenden, um mithilfe traditioneller Textilherstellungsmethoden wie Weben, Stricken und Weben intelligente Textilien herzustellen21,36,37.Abhängig von der Zusammensetzung des Materials bewirkt das Reaktivgarn bei elektrischer, thermischer oder Druckeinwirkung eine Formänderung, die zu einer Verformung des Gewebes führt.Bei diesem Ansatz, bei dem traditionelle Textilien in ein weiches Robotersystem integriert werden, erfolgt die Umformung des Textils auf der Innenschicht (Garn) und nicht auf der Außenschicht.Daher bieten intelligente Textilien eine hervorragende Handhabung in Bezug auf multimodale Bewegung, programmierbare Verformung, Dehnbarkeit und die Möglichkeit, die Steifigkeit anzupassen.Beispielsweise können Formgedächtnislegierungen (SMAs) und Formgedächtnispolymere (SMPs) in Stoffe eingearbeitet werden, um deren Form durch thermische Stimulation aktiv zu steuern, z. B. Säumen38, Faltenentfernung36,39, taktiles und taktiles Feedback40,41 sowie adaptives Verhalten tragbare Kleidung.Geräte 42 .Allerdings führt die Verwendung von Wärmeenergie zum Heizen und Kühlen zu einer langsamen Reaktion und einer schwierigen Kühlung und Steuerung.In jüngerer Zeit haben Hiramitsu et al.McKibbens feine Muskeln43,44, pneumatische künstliche Muskeln, werden als Kettgarne verwendet, um durch Veränderung der Webstruktur verschiedene Formen aktiver Textilien herzustellen45.Obwohl dieser Ansatz aufgrund der Beschaffenheit des McKibben-Muskels hohe Kräfte erzeugt, ist seine Expansionsrate begrenzt (< 50 %) und eine kleine Größe kann nicht erreicht werden (Durchmesser < 0,9 mm).Darüber hinaus war es schwierig, mithilfe von Webmethoden, die scharfe Ecken erfordern, intelligente Textilmuster zu erzeugen.Um ein breiteres Spektrum an intelligenten Textilien zu schaffen, haben Maziz et al.Elektroaktive tragbare Textilien wurden durch Stricken und Weben elektroempfindlicher Polymerfäden entwickelt46.
In den letzten Jahren ist ein neuer Typ wärmeempfindlicher künstlicher Muskeln entstanden, der aus stark verdrillten, kostengünstigen Polymerfasern besteht47,48.Diese Fasern sind im Handel erhältlich und lassen sich leicht in Webereien oder Webereien integrieren, um erschwingliche, elegante Kleidung herzustellen.Trotz der Fortschritte haben diese neuen wärmeempfindlichen Textilien nur begrenzte Reaktionszeiten, da sie erhitzt und gekühlt werden müssen (z. B. temperaturgesteuerte Textilien) oder weil es schwierig ist, komplexe Strick- und Webmuster herzustellen, die so programmiert werden können, dass sie die gewünschten Verformungen und Bewegungen erzeugen .Beispiele hierfür sind die radiale Expansion, die 2D-zu-3D-Formtransformation oder die bidirektionale Expansion, die wir hier anbieten.
Um diese oben genannten Probleme zu überwinden, stellt dieser Artikel ein neues flüssigkeitsbetriebenes intelligentes Textil vor, das aus unseren kürzlich eingeführten weichen künstlichen Muskelfasern (AMF)49,50,51 hergestellt wird.AMFs sind äußerst flexibel, skalierbar und können auf einen Durchmesser von 0,8 mm und große Längen (mindestens 5000 mm) reduziert werden. Sie bieten ein hohes Aspektverhältnis (Länge zu Durchmesser) sowie eine hohe Dehnung (mindestens 245 %) und eine hohe Energie Effizienz, weniger als 20 Hz schnelle Reaktion).Um intelligente Textilien herzustellen, verwenden wir AMF als aktives Garn, um durch Strick- und Webtechniken 2D-aktive Muskelschichten zu bilden.Wir haben die Expansionsrate und Kontraktionskraft dieser „intelligenten“ Gewebe im Hinblick auf das zugeführte Flüssigkeitsvolumen und den zugeführten Druck quantitativ untersucht.Es wurden analytische Modelle entwickelt, um die Dehnungskraftbeziehung für gestrickte und gewebte Laken zu ermitteln.Wir beschreiben auch mehrere mechanische Programmiertechniken für intelligente Textilien für multimodale Bewegungen, einschließlich bidirektionaler Ausdehnung, Biegung, radialer Ausdehnung und der Fähigkeit zum Übergang von 2D zu 3D.Um die Stärke unseres Ansatzes zu demonstrieren, werden wir AMF auch in kommerzielle Stoffe oder Textilien integrieren, um deren Konfiguration von passiven zu aktiven Strukturen zu ändern, die verschiedene Verformungen verursachen.Wir haben dieses Konzept auch auf mehreren experimentellen Prüfständen demonstriert, einschließlich der programmierbaren Biegung von Fäden zur Erzeugung gewünschter Buchstaben und der Formänderung biologischer Strukturen in die Form von Objekten wie Schmetterlingen, vierbeinigen Strukturen und Blumen.
Textilien sind flexible zweidimensionale Gebilde, die aus miteinander verwobenen eindimensionalen Fäden wie Garnen, Fäden und Fasern gebildet werden.Textilien sind eine der ältesten Technologien der Menschheit und werden aufgrund ihres Komforts, ihrer Anpassungsfähigkeit, Atmungsaktivität, Ästhetik und ihres Schutzes in allen Lebensbereichen weit verbreitet eingesetzt.Intelligente Textilien (auch Smart Clothes oder Robotic Fabrics genannt) werden aufgrund ihres großen Potenzials für Roboteranwendungen zunehmend in der Forschung eingesetzt20,52.Intelligente Textilien versprechen, die menschliche Erfahrung bei der Interaktion mit weichen Objekten zu verbessern und einen Paradigmenwechsel in dem Bereich einzuleiten, in dem die Bewegung und Kräfte dünner, flexibler Stoffe gesteuert werden können, um bestimmte Aufgaben auszuführen.In diesem Artikel untersuchen wir zwei Ansätze zur Herstellung intelligenter Textilien auf der Grundlage unseres aktuellen AMF49: (1) Verwendung von AMF als aktives Garn zur Herstellung intelligenter Textilien unter Verwendung traditioneller Textilherstellungstechnologien;(2) AMF direkt in herkömmliche Stoffe einführen, um die gewünschte Bewegung und Verformung zu stimulieren.
Der AMF besteht aus einem inneren Silikonschlauch zur Versorgung mit hydraulischer Energie und einer äußeren Spiralspule zur Begrenzung seiner radialen Ausdehnung.Daher dehnen sich AMFs in Längsrichtung aus, wenn Druck ausgeübt wird, und zeigen anschließend Kontraktionskräfte, um bei Nachlassen des Drucks auf ihre ursprüngliche Länge zurückzukehren.Sie haben ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche Fasern, einschließlich Flexibilität, kleinem Durchmesser und großer Länge.Allerdings ist der AMF in Bezug auf Bewegung und Kraft aktiver und kontrollierter als seine herkömmlichen Gegenstücke.Inspiriert durch die jüngsten rasanten Fortschritte bei intelligenten Textilien stellen wir hier vier Hauptansätze zur Herstellung intelligenter Textilien durch die Anwendung von AMF auf eine seit langem etablierte Stoffherstellungstechnologie vor (Abbildung 1).
Der erste Weg ist das Weben.Wir verwenden die Schussstricktechnologie, um ein reaktives Gestrick herzustellen, das sich bei hydraulischer Betätigung in eine Richtung entfaltet.Gestrickte Laken sind sehr dehnbar und dehnbar, neigen jedoch dazu, sich leichter zu lösen als gewebte Laken.Abhängig von der Steuerungsmethode kann AMF einzelne Reihen oder komplette Produkte bilden.Neben flachen Laken eignen sich auch Schlauchstrickmuster zur Herstellung von AMF-Hohlstrukturen.Die zweite Methode ist das Weben, bei dem wir zwei AMFs als Kette und Schuss verwenden, um eine rechteckige gewebte Bahn zu bilden, die sich unabhängig in zwei Richtungen ausdehnen kann.Gewebte Laken bieten mehr Kontrolle (in beide Richtungen) als gestrickte Laken.Wir haben AMF auch aus traditionellem Garn gewebt, um ein einfacher gewebtes Blatt herzustellen, das nur in eine Richtung abgewickelt werden kann.Die dritte Methode – die radiale Expansion – ist eine Variante der Webtechnik, bei der die AMPs nicht in einem Rechteck, sondern in einer Spirale angeordnet sind und die Fäden für eine radiale Begrenzung sorgen.In diesem Fall dehnt sich das Geflecht unter dem Eingangsdruck radial aus.Ein vierter Ansatz besteht darin, den AMF auf eine passive Stoffbahn zu kleben, um eine Biegebewegung in die gewünschte Richtung zu erzeugen.Wir haben das passive Breakout-Board in ein aktives Breakout-Board umkonfiguriert, indem wir den AMF um seinen Rand herum verlegt haben.Diese programmierbare Natur von AMF eröffnet unzählige Möglichkeiten für bioinspirierte formverändernde weiche Strukturen, mit denen wir passive Objekte in aktive verwandeln können.Diese Methode ist einfach, leicht und schnell, kann jedoch die Langlebigkeit des Prototyps beeinträchtigen.Der Leser wird auf andere Ansätze in der Literatur verwiesen, die die Stärken und Schwächen jeder Gewebeeigenschaft detailliert beschreiben21,33,34,35.
Die meisten Fäden oder Garne, die zur Herstellung traditioneller Stoffe verwendet werden, enthalten passive Strukturen.In dieser Arbeit verwenden wir unser zuvor entwickeltes AMF, das Meterlängen und Durchmesser im Submillimeterbereich erreichen kann, um traditionelle passive Textilgarne durch AFM zu ersetzen und intelligente und aktive Stoffe für ein breiteres Anwendungsspektrum zu schaffen.In den folgenden Abschnitten werden detaillierte Methoden zur Herstellung intelligenter Textilprototypen beschrieben und ihre Hauptfunktionen und Verhaltensweisen vorgestellt.
Wir haben drei AMF-Jerseys in Handarbeit mit der Schussstricktechnik hergestellt (Abb. 2A).Materialauswahl und detaillierte Spezifikationen für AMFs und Prototypen finden Sie im Abschnitt Methoden.Jeder AMF folgt einem gewundenen Pfad (auch Route genannt), der eine symmetrische Schleife bildet.Die Schlaufen jeder Reihe werden mit den Schlaufen der darüber und darunter liegenden Reihen fixiert.Die Ringe einer Säule senkrecht zum Verlauf werden zu einem Schaft zusammengefasst.Unser gestrickter Prototyp besteht aus drei Reihen mit jeweils sieben Maschen (bzw. sieben Maschen) in jeder Reihe.Die oberen und unteren Ringe sind nicht fixiert, sodass wir sie an den entsprechenden Metallstangen befestigen können.Aufgrund der höheren Steifigkeit von AMF im Vergleich zu herkömmlichen Garnen ließen sich gestrickte Prototypen leichter auflösen als herkömmliche gestrickte Stoffe.Deshalb haben wir die Schlaufen benachbarter Reihen mit dünnen elastischen Schnüren zusammengebunden.
Verschiedene Smart-Textile-Prototypen werden mit unterschiedlichen AMF-Konfigurationen umgesetzt.(A) Gestricktes Blatt aus drei AMFs.(B) Bidirektional gewebtes Blatt aus zwei AMFs.(C) Eine unidirektional gewebte Platte aus AMF und Acrylgarn kann eine Last von 500 g tragen, was dem 192-fachen ihres Gewichts (2,6 g) entspricht.(D) Radial expandierende Struktur mit einem AMF und Baumwollgarn als radiale Einschränkung.Detaillierte Spezifikationen finden Sie im Abschnitt Methoden.
Obwohl sich die Zick-Zack-Maschen eines Gestricks in verschiedene Richtungen dehnen können, dehnt sich unser Prototyp-Strick unter Druck aufgrund von Einschränkungen in der Bewegungsrichtung hauptsächlich in Richtung der Masche aus.Die Verlängerung jedes AMF trägt zur Vergrößerung der Gesamtfläche des gestrickten Lakens bei.Abhängig von den spezifischen Anforderungen können wir drei AMFs unabhängig von drei verschiedenen Flüssigkeitsquellen (Abbildung 2A) oder gleichzeitig von einer Flüssigkeitsquelle über einen 1-zu-3-Flüssigkeitsverteiler steuern.Auf Abb.2A zeigt ein Beispiel eines gestrickten Prototyps, dessen anfängliche Fläche um 35 % zunahm, während Druck auf drei AMPs (1,2 MPa) ausgeübt wurde.Bemerkenswert ist, dass AMF eine hohe Dehnung von mindestens 250 % seiner ursprünglichen Länge49 erreicht, sodass gestrickte Laken sich noch stärker dehnen lassen als aktuelle Versionen.
Wir haben auch bidirektional gewebte Blätter erstellt, die aus zwei AMFs unter Verwendung der Leinwandbindungstechnik gebildet wurden (Abbildung 2B).AMF-Kette und Schuss sind im rechten Winkel miteinander verflochten und bilden ein einfaches Kreuzmuster.Unser Prototypgewebe wurde als ausgewogenes Leinwandgewebe klassifiziert, da sowohl die Kett- als auch die Schussgarne aus der gleichen Garnstärke hergestellt wurden (Einzelheiten finden Sie im Abschnitt „Methoden“).Im Gegensatz zu gewöhnlichen Fäden, die scharfe Falten bilden können, erfordert die angewandte AMF einen bestimmten Biegeradius, wenn sie zu einem anderen Faden des Webmusters zurückkehrt.Daher weisen gewebte Laken aus AMP im Vergleich zu herkömmlichen gewebten Textilien eine geringere Dichte auf.AMF-Typ S (Außendurchmesser 1,49 mm) hat einen minimalen Biegeradius von 1,5 mm.Beispielsweise weist der in diesem Artikel vorgestellte Webprototyp ein 7×7-Fadenmuster auf, bei dem jede Kreuzung mit einem Knoten aus dünner, elastischer Kordel stabilisiert ist.Mit der gleichen Webtechnik können Sie mehr Stränge erhalten.
Wenn die entsprechende AMF Flüssigkeitsdruck erhält, dehnt die gewebte Bahn ihre Fläche in Kett- oder Schussrichtung aus.Daher haben wir die Abmessungen des geflochtenen Blattes (Länge und Breite) gesteuert, indem wir den auf die beiden AMPs ausgeübten Eingangsdruck unabhängig voneinander verändert haben.Auf Abb.2B zeigt einen gewebten Prototyp, der sich unter Druck von einem AMP (1,3 MPa) auf 44 % seiner ursprünglichen Fläche ausdehnte.Bei gleichzeitiger Druckeinwirkung auf zwei AMFs vergrößerte sich die Fläche um 108 %.
Wir haben auch ein unidirektional gewebtes Blatt aus einem einzelnen AMF mit Kett- und Acrylgarnen als Schuss hergestellt (Abbildung 2C).Die AMFs sind in sieben Zickzackreihen angeordnet und die Fäden verweben diese AMF-Reihen zu einer rechteckigen Stoffbahn.Dieser gewebte Prototyp war dichter als in Abb. 2B, dank weicher Acrylfäden, die problemlos das gesamte Blatt ausfüllten.Da wir nur ein AMF als Kette verwenden, kann sich die gewebte Bahn nur unter Druck zur Kette hin ausdehnen.Abbildung 2C zeigt ein Beispiel eines gewebten Prototyps, dessen Anfangsfläche mit zunehmendem Druck (1,3 MPa) um 65 % zunimmt.Darüber hinaus kann dieses geflochtene Stück (2,6 Gramm schwer) eine Last von 500 Gramm heben, was dem 192-fachen seiner Masse entspricht.
Anstatt die AMF in einem Zickzackmuster anzuordnen, um ein rechteckiges gewebtes Blatt zu erzeugen, stellten wir eine flache Spiralform des AMF her, die dann radial mit Baumwollgarn zusammengehalten wurde, um ein rundes gewebtes Blatt zu erzeugen (Abbildung 2D).Die hohe Steifigkeit von AMF begrenzt die Füllung des sehr zentralen Bereichs der Platte.Diese Polsterung kann jedoch aus elastischen Garnen oder elastischen Stoffen bestehen.Bei der Aufnahme von hydraulischem Druck wandelt der AMP seine Längsdehnung in eine radiale Ausdehnung des Blechs um.Es ist auch erwähnenswert, dass sowohl der Außen- als auch der Innendurchmesser der Spiralform aufgrund der radialen Begrenzung der Filamente vergrößert werden.Abbildung 2D zeigt, dass sich die Form eines runden Blechs bei einem angelegten hydraulischen Druck von 1 MPa auf 25 % seiner ursprünglichen Fläche ausdehnt.
Wir stellen hier einen zweiten Ansatz zur Herstellung intelligenter Textilien vor, bei dem wir ein AMF auf ein flaches Stück Stoff kleben und es von einer passiven in eine aktiv gesteuerte Struktur umkonfigurieren.Das Konstruktionsdiagramm des Biegeantriebs ist in Abb. dargestellt.3A, wo der AMP in der Mitte gefaltet und mit doppelseitigem Klebeband als Kleber auf einen Streifen aus nicht dehnbarem Stoff (Baumwoll-Musselin-Stoff) geklebt wird.Nach dem Verschließen kann sich die Oberseite des AMF frei ausdehnen, während die Unterseite durch das Band und den Stoff begrenzt wird, wodurch sich der Streifen in Richtung des Stoffes biegt.Wir können jeden Teil des Biegeaktuators an einer beliebigen Stelle deaktivieren, indem wir einfach einen Streifen Klebeband darauf kleben.Ein deaktiviertes Segment kann sich nicht bewegen und wird zu einem passiven Segment.
Stoffe werden neu konfiguriert, indem AMF auf traditionelle Stoffe geklebt wird.(A) Designkonzept für einen Biegeantrieb, hergestellt durch Aufkleben eines gefalteten AMF auf einen nicht dehnbaren Stoff.(B) Biegen des Aktuator-Prototyps.(C) Rekonfiguration eines rechteckigen Tuchs in einen aktiven vierbeinigen Roboter.Unelastischer Stoff: Baumwolljersey.Stretchstoff: Polyester.Detaillierte Spezifikationen finden Sie im Abschnitt Methoden.
Wir haben mehrere Prototypen von Biegeaktuatoren unterschiedlicher Länge hergestellt und sie mit Hydraulik unter Druck gesetzt, um eine Biegebewegung zu erzeugen (Abbildung 3B).Wichtig ist, dass das AMF in einer geraden Linie ausgelegt oder zu mehreren Fäden gefaltet und dann auf den Stoff geklebt werden kann, um einen Biegeantrieb mit der entsprechenden Anzahl von Fäden zu erzeugen.Wir haben auch die passive Gewebeschicht in eine aktive Tetrapodenstruktur umgewandelt (Abbildung 3C), wobei wir AMF verwendet haben, um die Ränder eines rechteckigen, nicht dehnbaren Gewebes (Baumwoll-Musselin-Gewebe) zu verlegen.AMP wird mit einem Stück doppelseitigem Klebeband am Stoff befestigt.Die Mitte jeder Kante ist mit Klebeband versehen, um passiv zu werden, während die vier Ecken aktiv bleiben.Der Oberbezug aus Stretchstoff (Polyester) ist optional.Die vier Ecken des Stoffes biegen sich (sehen aus wie Beine), wenn man darauf drückt.
Wir haben einen Prüfstand gebaut, um die Eigenschaften der entwickelten intelligenten Textilien quantitativ zu untersuchen (siehe Abschnitt „Methoden“ und ergänzende Abbildung S1).Da alle Proben aus AMF bestanden, stimmt der allgemeine Trend der experimentellen Ergebnisse (Abb. 4) mit den Haupteigenschaften von AMF überein, nämlich dass der Einlassdruck direkt proportional zur Auslassdehnung und umgekehrt proportional zur Kompressionskraft ist.Diese intelligenten Stoffe verfügen jedoch über einzigartige Eigenschaften, die ihre spezifischen Konfigurationen widerspiegeln.
Verfügt über intelligente Textilkonfigurationen.(A, B) Hysteresekurven für Einlassdruck und Auslassdehnung und -kraft für gewebte Platten.(C) Erweiterung der Fläche des gewebten Blattes.(D,E) Zusammenhang zwischen Eingangsdruck und Ausgangsdehnung und -kraft für Strickwaren.(F) Flächenausdehnung radial expandierender Strukturen.(G) Biegewinkel von drei verschiedenen Längen von Biegeantrieben.
Jede AMF des gewebten Blattes wurde einem Einlassdruck von 1 MPa ausgesetzt, um eine Dehnung von etwa 30 % zu erzeugen (Abb. 4A).Wir haben diesen Schwellenwert für das gesamte Experiment aus mehreren Gründen gewählt: (1) um eine signifikante Dehnung (ca. 30 %) zu erzeugen, um ihre Hysteresekurven hervorzuheben, (2) um zu verhindern, dass das Wechseln von verschiedenen Experimenten und wiederverwendbaren Prototypen zu versehentlichen Schäden oder Ausfällen führt..unter hohem Flüssigkeitsdruck.Die Totzone ist deutlich sichtbar und das Geflecht bleibt bewegungslos, bis der Eingangsdruck 0,3 MPa erreicht.Das Druck-Dehnungs-Hysterese-Diagramm zeigt eine große Lücke zwischen der Pump- und der Freigabephase, was darauf hindeutet, dass es zu einem erheblichen Energieverlust kommt, wenn das gewebte Blatt seine Bewegung von Expansion zu Kontraktion ändert.(Abb. 4A).Nachdem ein Einlassdruck von 1 MPa erreicht wurde, konnte das gewebte Blatt eine Kontraktionskraft von 5,6 N ausüben (Abb. 4B).Das Druck-Kraft-Hysterese-Diagramm zeigt auch, dass sich die Rücksetzkurve nahezu mit der Druckaufbaukurve überschneidet.Die Flächenausdehnung des gewebten Blattes hing von der Menge an Druck ab, die auf jedes der beiden AMFs ausgeübt wurde, wie im 3D-Oberflächendiagramm dargestellt (Abbildung 4C).Experimente zeigen auch, dass ein gewebtes Blatt eine Flächenausdehnung von 66 % erzeugen kann, wenn seine Kett- und Schuss-AMFs gleichzeitig einem hydraulischen Druck von 1 MPa ausgesetzt werden.
Die experimentellen Ergebnisse für das gestrickte Blatt zeigen ein ähnliches Muster wie das gewebte Blatt, einschließlich einer großen Hystereselücke im Spannungs-Druck-Diagramm und überlappenden Druck-Kraft-Kurven.Das gestrickte Blatt zeigte eine Dehnung von 30 %, danach betrug die Kompressionskraft 9 N bei einem Eingangsdruck von 1 MPa (Abb. 4D, E).
Bei einem rundgewebten Blatt vergrößerte sich seine Anfangsfläche um 25 % im Vergleich zur Anfangsfläche nach Einwirkung eines Flüssigkeitsdrucks von 1 MPa (Abb. 4F).Bevor sich die Probe auszudehnen beginnt, entsteht eine große Totzone des Eingangsdrucks von bis zu 0,7 MPa.Diese große Totzone wurde erwartet, da die Proben aus größeren AMFs hergestellt wurden, die höhere Drücke erforderten, um ihre anfängliche Spannung zu überwinden.Auf Abb.4F zeigt auch, dass die Freigabekurve nahezu mit der Druckanstiegskurve übereinstimmt, was auf einen geringen Energieverlust beim Umschalten der Scheibenbewegung hinweist.
Experimentelle Ergebnisse für die drei Biegeaktoren (Gewebe-Rekonfiguration) zeigen, dass ihre Hysteresekurven ein ähnliches Muster aufweisen (Abbildung 4G), wobei sie vor dem Anheben eine Totzone des Eingangsdrucks von bis zu 0,2 MPa erfahren.Wir haben das gleiche Flüssigkeitsvolumen (0,035 ml) auf drei Biegeantriebe (L20, L30 und L50 mm) aufgetragen.Allerdings erfuhr jeder Aktuator unterschiedliche Druckspitzen und entwickelte unterschiedliche Biegewinkel.Die L20- und L30-mm-Aktuatoren erlebten einen Eingangsdruck von 0,72 bzw. 0,67 MPa und erreichten Biegewinkel von 167° bzw. 194°.Der längste Biegeantrieb (Länge 50 mm) hielt einem Druck von 0,61 MPa stand und erreichte einen maximalen Biegewinkel von 236°.Die Druckwinkel-Hysterese-Diagramme zeigten außerdem relativ große Lücken zwischen den Druckbeaufschlagungs- und Entspannungskurven für alle drei Biegeantriebe.
Die Beziehung zwischen Eingangsvolumen und Ausgangseigenschaften (Dehnung, Kraft, Flächenausdehnung, Biegewinkel) für die oben genannten intelligenten Textilkonfigurationen ist in der ergänzenden Abbildung S2 zu finden.
Die experimentellen Ergebnisse im vorherigen Abschnitt zeigen deutlich die proportionale Beziehung zwischen dem angelegten Einlassdruck und der Auslassdehnung von AMF-Proben.Je stärker das AMB gedehnt wird, desto größer ist die Dehnung, die es entwickelt, und desto mehr elastische Energie sammelt es an.Daher ist die Druckkraft, die es ausübt, umso größer.Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Proben ihre maximale Kompressionskraft erreichten, wenn der Einlassdruck vollständig entfernt wurde.Ziel dieses Abschnitts ist es, durch analytische Modellierung und experimentelle Überprüfung einen direkten Zusammenhang zwischen der Dehnung und der maximalen Schrumpfkraft von gestrickten und gewebten Laken herzustellen.
Die maximale Kontraktionskraft Fout (bei Einlassdruck P = 0) eines einzelnen AMF wurde in Ref. 49 angegeben und wie folgt wieder eingeführt:
Darunter sind α, E und A0 der Streckfaktor, der Elastizitätsmodul bzw. die Querschnittsfläche des Silikonschlauchs;k ist der Steifigkeitskoeffizient der Spiralspule;x und li sind Offset und Anfangslänge.AMP bzw.
die richtige Gleichung.(1) Nehmen Sie als Beispiel gestrickte und gewebte Laken (Abb. 5A, B).Die Schrumpfkräfte des gestrickten Produkts Fkv und des gewebten Produkts Fwh werden durch die Gleichungen (2) bzw. (3) ausgedrückt.
Dabei ist mk die Anzahl der Maschen, φp der Maschenwinkel des Gestricks beim Einspritzen (Abb. 5A), mh die Anzahl der Fäden, θhp der Eingriffswinkel des Gestricks beim Einspritzen (Abb. 5B), εkv εwh ist die gestrickte Lage und die Verformung der gewebten Lage, F0 ist die Anfangsspannung der Spirale.Detaillierte Herleitung der Gleichung.(2) und (3) finden Sie in den Begleitinformationen.
Erstellen Sie ein analytisches Modell für die Dehnungs-Kraft-Beziehung.(A,B) Abbildungen analytischer Modelle für gestrickte bzw. gewebte Laken.(C,D) Vergleich von Analysemodellen und experimentellen Daten für gestrickte und gewebte Laken.RMSE Mittlerer quadratischer Fehler.
Um das entwickelte Modell zu testen, führten wir Dehnungsexperimente mit den Strickmustern in Abb. 2A und den geflochtenen Mustern in Abb. 2B durch.Die Kontraktionskraft wurde in 5 %-Schritten für jede arretierte Extension von 0 % bis 50 % gemessen.Der Mittelwert und die Standardabweichung der fünf Versuche sind in Abbildung 5C (gestrickt) und Abbildung 5D (gestrickt) dargestellt.Die Kurven des analytischen Modells werden durch Gleichungen beschrieben.Die Parameter (2) und (3) sind in der Tabelle angegeben.1. Die Ergebnisse zeigen, dass das Analysemodell über den gesamten Dehnungsbereich mit einem quadratischen Mittelfehler (RMSE) von 0,34 N für Strickwaren, 0,21 N für gewebte AMF H (horizontale Richtung) und 0,17 N gut mit den experimentellen Daten übereinstimmt für gewebtes AMF.V (vertikale Richtung).
Zusätzlich zu den Grundbewegungen können die vorgeschlagenen intelligenten Textilien mechanisch programmiert werden, um komplexere Bewegungen wie S-Biegung, radiale Kontraktion und 2D- bis 3D-Verformung bereitzustellen.Wir stellen hier verschiedene Methoden vor, um flache Smart Textiles in gewünschte Strukturen zu programmieren.
Zusätzlich zur Erweiterung des Bereichs in linearer Richtung können unidirektional gewebte Bahnen mechanisch programmiert werden, um eine multimodale Bewegung zu erzeugen (Abb. 6A).Wir rekonfigurieren die Ausdehnung des geflochtenen Blattes als Biegebewegung, indem wir eine seiner Seiten (Ober- oder Unterseite) mit Nähfaden einschränken.Unter Druck neigen die Bleche dazu, sich zur Begrenzungsfläche hin zu biegen.Auf Abb.6A zeigt zwei Beispiele von gewebten Bahnen, die S-förmig werden, wenn eine Hälfte auf der Oberseite und die andere Hälfte auf der Unterseite eingeklemmt wird.Alternativ können Sie eine kreisförmige Biegebewegung erstellen, bei der nur die gesamte Fläche eingeschränkt wird.Ein unidirektional geflochtenes Blatt kann auch zu einer Kompressionshülse verarbeitet werden, indem seine beiden Enden zu einer röhrenförmigen Struktur verbunden werden (Abb. 6B).Die Manschette wird über dem Zeigefinger einer Person getragen, um für Kompression zu sorgen, eine Form der Massagetherapie zur Schmerzlinderung oder Verbesserung der Durchblutung.Es kann an andere Körperteile wie Arme, Hüften und Beine angepasst werden.
Fähigkeit, Blätter in eine Richtung zu weben.(A) Schaffung verformbarer Strukturen aufgrund der Programmierbarkeit der Form von Nähfäden.(B) Fingerkompressionsmanschette.(C) Eine andere Version des geflochtenen Lakens und seine Umsetzung als Unterarm-Kompressionsmanschette.(D) Ein weiterer Prototyp einer Kompressionsmanschette aus AMF Typ M, Acrylgarn und Klettbändern.Detaillierte Spezifikationen finden Sie im Abschnitt Methoden.
Abbildung 6C zeigt ein weiteres Beispiel einer unidirektional gewebten Folie aus einem einzelnen AMF- und Baumwollgarn.Die Folie kann sich um 45 % der Fläche ausdehnen (bei 1,2 MPa) oder unter Druck eine kreisförmige Bewegung verursachen.Wir haben auch ein Laken eingearbeitet, um eine Unterarm-Kompressionsmanschette zu erstellen, indem wir Magnetbänder am Ende des Lakens anbringen.Ein weiterer Prototyp einer Unterarm-Kompressionsmanschette ist in Abb. 6D dargestellt, in der unidirektional geflochtene Lagen aus AMF vom Typ M (siehe Methoden) und Acrylgarnen hergestellt wurden, um stärkere Kompressionskräfte zu erzeugen.Zur einfachen Befestigung und für unterschiedliche Handgrößen haben wir die Enden der Laken mit Klettbändern ausgestattet.
Die Rückhaltetechnik, die eine lineare Dehnung in eine Biegebewegung umwandelt, ist auch auf bidirektional gewebte Platten anwendbar.Wir weben die Baumwollfäden auf einer Seite der in Kette und Schuss gewebten Bahnen, damit sie sich nicht ausdehnen (Abb. 7A).Wenn also zwei AMFs unabhängig voneinander hydraulischen Druck erhalten, erfährt das Blech eine bidirektionale Biegebewegung, um eine beliebige dreidimensionale Struktur zu bilden.In einem anderen Ansatz verwenden wir nicht dehnbare Garne, um eine Richtung bidirektional gewebter Bahnen zu begrenzen (Abbildung 7B).Somit kann das Blech selbständige Biege- und Streckbewegungen ausführen, wenn das entsprechende AMF unter Druck steht.Auf Abb.7B zeigt ein Beispiel, in dem ein bidirektional geflochtenes Blatt so gesteuert wird, dass es mit einer Biegebewegung zwei Drittel eines menschlichen Fingers umhüllt und dann seine Länge ausdehnt, um den Rest mit einer Streckbewegung zu bedecken.Die bidirektionale Bewegung der Laken kann für Modedesign oder die Entwicklung intelligenter Kleidung nützlich sein.
Bidirektional gewebtes Blatt, gestricktes Blatt und radial erweiterbare Designmöglichkeiten.(A) Bidirektional verklebte bidirektionale Korbpaneele, um eine bidirektionale Biegung zu erzeugen.(B) Unidirektional eingeschränkte, bidirektionale Korbpaneele erzeugen Biegung und Dehnung.(C) Hochelastisches gestricktes Blatt, das sich unterschiedlichen Oberflächenkrümmungen anpassen und sogar röhrenförmige Strukturen bilden kann.(D) Begrenzung der Mittellinie einer sich radial ausdehnenden Struktur, die eine hyperbolische Parabolform bildet (Kartoffelchips).
Wir haben zwei benachbarte Maschen der oberen und unteren Reihe des Strickteils mit Nähgarn verbunden, damit es sich nicht auflöst (Abb. 7C).Somit ist das gewebte Blatt völlig flexibel und passt sich gut an verschiedene Oberflächenkrümmungen an, beispielsweise die Hautoberfläche menschlicher Hände und Arme.Wir haben auch eine röhrenförmige Struktur (Ärmel) geschaffen, indem wir die Enden des gestrickten Teils in Laufrichtung verbunden haben.Der Ärmel schmiegt sich gut um den Zeigefinger der Person (Abb. 7C).Die Geschmeidigkeit des gewebten Stoffes sorgt für eine hervorragende Passform und Verformbarkeit, was die Verwendung in Smart Wear (Handschuhe, Kompressionsärmel) erleichtert und Komfort (durch Passform) und therapeutische Wirkung (durch Kompression) bietet.
Zusätzlich zur zweidimensionalen radialen Ausdehnung in mehrere Richtungen können kreisförmig gewebte Platten auch so programmiert werden, dass sie 3D-Strukturen bilden.Wir haben die Mittellinie des Rundgeflechts mit Acrylgarn begrenzt, um dessen gleichmäßige radiale Ausdehnung zu stören.Infolgedessen wurde die ursprüngliche flache Form des runden gewebten Blattes nach der Druckbeaufschlagung in eine hyperbolisch-parabolische Form (oder Kartoffelchips) umgewandelt (Abb. 7D).Diese Fähigkeit zur Formänderung könnte als Hebemechanismus, als optische Linse oder als mobile Roboterbeine implementiert werden oder im Modedesign und bei bionischen Robotern nützlich sein.
Wir haben eine einfache Technik zur Herstellung von Biegeantrieben entwickelt, indem wir AMF auf einen Streifen aus nicht dehnbarem Stoff kleben (Abbildung 3).Wir verwenden dieses Konzept, um formprogrammierbare Threads zu erstellen, bei denen wir mehrere aktive und passive Abschnitte in einem AMF strategisch verteilen können, um gewünschte Formen zu erstellen.Wir haben vier aktive Filamente hergestellt und programmiert, die ihre Form von gerade zu Buchstabe (UNSW) ändern können, wenn der Druck erhöht wird (ergänzende Abbildung S4).Diese einfache Methode ermöglicht die Verformbarkeit des AMF, um 1D-Linien in 2D-Formen und möglicherweise sogar 3D-Strukturen umzuwandeln.
In einem ähnlichen Ansatz verwendeten wir einen einzelnen AMF, um ein Stück passives normales Gewebe in einen aktiven Tetrapoden umzugestalten (Abb. 8A).Routing- und Programmierkonzepte ähneln denen in Abbildung 3C.Anstelle rechteckiger Laken begannen sie jedoch, Stoffe mit einem Vierbeinermuster (Schildkröte, Baumwollmusselin) zu verwenden.Dadurch sind die Beine länger und die Struktur kann höher angehoben werden.Die Höhe der Struktur nimmt unter Druck allmählich zu, bis ihre Beine senkrecht zum Boden stehen.Wenn der Eingangsdruck weiter ansteigt, sacken die Beine nach innen ab, wodurch die Höhe der Struktur sinkt.Tetrapoden können sich fortbewegen, wenn ihre Beine mit unidirektionalen Mustern ausgestattet sind oder mehrere AMFs mit Bewegungsmanipulationsstrategien verwenden.Roboter mit weicher Fortbewegung werden für eine Vielzahl von Aufgaben benötigt, darunter Rettungen aus Waldbränden, eingestürzten Gebäuden oder gefährlichen Umgebungen sowie Roboter zur Abgabe medizinischer Medikamente.
Der Stoff wird neu konfiguriert, um formverändernde Strukturen zu schaffen.(A) Kleben Sie das AMF an den Rand der passiven Stoffbahn und verwandeln Sie es in eine steuerbare vierbeinige Struktur.(BD) Zwei weitere Beispiele für die Neukonfiguration von Gewebe, bei der passive Schmetterlinge und Blumen in aktive verwandelt werden.Nicht dehnbarer Stoff: einfarbiger Baumwoll-Musselin.
Wir nutzen auch die Einfachheit und Vielseitigkeit dieser Geweberekonfigurationstechnik, indem wir zwei zusätzliche bioinspirierte Strukturen zur Umformung einführen (Abbildungen 8B-D).Mit einem lenkbaren AMF werden diese formverformbaren Strukturen von Schichten passiven Gewebes in aktive und steuerbare Strukturen umkonfiguriert.Inspiriert vom Monarchfalter haben wir aus einem Stück schmetterlingsförmigem Stoff (Baumwollmusselin) und einem langen Stück AMF, das unter seine Flügel geklebt wurde, eine sich verwandelnde Schmetterlingsstruktur hergestellt.Wenn der AMF unter Druck steht, klappen die Flügel nach oben.Wie beim Monarchfalter schlagen der linke und der rechte Flügel des Schmetterlingsroboters gleich, da beide vom AMF gesteuert werden.Schmetterlingsklappen dienen nur zu Präsentationszwecken.Es kann nicht wie Smart Bird (Festo Corp., USA) fliegen.Wir haben auch eine Stoffblume (Abbildung 8D) hergestellt, die aus zwei Schichten mit jeweils fünf Blütenblättern besteht.Wir haben das AMF unter jeder Schicht nach der Außenkante der Blütenblätter platziert.Zu Beginn stehen die Blüten in voller Blüte, wobei alle Blütenblätter vollständig geöffnet sind.Unter Druck bewirkt die AMF eine Biegebewegung der Blütenblätter, wodurch diese sich schließen.Die beiden AMFs steuern unabhängig voneinander die Bewegung der beiden Schichten, während sich die fünf Blütenblätter einer Schicht gleichzeitig biegen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 26. Dezember 2022