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La combinazione di tessuti e muscoli artificiali per creare tessuti intelligenti sta attirando molta attenzione sia dalla comunità scientifica che da quella industriale.I tessuti intelligenti offrono molti vantaggi, tra cui il comfort adattivo e un elevato grado di conformità agli oggetti, fornendo allo stesso tempo l’attuazione attiva per il movimento e la forza desiderati.Questo articolo presenta una nuova classe di tessuti intelligenti programmabili realizzati utilizzando vari metodi di tessitura, tessitura e incollaggio di fibre muscolari artificiali azionate da fluidi.È stato sviluppato un modello matematico per descrivere il rapporto tra la forza di allungamento dei fogli tessili lavorati a maglia e tessuti, e quindi la sua validità è stata testata sperimentalmente.Il nuovo tessuto “intelligente” presenta elevata flessibilità, conformità e programmazione meccanica, consentendo capacità di movimento e deformazione multimodali per una gamma più ampia di applicazioni.Vari prototipi tessili intelligenti sono stati creati attraverso la verifica sperimentale, inclusi vari casi di cambiamento di forma come allungamento (fino al 65%), espansione dell'area (108%), espansione radiale (25%) e movimento di flessione.È inoltre in fase di studio il concetto di riconfigurazione dei tessuti tradizionali passivi in strutture attive per strutture modellanti biomimetiche.Si prevede che i tessuti intelligenti proposti faciliteranno lo sviluppo di dispositivi indossabili intelligenti, sistemi tattili, robot morbidi biomimetici ed elettronica indossabile.
I robot rigidi sono efficaci quando lavorano in ambienti strutturati, ma hanno problemi con il contesto sconosciuto degli ambienti mutevoli, che ne limita l’uso nella ricerca o nell’esplorazione.La natura continua a sorprenderci con molte strategie creative per affrontare i fattori esterni e la diversità.Ad esempio, i viticci delle piante rampicanti eseguono movimenti multimodali, come piegamenti e spirali, per esplorare un ambiente sconosciuto alla ricerca di un supporto adeguato1.La Venere acchiappamosche (Dionaea muscipula) ha peli sensibili sulle foglie che, quando attivati, scattano in posizione per catturare la preda2.Negli ultimi anni, la deformazione o deformazione dei corpi da superfici bidimensionali (2D) a forme tridimensionali (3D) che imitano le strutture biologiche è diventata un argomento di ricerca interessante3,4.Queste configurazioni robotiche morbide cambiano forma per adattarsi ai cambiamenti degli ambienti, consentono la locomozione multimodale e applicano forze per eseguire lavori meccanici.La loro portata si è estesa a un'ampia gamma di applicazioni di robotica, compresi robot dispiegabili5, riconfigurabili e ripiegabili6,7, dispositivi biomedici8, veicoli9,10 ed elettronica espandibile11.
Sono state fatte molte ricerche per sviluppare piastre piatte programmabili che, una volta attivate, si trasformano in complesse strutture tridimensionali3.Un'idea semplice per creare strutture deformabili è combinare strati di materiali diversi che si flettono e si raggrinziscono quando esposti a stimoli12,13.Janbaz et al.14 e Li et al.15 hanno implementato questo concetto per creare robot deformabili multimodali sensibili al calore.Strutture basate su origami che incorporano elementi che rispondono allo stimolo sono state utilizzate per creare strutture tridimensionali complesse16,17,18.Ispirati dalla morfogenesi delle strutture biologiche, Emmanuel et al.Gli elastomeri deformabili vengono creati organizzando canali d'aria all'interno di una superficie di gomma che, sotto pressione, si trasformano in forme tridimensionali complesse e arbitrarie.
L'integrazione di tessuti o tessuti in robot morbidi deformabili è un altro progetto di nuova concezione che ha suscitato un interesse diffuso.I tessuti sono materiali morbidi ed elastici realizzati con filati mediante tecniche di tessitura come il lavoro a maglia, la tessitura, l'intrecciatura o la tessitura a nodi.Le straordinarie proprietà dei tessuti, tra cui flessibilità, vestibilità, elasticità e traspirabilità, li rendono molto apprezzati in tutto, dall'abbigliamento alle applicazioni mediche20.Esistono tre approcci generali per incorporare i tessili nella robotica21.Il primo approccio consiste nell'utilizzare il tessuto come supporto passivo o base per altri componenti.In questo caso, i tessuti passivi offrono una vestibilità comoda per l'utente quando trasporta componenti rigidi (motori, sensori, alimentatore).La maggior parte dei robot indossabili o degli esoscheletri morbidi rientra in questo approccio.Ad esempio, esoscheletri morbidi indossabili per ausili per la deambulazione 22 e ausili per il gomito 23, 24, 25, guanti morbidi indossabili 26 per ausili per mani e dita e robot bionici morbidi 27.
Il secondo approccio consiste nell’utilizzare i tessuti come componenti passivi e limitati di dispositivi robotici morbidi.Gli attuatori a base tessile rientrano in questa categoria, dove il tessuto è solitamente costruito come un contenitore esterno per contenere il tubo o camera interna, formando un attuatore rinforzato con fibra morbida.Quando sottoposti a una fonte pneumatica o idraulica esterna, questi attuatori morbidi subiscono cambiamenti di forma, incluso allungamento, piegatura o torsione, a seconda della loro composizione e configurazione originale.Ad esempio, Talman et al.Sono stati introdotti indumenti ortopedici per la caviglia, costituiti da una serie di tasche in tessuto, per facilitare la flessione plantare e ripristinare l'andatura28.Strati tessili con diversa estensibilità possono essere combinati per creare un movimento anisotropo 29 .OmniSkins: morbide pelli robotiche realizzate con una varietà di attuatori morbidi e materiali di substrato possono trasformare oggetti passivi in robot attivi multifunzionali in grado di eseguire movimenti e deformazioni multimodali per varie applicazioni.Zhu et al.hanno sviluppato uno strato muscolare di tessuto liquido31 in grado di generare allungamenti, flessioni e vari movimenti di deformazione.Buckner et al.Integrare le fibre funzionali nei tessuti convenzionali per creare tessuti robotici con molteplici funzioni come attuazione, rilevamento e rigidità variabile32.Altri metodi in questa categoria possono essere trovati in questi articoli 21, 33, 34, 35.
Un approccio recente per sfruttare le proprietà superiori dei tessili nel campo della robotica morbida consiste nell’utilizzare filamenti reattivi o reattivi agli stimoli per creare tessuti intelligenti utilizzando metodi tradizionali di produzione tessile come la tessitura, il lavoro a maglia e i metodi di tessitura21,36,37.A seconda della composizione del materiale, il filato reattivo provoca un cambiamento di forma quando sottoposto ad azione elettrica, termica o di pressione, che porta alla deformazione del tessuto.In questo approccio, in cui i tessuti tradizionali sono integrati in un sistema robotico morbido, il rimodellamento del tessuto avviene sullo strato interno (filato) anziché su quello esterno.Pertanto, i tessuti intelligenti offrono un’eccellente maneggevolezza in termini di movimento multimodale, deformazione programmabile, elasticità e capacità di regolare la rigidità.Ad esempio, le leghe a memoria di forma (SMA) e i polimeri a memoria di forma (SMP) possono essere incorporati nei tessuti per controllarne attivamente la forma attraverso la stimolazione termica, come l'orlatura38, la rimozione delle pieghe36,39, il feedback tattile e tattile40,41, nonché il feedback adattivo indumenti indossabili.dispositivi 42 .Tuttavia, l’uso dell’energia termica per il riscaldamento e il raffreddamento comporta una risposta lenta e difficoltà di raffreddamento e controllo.Più recentemente, Hiramitsu et al.I sottili muscoli di McKibben43,44, muscoli artificiali pneumatici, vengono utilizzati come filati di ordito per creare varie forme di tessuti attivi modificando la struttura della trama45.Sebbene questo approccio fornisca forze elevate, a causa della natura del muscolo McKibben, il suo tasso di espansione è limitato (< 50%) e non è possibile raggiungere dimensioni ridotte (diametro < 0,9 mm).Inoltre, è stato difficile creare modelli tessili intelligenti con metodi di tessitura che richiedessero angoli acuti.Per formare una gamma più ampia di tessuti intelligenti, Maziz et al.I tessuti indossabili elettroattivi sono stati sviluppati lavorando a maglia e tessendo fili polimerici elettrosensibili46.
Negli ultimi anni è emerso un nuovo tipo di muscolo artificiale termosensibile, costruito con fibre polimeriche poco costose e altamente ritorte47,48.Queste fibre sono disponibili in commercio e possono essere facilmente incorporate nella tessitura o nella tessitura per produrre abiti eleganti a prezzi accessibili.Nonostante i progressi, questi nuovi tessuti termosensibili hanno tempi di risposta limitati a causa della necessità di riscaldamento e raffreddamento (ad esempio tessuti a temperatura controllata) o della difficoltà di realizzare modelli complessi di maglia e tessuto che possono essere programmati per generare le deformazioni e i movimenti desiderati. .Gli esempi includono l'espansione radiale, la trasformazione della forma da 2D a 3D o l'espansione bidirezionale, che offriamo qui.
Per superare questi problemi sopra menzionati, questo articolo presenta un nuovo tessuto intelligente azionato da fluidi realizzato con le nostre fibre muscolari morbide artificiali (AMF) recentemente introdotte49,50,51.Gli AMF sono altamente flessibili, scalabili e possono essere ridotti a un diametro di 0,8 mm e grandi lunghezze (almeno 5000 mm), offrendo un elevato rapporto d'aspetto (lunghezza rispetto al diametro) nonché un elevato allungamento (almeno 245%), alta energia efficienza, risposta rapida inferiore a 20 Hz).Per creare tessuti intelligenti, utilizziamo AMF come filato attivo per formare strati muscolari attivi 2D attraverso tecniche di lavorazione a maglia e tessitura.Abbiamo studiato quantitativamente il tasso di espansione e la forza di contrazione di questi tessuti “intelligenti” in termini di volume del fluido e pressione erogata.Sono stati sviluppati modelli analitici per stabilire la relazione di forza di allungamento per fogli lavorati a maglia e tessuti.Descriviamo anche diverse tecniche di programmazione meccanica per tessuti intelligenti per il movimento multimodale, tra cui l'estensione bidirezionale, la piegatura, l'espansione radiale e la capacità di transizione dal 2D al 3D.Per dimostrare la forza del nostro approccio, integreremo l'AMF anche nei tessuti commerciali o nei tessuti per modificare la loro configurazione da strutture passive a strutture attive che causano varie deformazioni.Abbiamo anche dimostrato questo concetto su diversi banchi di prova sperimentali, inclusa la piegatura programmabile dei fili per produrre le lettere desiderate e la trasformazione di strutture biologiche nella forma di oggetti come farfalle, strutture quadrupedi e fiori.
I tessuti sono strutture bidimensionali flessibili formate da fili unidimensionali intrecciati come filati, fili e fibre.Il tessile è una delle tecnologie più antiche dell'umanità ed è ampiamente utilizzato in tutti gli aspetti della vita grazie alla sua comodità, adattabilità, traspirabilità, estetica e protezione.I tessuti intelligenti (noti anche come abiti intelligenti o tessuti robotici) vengono sempre più utilizzati nella ricerca grazie al loro grande potenziale nelle applicazioni robotiche20,52.I tessuti intelligenti promettono di migliorare l’esperienza umana di interazione con oggetti morbidi, inaugurando un cambiamento di paradigma nel campo in cui il movimento e le forze del tessuto sottile e flessibile possono essere controllati per eseguire compiti specifici.In questo articolo, esploriamo due approcci alla produzione di tessuti intelligenti basati sul nostro recente AMF49: (1) utilizzare AMF come filato attivo per creare tessuti intelligenti utilizzando le tradizionali tecnologie di produzione tessile;(2) inserire AMF direttamente nei tessuti tradizionali per stimolare il movimento e la deformazione desiderati.
L'AMF è costituito da un tubo interno in silicone per fornire energia idraulica e una bobina elicoidale esterna per limitarne l'espansione radiale.Pertanto, gli AMF si allungano longitudinalmente quando viene applicata la pressione e successivamente esibiscono forze contrattili per tornare alla loro lunghezza originale quando la pressione viene rilasciata.Hanno proprietà simili alle fibre tradizionali, tra cui flessibilità, diametro ridotto e lunga lunghezza.Tuttavia, l’AMF è più attivo e controllato in termini di movimento e forza rispetto ai suoi omologhi convenzionali.Ispirati dai recenti rapidi progressi nel campo dei tessuti intelligenti, presentiamo qui quattro approcci principali alla produzione di tessuti intelligenti applicando l’AMF a una tecnologia di produzione di tessuti consolidata (Figura 1).
Il primo modo è tessere.Utilizziamo la tecnologia della lavorazione a maglia per produrre un tessuto a maglia reattivo che si apre in una direzione quando viene azionato idraulicamente.Le lenzuola lavorate a maglia sono molto elastiche ed elastiche ma tendono a disfarsi più facilmente delle lenzuola tessute.A seconda del metodo di controllo, l'AMF può formare singole file o prodotti completi.Oltre alle lastre piane, i modelli di maglieria tubolare sono adatti anche per la produzione di strutture cave AMF.Il secondo metodo è la tessitura, in cui utilizziamo due AMF come ordito e trama per formare un foglio tessuto rettangolare che può espandersi indipendentemente in due direzioni.Le lenzuola tessute offrono un maggiore controllo (in entrambe le direzioni) rispetto alle lenzuola lavorate a maglia.Abbiamo anche tessuto AMF con filato tradizionale per creare un foglio tessuto più semplice che può essere svolto solo in una direzione.Il terzo metodo – l’espansione radiale – è una variante della tecnica di tessitura, in cui gli AMP non si trovano in un rettangolo, ma in una spirale, e i fili forniscono un vincolo radiale.In questo caso la treccia si espande radialmente sotto la pressione in ingresso.Un quarto approccio consiste nell'attaccare l'AMF su un foglio di tessuto passivo per creare un movimento di flessione nella direzione desiderata.Abbiamo riconfigurato la breakout board passiva in una breakout board attiva eseguendo l'AMF attorno al suo bordo.Questa natura programmabile dell’AMF apre innumerevoli possibilità per strutture morbide che trasformano la forma bio-ispirate in cui possiamo trasformare oggetti passivi in oggetti attivi.Questo metodo è semplice, facile e veloce, ma può compromettere la longevità del prototipo.Si rimanda il lettore ad altri approcci presenti in letteratura che descrivono in dettaglio i punti di forza e di debolezza di ciascuna proprietà del tessuto21,33,34,35.
La maggior parte dei fili o filati utilizzati per realizzare i tessuti tradizionali contengono strutture passive.In questo lavoro, utilizziamo il nostro AMF precedentemente sviluppato, che può raggiungere lunghezze di un metro e diametri submillimetrici, per sostituire i tradizionali filati tessili passivi con AFM per creare tessuti intelligenti e attivi per una gamma più ampia di applicazioni.Le sezioni seguenti descrivono metodi dettagliati per realizzare prototipi tessili intelligenti e ne presentano le principali funzioni e comportamenti.
Abbiamo realizzato artigianalmente tre maglie AMF utilizzando la tecnica della lavorazione a maglia di trama (Fig. 2A).La selezione dei materiali e le specifiche dettagliate per AMF e prototipi sono disponibili nella sezione Metodi.Ogni AMF segue un percorso tortuoso (chiamato anche percorso) che forma un anello simmetrico.Gli anelli di ciascuna riga sono fissati con gli anelli delle righe sopra e sotto di esse.Gli anelli di una colonna perpendicolare al percorso sono combinati in un albero.Il nostro prototipo lavorato a maglia è composto da tre file di sette maglie (o sette maglie) in ciascuna riga.Gli anelli superiore e inferiore non sono fissi, quindi possiamo fissarli alle corrispondenti aste metalliche.I prototipi lavorati a maglia si sono srotolati più facilmente rispetto ai tessuti a maglia convenzionali grazie alla maggiore rigidità dell'AMF rispetto ai filati convenzionali.Pertanto, abbiamo legato gli anelli delle file adiacenti con sottili corde elastiche.
Vari prototipi tessili intelligenti vengono implementati con diverse configurazioni AMF.(A) Lenzuolo lavorato a maglia composto da tre AMF.(B) Foglio tessuto bidirezionale di due AMF.(C) Un foglio tessuto unidirezionale realizzato con AMF e filato acrilico può sopportare un carico di 500 g, ovvero 192 volte il suo peso (2,6 g).(D) Struttura ad espansione radiale con un AMF e filo di cotone come vincolo radiale.Specifiche dettagliate possono essere trovate nella sezione Metodi.
Sebbene gli anelli a zigzag di una maglia possano allungarsi in diverse direzioni, il nostro prototipo di maglia si espande principalmente nella direzione dell'anello sotto pressione a causa delle limitazioni nella direzione di movimento.L'allungamento di ciascun AMF contribuisce all'espansione della superficie totale del lenzuolo.A seconda dei requisiti specifici, possiamo controllare tre AMF indipendentemente da tre diverse fonti di fluido (Figura 2A) o contemporaneamente da una fonte di fluido tramite un distributore di fluido da 1 a 3.Nella fig.2A mostra un esempio di prototipo lavorato a maglia, la cui area iniziale è aumentata del 35% applicando pressione a tre AMP (1,2 MPa).In particolare, AMF raggiunge un elevato allungamento pari ad almeno il 250% della sua lunghezza originale49, pertanto i fogli lavorati a maglia possono allungarsi ancora di più rispetto alle versioni attuali.
Abbiamo anche creato fogli di tessitura bidirezionale formati da due AMF utilizzando la tecnica della tessitura semplice (Figura 2B).L'ordito e la trama AMF sono intrecciati ad angolo retto, formando un semplice motivo incrociato.La nostra armatura prototipo è stata classificata come armatura a tela bilanciata perché sia il filo di ordito che quello di trama erano realizzati con la stessa dimensione del filo (vedere la sezione Metodi per i dettagli).A differenza dei fili normali che possono formare pieghe nette, l'AMF applicato richiede un certo raggio di curvatura quando si ritorna ad un altro filo del modello di tessitura.Pertanto, i fogli tessuti in AMP hanno una densità inferiore rispetto ai tessuti tessuti convenzionali.Il tipo AMF S (diametro esterno 1,49 mm) ha un raggio di curvatura minimo di 1,5 mm.Ad esempio, l’armatura prototipo che presentiamo in questo articolo ha uno schema di fili 7×7 in cui ogni intersezione è stabilizzata con un nodo di sottile corda elastica.Utilizzando la stessa tecnica di tessitura, puoi ottenere più fili.
Quando l'AMF corrispondente riceve la pressione del fluido, il foglio tessuto espande la sua area nella direzione dell'ordito o della trama.Pertanto, abbiamo controllato le dimensioni del foglio intrecciato (lunghezza e larghezza) modificando in modo indipendente la quantità di pressione in ingresso applicata ai due AMP.Nella fig.2B mostra un prototipo tessuto che si è espanso fino al 44% della sua area originale applicando una pressione a un AMP (1,3 MPa).Con l'azione simultanea di pressione su due AMF, l'area è aumentata del 108%.
Abbiamo anche realizzato un foglio tessuto unidirezionale da un singolo AMF con fili di ordito e acrilico come trama (Figura 2C).Gli AMF sono disposti in sette file a zigzag e i fili intrecciano insieme queste file di AMF per formare un foglio di tessuto rettangolare.Questo prototipo tessuto era più denso rispetto alla Fig. 2B, grazie a morbidi fili acrilici che riempivano facilmente l'intero foglio.Poiché utilizziamo solo un AMF come ordito, il foglio tessuto può espandersi verso l'ordito solo sotto pressione.La Figura 2C mostra un esempio di prototipo tessuto la cui area iniziale aumenta del 65% all'aumentare della pressione (1,3 MPa).Inoltre, questo pezzo intrecciato (del peso di 2,6 grammi) può sollevare un carico di 500 grammi, ovvero 192 volte la sua massa.
Invece di disporre l'AMF secondo uno schema a zigzag per creare un foglio intrecciato rettangolare, abbiamo fabbricato una forma a spirale piatta dell'AMF, che è stata poi vincolata radialmente con filo di cotone per creare un foglio intrecciato rotondo (Figura 2D).L'elevata rigidità dell'AMF limita il riempimento della regione centrale della piastra.Tuttavia tale imbottitura può essere realizzata con filati elastici o tessuti elastici.Ricevendo la pressione idraulica, l'AMP converte il suo allungamento longitudinale in un'espansione radiale della lamiera.Vale anche la pena notare che sia il diametro esterno che quello interno della forma a spirale sono aumentati a causa della limitazione radiale dei filamenti.La Figura 2D mostra che con una pressione idraulica applicata di 1 MPa, la forma di un foglio rotondo si espande fino al 25% della sua area originale.
Presentiamo qui un secondo approccio per realizzare tessuti intelligenti in cui incolliamo un AMF a un pezzo di tessuto piatto e lo riconfiguriamo da una struttura passiva a una struttura controllata attivamente.Lo schema di progettazione dell'azionamento di piegatura è mostrato in fig.3A, dove l'AMP viene piegato a metà e incollato su una striscia di tessuto inestensibile (mussola di cotone) utilizzando nastro biadesivo come adesivo.Una volta sigillato, la parte superiore dell'AMF è libera di estendersi, mentre la parte inferiore è limitata dal nastro e dal tessuto, facendo sì che la striscia si pieghi verso il tessuto.Possiamo disattivare qualsiasi parte dell'attuatore di curva ovunque semplicemente attaccandoci sopra una striscia di nastro adesivo.Un segmento disattivato non può muoversi e diventa un segmento passivo.
I tessuti vengono riconfigurati incollando AMF sui tessuti tradizionali.(A) Concetto di progetto per un sistema di piegatura realizzato incollando un AMF piegato su un tessuto inestensibile.(B) Piegatura del prototipo dell'attuatore.(C) Riconfigurazione di un tessuto rettangolare in un robot attivo a quattro zampe.Tessuto anelastico: jersey di cotone.Tessuto elasticizzato: poliestere.Specifiche dettagliate possono essere trovate nella sezione Metodi.
Abbiamo realizzato diversi prototipi di attuatori di piegatura di diverse lunghezze e li abbiamo pressurizzati con l'impianto idraulico per creare un movimento di piegatura (Figura 3B).È importante sottolineare che l'AMF può essere disposto in linea retta o piegato per formare più fili e quindi incollato al tessuto per creare un'unità di piegatura con il numero appropriato di fili.Abbiamo anche convertito il foglio di tessuto passivo in una struttura tetrapode attiva (Figura 3C), dove abbiamo utilizzato AMF per instradare i bordi di un tessuto inestensibile rettangolare (tessuto di mussola di cotone).L'AMP è fissato al tessuto con un pezzo di nastro biadesivo.La parte centrale di ciascun bordo è nastrata per diventare passiva, mentre i quattro angoli rimangono attivi.Il rivestimento superiore in tessuto elasticizzato (poliestere) è opzionale.I quattro angoli del tessuto si piegano (sembrano gambe) quando vengono premuti.
Abbiamo costruito un banco di prova per studiare quantitativamente le proprietà dei tessuti intelligenti sviluppati (vedere la sezione Metodi e la Figura supplementare S1).Poiché tutti i campioni sono stati realizzati in AMF, l'andamento generale dei risultati sperimentali (Fig. 4) è coerente con le principali caratteristiche dell'AMF, ovvero la pressione in ingresso è direttamente proporzionale all'allungamento in uscita e inversamente proporzionale alla forza di compressione.Tuttavia, questi tessuti intelligenti hanno caratteristiche uniche che riflettono le loro configurazioni specifiche.
Presenta configurazioni tessili intelligenti.(A, B) Curve di isteresi per pressione in ingresso e allungamento in uscita e forza per fogli tessuti.(C) Espansione dell'area del lenzuolo tessuto.(D,E) Relazione tra pressione in ingresso, allungamento e forza in uscita per maglieria.(F) Espansione dell'area di strutture in espansione radiale.(G) Angoli di piegatura di tre diverse lunghezze di unità di piegatura.
Ciascun AMF del foglio tessuto è stato sottoposto ad una pressione in ingresso di 1 MPa per generare un allungamento di circa il 30% (Fig. 4A).Abbiamo scelto questa soglia per l'intero esperimento per diversi motivi: (1) per creare un allungamento significativo (circa il 30%) per enfatizzare le curve di isteresi, (2) per evitare che il ciclismo di diversi esperimenti e prototipi riutilizzabili provochi danni o guasti accidentali..sotto alta pressione del fluido.La zona morta è chiaramente visibile e la treccia rimane immobile finché la pressione in ingresso non raggiunge 0,3 MPa.Il grafico dell'isteresi di allungamento della pressione mostra un ampio divario tra le fasi di pompaggio e rilascio, indicando che c'è una significativa perdita di energia quando il foglio tessuto cambia il suo movimento da espansione a contrazione.(Fig. 4A).Dopo aver ottenuto una pressione in ingresso di 1 MPa, il foglio tessuto potrebbe esercitare una forza di contrazione di 5,6 N (Fig. 4B).Il grafico dell'isteresi pressione-forza mostra inoltre che la curva di ripristino si sovrappone quasi alla curva di aumento della pressione.L'espansione dell'area del foglio tessuto dipendeva dalla quantità di pressione applicata a ciascuno dei due AMF, come mostrato nel grafico della superficie 3D (Figura 4C).Gli esperimenti mostrano anche che un lenzuolo tessuto può produrre un'espansione dell'area del 66% quando i suoi AMF di ordito e di trama sono simultaneamente sottoposti ad una pressione idraulica di 1 MPa.
I risultati sperimentali per il lenzuolo lavorato a maglia mostrano uno schema simile a quello del lenzuolo tessuto, compreso un ampio intervallo di isteresi nel diagramma tensione-pressione e curve pressione-forza sovrapposte.Il foglio di maglia ha mostrato un allungamento del 30%, dopo di che la forza di compressione era di 9 N ad una pressione in ingresso di 1 MPa (Fig. 4D, E).
Nel caso di un lenzuolo tessuto rotondo, la sua area iniziale è aumentata del 25% rispetto all'area iniziale dopo l'esposizione ad una pressione del liquido di 1 MPa (Fig. 4F).Prima che il campione inizi ad espandersi, è presente un'ampia zona morta di pressione in ingresso fino a 0,7 MPa.Questa ampia zona morta era prevista poiché i campioni erano stati realizzati con AMF più grandi che richiedevano pressioni più elevate per superare lo stress iniziale.Nella fig.4F mostra anche che la curva di rilascio coincide quasi con la curva di aumento della pressione, indicando una piccola perdita di energia quando si cambia il movimento del disco.
I risultati sperimentali per i tre attuatori di flessione (riconfigurazione dei tessuti) mostrano che le loro curve di isteresi hanno uno schema simile (Figura 4G), dove sperimentano una zona morta di pressione in ingresso fino a 0,2 MPa prima del sollevamento.Abbiamo applicato lo stesso volume di liquido (0,035 ml) a tre unità di piegatura (L20, L30 e L50 mm).Tuttavia, ciascun attuatore ha sperimentato picchi di pressione diversi e ha sviluppato angoli di piegatura diversi.Gli attuatori L20 e L30 mm hanno sperimentato una pressione in ingresso di 0,72 e 0,67 MPa, raggiungendo angoli di piegatura rispettivamente di 167° e 194°.Il motore di piegatura più lungo (lunghezza 50 mm) ha resistito ad una pressione di 0,61 MPa e ha raggiunto un angolo di piegatura massimo di 236°.I grafici dell'isteresi dell'angolo di pressione hanno anche rivelato lacune relativamente grandi tra le curve di pressurizzazione e di rilascio per tutti e tre gli azionamenti di piegatura.
La relazione tra volume di input e proprietà di output (allungamento, forza, espansione dell'area, angolo di piegatura) per le configurazioni tessili intelligenti di cui sopra può essere trovata nella Figura supplementare S2.
I risultati sperimentali nella sezione precedente dimostrano chiaramente la relazione proporzionale tra la pressione in ingresso applicata e l'allungamento in uscita dei campioni AMF.Più l'AMB viene sollecitato, maggiore sarà l'allungamento che svilupperà e maggiore sarà l'energia elastica che accumulerà.Quindi, maggiore è la forza di compressione che esercita.I risultati hanno anche mostrato che i provini raggiungevano la massima forza di compressione quando la pressione in ingresso veniva completamente rimossa.Questa sezione mira a stabilire una relazione diretta tra allungamento e forza di restringimento massima di fogli di maglia e tessuti attraverso la modellazione analitica e la verifica sperimentale.
La forza contrattile massima Fout (alla pressione di ingresso P = 0) di un singolo AMF è stata data nel rif 49 e reintrodotta come segue:
Tra questi, α, E e A0 sono rispettivamente il fattore di allungamento, il modulo di Young e l'area della sezione trasversale del tubo di silicone;k è il coefficiente di rigidezza della spira a spirale;x e li sono offset e lunghezza iniziale.AMP, rispettivamente.
la giusta equazione.(1) Prendiamo come esempio le lenzuola lavorate a maglia e tessute (Fig. 5A, B).Le forze di restringimento del prodotto a maglia Fkv e del prodotto tessuto Fwh sono espresse rispettivamente dall'equazione (2) e (3).
dove mk è il numero di maglie, φp è l'angolo di presa del tessuto a maglia durante l'iniezione (Fig. 5A), mh è il numero di fili, θhp è l'angolo di impegno del tessuto a maglia durante l'iniezione (Fig. 5B), εkv εwh è il foglio di maglia e la deformazione del foglio di tessuto, F0 è la tensione iniziale della spira a spirale.Derivazione dettagliata dell'equazione.(2) e (3) possono essere trovati nelle informazioni di supporto.
Creare un modello analitico per la relazione allungamento-forza.(A,B) Illustrazioni del modello analitico rispettivamente per fogli lavorati a maglia e tessuti.(C, D) Confronto di modelli analitici e dati sperimentali per fogli a maglia e tessuti.RMSE Errore quadratico medio radice.
Per testare il modello sviluppato, abbiamo eseguito esperimenti di allungamento utilizzando i modelli a maglia nella Fig. 2A e i campioni intrecciati nella Fig. 2B.La forza di contrazione è stata misurata con incrementi del 5% per ciascuna estensione bloccata dallo 0% al 50%.La media e la deviazione standard delle cinque prove sono presentate nella Figura 5C (a maglia) e nella Figura 5D (a maglia).Le curve del modello analitico sono descritte da equazioni.I parametri (2) e (3) sono riportati nella tabella.1. I risultati mostrano che il modello analitico è in buon accordo con i dati sperimentali sull'intero intervallo di allungamento con un errore quadratico medio (RMSE) di 0,34 N per la maglieria, 0,21 N per il tessuto AMF H (direzione orizzontale) e 0,17 N per AMF tessuto.V (direzione verticale).
Oltre ai movimenti di base, i tessuti intelligenti proposti possono essere programmati meccanicamente per fornire movimenti più complessi come la piegatura a S, la contrazione radiale e la deformazione da 2D a 3D.Presentiamo qui diversi metodi per programmare i tessuti piatti intelligenti nelle strutture desiderate.
Oltre ad espandere il dominio nella direzione lineare, i fogli tessuti unidirezionali possono essere programmati meccanicamente per creare un movimento multimodale (Fig. 6A).Riconfiguriamo l'estensione del lenzuolo intrecciato come un movimento di flessione, vincolando una delle sue facce (superiore o inferiore) con filo da cucito.Sotto pressione le lastre tendono a piegarsi verso la superficie di delimitazione.Nella fig.6A mostra due esempi di pannelli tessuti che assumono la forma di S quando una metà è ristretta sul lato superiore e l'altra metà è ristretta sul lato inferiore.In alternativa, è possibile creare un movimento di piegatura circolare in cui è vincolata solo l'intera faccia.Un foglio intrecciato unidirezionale può anche essere trasformato in un manicotto di compressione collegando le sue due estremità in una struttura tubolare (Fig. 6B).La manica viene indossata sopra il dito indice di una persona per fornire compressione, una forma di massaggio terapeutico per alleviare il dolore o migliorare la circolazione.Può essere ridimensionato per adattarsi ad altre parti del corpo come braccia, fianchi e gambe.
Capacità di tessere i fogli in una direzione.(A) Creazione di strutture deformabili grazie alla programmabilità della forma dei fili cucirini.(B) Manicotto di compressione del dito.(C) Un'altra versione del lenzuolo intrecciato e la sua implementazione come manicotto di compressione dell'avambraccio.(D) Un altro prototipo di manica di compressione realizzato con AMF tipo M, filato acrilico e cinturini in velcro.Specifiche dettagliate possono essere trovate nella sezione Metodi.
La Figura 6C mostra un altro esempio di un lenzuolo tessuto unidirezionale costituito da un singolo AMF e filato di cotone.Il foglio può espandersi del 45% nell'area (a 1,2 MPa) o provocare un movimento circolare sotto pressione.Abbiamo anche incorporato un lenzuolo per creare un manicotto di compressione dell'avambraccio fissando cinghie magnetiche all'estremità del lenzuolo.Un altro prototipo di manicotto di compressione dell'avambraccio è mostrato in Fig. 6D, in cui i fogli intrecciati unidirezionali sono stati realizzati con AMF di tipo M (vedi Metodi) e filati acrilici per generare forze di compressione più forti.Abbiamo dotato le estremità dei fogli di cinghie in velcro per un facile fissaggio e per mani di diverse dimensioni.
La tecnica del vincolo, che converte l'estensione lineare in movimento di flessione, è applicabile anche ai teli tessuti bidirezionali.Tessiamo i fili di cotone su un lato dei fogli tessuti di ordito e di trama in modo che non si espandano (Fig. 7A).Pertanto, quando due AMF ricevono pressione idraulica indipendentemente l'uno dall'altro, il foglio subisce un movimento di flessione bidirezionale per formare una struttura tridimensionale arbitraria.In un altro approccio, utilizziamo filati inestensibili per limitare una direzione dei fogli tessuti bidirezionali (Figura 7B).In questo modo la lastra può compiere movimenti di flessione e allungamento indipendenti quando il corrispondente AMF è sotto pressione.Nella fig.7B mostra un esempio in cui un foglio intrecciato bidirezionale viene controllato per avvolgere circa due terzi di un dito umano con un movimento di flessione e quindi estendere la sua lunghezza per coprire il resto con un movimento di allungamento.Il movimento bidirezionale dei fogli può essere utile per il design della moda o lo sviluppo di abbigliamento intelligente.
Foglio tessuto bidirezionale, foglio a maglia e capacità di progettazione espandibile radialmente.(A) Pannelli di vimini bidirezionali incollati bidirezionali per creare una curva bidirezionale.(B) I pannelli di vimini bidirezionali vincolati unidirezionalmente producono flessibilità e allungamento.(C) Foglio lavorato a maglia altamente elastico, che può adattarsi a diverse curvature superficiali e persino formare strutture tubolari.(D) delimitazione della linea centrale di una struttura ad espansione radiale che forma una forma parabolica iperbolica (patatine fritte).
Abbiamo collegato due anelli adiacenti delle file superiore e inferiore della parte lavorata a maglia con filo da cucito in modo che non si sfilacciasse (Fig. 7C).Pertanto, il foglio tessuto è completamente flessibile e si adatta bene a varie curve superficiali, come la superficie della pelle delle mani e delle braccia umane.Abbiamo anche creato una struttura tubolare (manica) collegando le estremità della parte lavorata a maglia nel senso di marcia.La manica si avvolge bene attorno al dito indice della persona (Fig. 7C).La sinuosità del tessuto fornisce eccellente vestibilità e deformabilità, rendendolo facile da usare in indumenti intelligenti (guanti, maniche a compressione), fornendo comfort (attraverso la vestibilità) ed effetto terapeutico (attraverso la compressione).
Oltre all'espansione radiale 2D in più direzioni, i fogli tessuti circolari possono anche essere programmati per formare strutture 3D.Abbiamo limitato la linea centrale della treccia rotonda con filo acrilico per interromperne l'espansione radiale uniforme.Di conseguenza, la forma piatta originale del foglio tessuto rotondo è stata trasformata in una forma parabolica iperbolica (o patatine) dopo la pressurizzazione (Fig. 7D).Questa capacità di cambiare forma potrebbe essere implementata come un meccanismo di sollevamento, una lente ottica, gambe di robot mobili o potrebbe essere utile nel design della moda e nei robot bionici.
Abbiamo sviluppato una tecnica semplice per creare unità di flessione incollando AMF su una striscia di tessuto non elasticizzato (Figura 3).Utilizziamo questo concetto per creare thread programmabili a forma in cui possiamo distribuire strategicamente più sezioni attive e passive in un AMF per creare le forme desiderate.Abbiamo fabbricato e programmato quattro filamenti attivi che potevano cambiare la loro forma da diritti a lettere (UNSW) all'aumentare della pressione (Figura complementare S4).Questo semplice metodo consente alla deformabilità dell'AMF di trasformare le linee 1D in forme 2D e possibilmente anche strutture 3D.
In un approccio simile, abbiamo utilizzato un singolo AMF per riconfigurare un pezzo di tessuto normale passivo in un tetrapode attivo (Fig. 8A).I concetti di routing e programmazione sono simili a quelli mostrati nella Figura 3C.Tuttavia, al posto delle lenzuola rettangolari, iniziarono a utilizzare tessuti con motivo quadrupede (tartaruga, mussola di cotone).Pertanto le gambe sono più lunghe e la struttura può essere sollevata più in alto.L'altezza della struttura aumenta gradualmente sotto pressione fino a quando le gambe sono perpendicolari al suolo.Se la pressione in ingresso continua ad aumentare, le gambe si abbasseranno verso l'interno, abbassando l'altezza della struttura.I tetrapodi possono eseguire la locomozione se le loro gambe sono dotate di schemi unidirezionali o utilizzano più AMF con strategie di manipolazione del movimento.I robot a locomozione morbida sono necessari per una varietà di compiti, inclusi i salvataggi da incendi, edifici crollati o ambienti pericolosi e robot per la consegna di farmaci.
Il tessuto viene riconfigurato per creare strutture mutaforma.(A) Incollare l'AMF al bordo del foglio di tessuto passivo, trasformandolo in una struttura orientabile a quattro gambe.(BD) Altri due esempi di riconfigurazione dei tessuti, trasformando farfalle e fiori passivi in attivi.Tessuto non elasticizzato: mussola di cotone tinta unita.
Sfruttiamo inoltre la semplicità e la versatilità di questa tecnica di riconfigurazione dei tessuti introducendo due ulteriori strutture bioispirate per il rimodellamento (Figure 8B-D).Con un AMF instradabile, queste strutture deformabili vengono riconfigurate da fogli di tessuto passivo a strutture attive e orientabili.Ispirandoci alla farfalla monarca, abbiamo realizzato una struttura a farfalla trasformabile utilizzando un pezzo di tessuto a forma di farfalla (mussola di cotone) e un lungo pezzo di AMF infilato sotto le sue ali.Quando l'AMF è sotto pressione, le ali si piegano.Come la farfalla monarca, le ali sinistra e destra del robot farfalla sbattono allo stesso modo perché sono entrambe controllate dall'AMF.Le alette a farfalla sono solo a scopo espositivo.Non può volare come Smart Bird (Festo Corp., USA).Abbiamo realizzato anche un fiore di stoffa (Figura 8D) composto da due strati di cinque petali ciascuno.Abbiamo posizionato l'AMF sotto ogni strato dopo il bordo esterno dei petali.Inizialmente i fiori sono in piena fioritura, con tutti i petali completamente aperti.Sotto pressione, l'AMF provoca un movimento di flessione dei petali, provocandone la chiusura.I due AMF controllano indipendentemente il movimento dei due strati, mentre i cinque petali di uno strato si flettono contemporaneamente.
Orario di pubblicazione: 26 dicembre 2022