Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com.Þú ert að nota vafraútgáfu með takmarkaðan CSS stuðning.Til að fá bestu upplifunina mælum við með því að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkva á eindrægnistillingu í Internet Explorer).Að auki, til að tryggja áframhaldandi stuðning, sýnum við síðuna án stíla og JavaScript.
Sýnir hringekju með þremur skyggnum í einu.Notaðu Fyrri og Næsta hnappana til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu, eða notaðu sleðahnappana í lokin til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu.
Það að sameina vefnaðarvöru og gervi vöðva til að búa til snjalla vefnaðarvöru vekur mikla athygli bæði frá vísinda- og iðnaðarsamfélaginu.Snjall vefnaður býður upp á marga kosti, þar á meðal aðlögunarþægindi og mikla samræmi við hluti á sama tíma og hann veitir virka virkjun fyrir æskilega hreyfingu og styrk.Þessi grein kynnir nýjan flokk forritanlegra snjallefna sem eru framleiddir með ýmsum aðferðum við að vefa, vefa og líma vökvadrifnar gervi vöðvaþræðir.Þróað var stærðfræðilíkan til að lýsa hlutfalli teygingarkrafts prjónaðra og ofinna textíldúka og síðan var réttmæti þess prófað með tilraunum.Nýi „snjall“ textíllinn er með mikla sveigjanleika, samræmi og vélrænni forritun, sem gerir fjölþætta hreyfingu og aflögunargetu fyrir fjölbreyttari notkunarmöguleika.Ýmsar snjallar textílfrumgerðir hafa verið búnar til með sannprófun á tilraunum, þar á meðal ýmis lögunarbreytingartilvik eins og lenging (allt að 65%), svæðisstækkun (108%), geislamyndun (25%) og beygjuhreyfing.Hugmyndin um endurstillingu óvirkra hefðbundinna vefja í virka mannvirki fyrir lífræna mótunarbyggingu er einnig verið að kanna.Gert er ráð fyrir að fyrirhugaður snjall vefnaður muni auðvelda þróun snjalltækja, haptic kerfa, lífræna mjúka vélmenni og klæðanleg rafeindatækni.
Stíf vélmenni eru áhrifarík þegar unnið er í skipulögðu umhverfi en eiga í vandræðum með hið óþekkta samhengi breytinga á umhverfi, sem takmarkar notkun þeirra í leit eða könnun.Náttúran heldur áfram að koma okkur á óvart með mörgum frumlegum aðferðum til að takast á við ytri þætti og fjölbreytileika.Til dæmis framkvæma hneigðir klifurplantna margþættar hreyfingar, svo sem að beygja og fara í spíral, til að kanna óþekkt umhverfi í leit að hentugum stuðningi1.Venus flugugildran (Dionaea muscipula) er með viðkvæm hár á laufum sínum sem, þegar hún er virkjuð, smella á sinn stað til að ná bráð2.Á undanförnum árum hefur aflögun eða aflögun líkama frá tvívíðum (2D) yfirborði yfir í þrívíddar (3D) form sem líkja eftir líffræðilegum byggingum orðið áhugavert rannsóknarefni3,4.Þessar mjúku vélfærastillingar breyta lögun til að laga sig að breyttu umhverfi, gera fjölþætta hreyfingu og beita krafti til að framkvæma vélræna vinnu.Umfang þeirra hefur náð til margs konar vélfærafræðiforrita, þar á meðal deployables5, endurstillanlegar og sjálffellanlegar vélmenni6,7, líflækningatæki8, farartæki9,10 og stækkanlegt rafeindatæki11.
Miklar rannsóknir hafa verið gerðar til að þróa forritanlegar flatar plötur sem, þegar þær eru virkjaðar, breytast í flókin þrívíddarbyggingu3.Einföld hugmynd til að búa til aflöganleg mannvirki er að sameina lög af mismunandi efnum sem sveigjast og hrukka þegar þau verða fyrir áreiti12,13.Janbaz o.fl.14 og Li o.fl.15 hafa innleitt þessa hugmynd til að búa til hitanæm fjölþætt aflöganleg vélmenni.Origami-undirstaða mannvirki sem innihalda áreiti-svarandi þætti hafa verið notuð til að búa til flókin þrívídd mannvirki16,17,18.Innblásin af formgerð líffræðilegra mannvirkja, Emmanuel o.fl.Formbreytanleg elastómer eru búin til með því að skipuleggja loftrásir innan gúmmíyfirborðs sem, undir þrýstingi, umbreytast í flókin, handahófskennd þrívíddarform.
Samþætting vefnaðarvöru eða efna í afmyndanleg mjúk vélmenni er annað nýtt hugmyndaverkefni sem hefur vakið víðtækan áhuga.Vefnaður er mjúkt og teygjanlegt efni sem er búið til úr garni með vefnaðaraðferðum eins og prjóni, vefnaði, fléttun eða hnútavefnaði.Ótrúlegir eiginleikar efna, þar á meðal sveigjanleiki, passa, mýkt og öndun, gera þau mjög vinsæl í allt frá fötum til læknisfræðilegra nota20.Það eru þrjár víðtækar aðferðir við að fella textíl inn í vélfærafræði21.Fyrsta aðferðin er að nota textílinn sem óvirkan stuðning eða grunn fyrir aðra íhluti.Í þessu tilviki, óbeinar vefnaðarvörur veita notandanum þægilegan passa þegar hann er með stífa íhluti (mótorar, skynjara, aflgjafa).Flest mjúk vélmenni sem hægt er að bera eða mjúk ytri beinagrind falla undir þessa nálgun.Til dæmis, mjúkir klæðanlegir ytri beinagrind fyrir gönguhjálp 22 og olnbogahjálp 23, 24, 25, mjúkir hanska 26 fyrir hand- og fingurhjálp og lífræn mjúk vélmenni 27.
Önnur aðferðin er að nota vefnaðarvöru sem óvirka og takmarkaða hluti í mjúkum vélfærabúnaði.Stýritæki sem byggjast á textíl falla í þennan flokk, þar sem efnið er venjulega smíðað sem ytri ílát til að geyma innri slönguna eða hólfið, sem myndar mjúkt trefjastyrktan stýribúnað.Þegar þeir verða fyrir utanaðkomandi loft- eða vökvagjafa verða þessir mjúku stýringar fyrir breytingum á lögun, þar með talið lengingu, beygingu eða snúningi, allt eftir upprunalegri samsetningu þeirra og uppsetningu.Til dæmis, Talman o.fl.Bæklunarföt fyrir ökkla, sem samanstendur af röð af efnisvösum, hefur verið kynnt til að auðvelda plantar flexion til að endurheimta göngulag28.Hægt er að sameina textíllög með mismunandi teygjanleika til að búa til anisotropic hreyfingu 29 .OmniSkins – mjúk vélfæraskinn úr ýmsum mjúkum stýrisbúnaði og undirlagsefnum geta umbreytt óvirkum hlutum í fjölnota virka vélmenni sem geta framkvæmt fjölþættar hreyfingar og aflögun fyrir ýmis forrit.Zhu o.fl.hafa þróað vöðvaþekju í vökvavef31 sem getur framkallað lengingu, beygju og ýmsar aflögunarhreyfingar.Buckner o.fl.Samþætta starfrænar trefjar í hefðbundna vefi til að búa til vélfæravef með margar aðgerðir eins og virkjun, skynjun og breytilegan stífleika32.Aðrar aðferðir í þessum flokki er að finna í þessum blöðum 21, 33, 34, 35.
Nýleg nálgun til að virkja yfirburði textíls á sviði mjúkrar vélfærafræði er að nota hvarfgjörn eða áreiti-viðbragðsþráð til að búa til snjalla textíl með hefðbundnum textílframleiðsluaðferðum eins og vefnaði, prjóni og vefnaðaraðferðum21,36,37.Það fer eftir samsetningu efnisins, hvarfgjarnt garn veldur breytingu á lögun þegar það verður fyrir raf-, hita- eða þrýstingsáhrifum, sem leiðir til aflögunar á efninu.Í þessari nálgun, þar sem hefðbundinn vefnaður er samþættur í mjúkt vélfærakerfi, á sér stað endurmótun textílsins á innra lagið (garnið) frekar en ytra lagið.Sem slíkur býður snjall vefnaður framúrskarandi meðhöndlun hvað varðar fjölþætta hreyfingu, forritanlega aflögun, teygjanleika og getu til að stilla stífleika.Til dæmis er hægt að fella formminni málmblöndur (SMAs) og formminnisfjölliður (SMPs) inn í efni til að stjórna lögun þeirra á virkan hátt með hitaörvun, svo sem hemming38, fjarlægja hrukku36,39, áþreifanlega og áþreifanlega endurgjöf40,41, sem og aðlögunarhæfni. klæðalegur fatnaður.tæki 42.Hins vegar leiðir notkun varmaorku til hitunar og kælingar í hægum viðbrögðum og erfiðri kælingu og stjórn.Nýlega, Hiramitsu o.fl.Fínvöðvar McKibben43,44, pneumatic gervivöðvar, eru notaðir sem varpgarn til að búa til ýmiss konar virka vefnaðarvöru með því að breyta vefnaðarbyggingunni45.Þrátt fyrir að þessi nálgun veiti mikla krafta, vegna eðlis McKibben vöðvans, er þensluhraði hans takmarkaður (< 50%) og ekki er hægt að ná litlum stærð (þvermál < 0,9 mm).Auk þess hefur verið erfitt að mynda snjöll textílmynstur úr vefnaðaraðferðum sem krefjast skarpra horna.Til að mynda meira úrval af snjöllum vefnaðarvöru, Maziz o.fl.Rafvirkur klæðalegur vefnaður hefur verið þróaður með því að prjóna og vefa rafnæma fjölliðaþræði46.
Á undanförnum árum hefur komið fram ný tegund af hitanæmum gervivöðvum, smíðaðir úr mjög snúnum, ódýrum fjölliða trefjum47,48.Þessar trefjar eru fáanlegar í verslun og eru auðveldlega felldar inn í vefnað eða vefnað til að framleiða snjallföt á viðráðanlegu verði.Þrátt fyrir framfarirnar hafa þessir nýju hitanæmu vefnaðarvörur takmarkaðan viðbragðstíma vegna þörf fyrir upphitun og kælingu (td hitastýrðan textíl) eða erfiðleika við að búa til flókin prjónuð og ofin mynstur sem hægt er að forrita til að mynda þær aflögun og hreyfingar sem óskað er eftir. .Sem dæmi má nefna geislaþenslu, 2D til 3D formbreytingu eða tvíátta stækkun, sem við bjóðum upp á hér.
Til að vinna bug á þessum áðurnefndu vandamálum, kynnir þessi grein nýjan vökvadrifinn snjall textíl sem er gerður úr nýlega kynntum mjúkum gervi vöðvaþráðum okkar (AMF)49,50,51.AMF eru mjög sveigjanleg, stigstærð og hægt er að minnka þau niður í 0,8 mm í þvermál og stórar lengdir (að minnsta kosti 5000 mm), sem bjóða upp á hátt hlutfall (lengd til þvermál) sem og mikla lengingu (að minnsta kosti 245%), mikla orku skilvirkni, minna en 20Hz hröð svörun).Til að búa til snjalla vefnaðarvöru notum við AMF sem virkt garn til að mynda tvívídd virk vöðvalög með prjóna- og vefnaðaraðferðum.Við höfum rannsakað magn þensluhraða og samdráttarkrafts þessara „snjallvefja“ með tilliti til vökvamagns og þrýstings.Greiningarlíkön hafa verið þróuð til að koma á framlengingarkraftssambandi fyrir prjónað og ofið blöð.Við lýsum einnig nokkrum vélrænni forritunaraðferðum fyrir snjall textíl fyrir fjölþættar hreyfingar, þar á meðal tvíátta framlengingu, beygju, geislamyndaða stækkun og getu til að skipta úr 2D í 3D.Til að sýna fram á styrk nálgunar okkar munum við einnig samþætta AMF í verslunardúk eða vefnaðarvöru til að breyta uppsetningu þeirra úr óvirkum í virka mannvirki sem valda ýmsum aflögun.Við höfum einnig sýnt fram á þessa hugmynd á nokkrum tilraunabekkjum, þar á meðal forritanlegri beygingu þráða til að búa til æskilega stafi og lögunarbreytandi líffræðilegum byggingum í lögun hluta eins og fiðrilda, ferfætlinga og blóma.
Vefnaður er sveigjanleg tvívídd uppbygging sem myndast úr samtvinnuðum einvíddar þráðum eins og garni, þráðum og trefjum.Textíl er ein af elstu tækni mannkyns og er mikið notað á öllum sviðum lífsins vegna þæginda, aðlögunarhæfni, öndunar, fagurfræði og verndar.Snjall vefnaður (einnig þekktur sem snjallföt eða vélfæradúkur) er í auknum mæli notaður í rannsóknum vegna mikilla möguleika þeirra í vélfærafræði20,52.Snjall vefnaðarvörur lofa að bæta mannlega upplifun af samskiptum við mjúka hluti og hefja hugmyndabreytingu á sviði þar sem hægt er að stjórna hreyfingu og krafti þunns, sveigjanlegrar efnis til að framkvæma ákveðin verkefni.Í þessari grein könnum við tvær aðferðir við framleiðslu á snjöllum vefnaðarvöru á grundvelli nýlegrar AMF49 okkar: (1) notaðu AMF sem virkt garn til að búa til snjall vefnaðarvöru með hefðbundinni textílframleiðslutækni;(2) settu AMF beint í hefðbundin efni til að örva æskilega hreyfingu og aflögun.
AMF samanstendur af innri kísillröri til að veita vökvaafli og ytri spólu til að takmarka geislamyndaþenslu þess.Þannig lengjast AMFs langsum þegar þrýstingur er beitt og sýna síðan samdráttarkrafta til að fara aftur í upphaflega lengd sína þegar þrýstingur er losaður.Þeir hafa eiginleika svipaða hefðbundnum trefjum, þar á meðal sveigjanleika, lítið þvermál og langa lengd.Hins vegar er AMF virkari og stjórnaðri hvað varðar hreyfingu og styrk en hefðbundnar hliðstæðar þess.Innblásin af nýlegum hröðum framförum í snjall textíl, kynnum við hér fjórar helstu aðferðir til að framleiða snjall vefnaðarvöru með því að beita AMF á gamalgróna dúkaframleiðslutækni (Mynd 1).
Fyrsta leiðin er vefnaður.Við notum ívafprjónatækni til að framleiða hvarfgjarnt prjónað efni sem þróast í eina átt þegar það er vökvavirkt.Prjónuð blöð eru mjög teygjanleg og teygjanleg en eiga það til að losna auðveldara en ofin blöð.Það fer eftir stjórnunaraðferðinni, AMF getur myndað einstakar raðir eða heilar vörur.Til viðbótar við flatar blöð eru pípulaga prjónamynstur einnig hentugur til framleiðslu á AMF holum mannvirkjum.Önnur aðferðin er vefnaður, þar sem við notum tvö AMF sem undið og ívafi til að mynda rétthyrnt ofið lak sem getur stækkað sjálfstætt í tvær áttir.Ofin blöð veita meiri stjórn (í báðar áttir) en prjónuð blöð.Við vefjum líka AMF úr hefðbundnu garni til að búa til einfaldara ofið lak sem aðeins er hægt að vinda upp í eina átt.Þriðja aðferðin - radial stækkun - er afbrigði af vefnaðartækni, þar sem AMPs eru ekki staðsettir í rétthyrningi, heldur í spíral, og þræðir veita geislamyndaða þvingun.Í þessu tilviki stækkar fléttan geislavirkt undir inntaksþrýstingnum.Fjórða aðferðin er að festa AMF á lak af óvirku efni til að búa til beygjuhreyfingu í þá átt sem óskað er eftir.Við höfum endurstillt óvirka brotspjaldið í virkt brotspjald með því að keyra AMF um brún þess.Þetta forritanlega eðli AMF opnar ótal möguleika fyrir líf-innblásna lögun-umbreytandi mjúkum mannvirkjum þar sem við getum breytt óvirkum hlutum í virka hluti.Þessi aðferð er einföld, auðveld og fljótleg, en getur dregið úr langlífi frumgerðarinnar.Lesandanum er vísað til annarra aðferða í bókmenntum sem lýsa styrkleikum og veikleikum hvers vefeiginleika21,33,34,35.
Flestir þræðir eða garn sem notuð eru til að búa til hefðbundin efni innihalda óvirka uppbyggingu.Í þessari vinnu notum við áður þróað AMF okkar, sem getur náð metra lengd og undirmillímetra þvermál, til að skipta út hefðbundnu óvirku textílgarni fyrir AFM til að búa til snjöll og virk efni fyrir fjölbreyttari notkunarmöguleika.Eftirfarandi kaflar lýsa ítarlegum aðferðum til að búa til snjallar textílfrumgerðir og kynna helstu virkni þeirra og hegðun.
Við handgerðum þrjár AMF-treyjur með ívafiprjónatækni (mynd 2A).Efnisval og nákvæmar forskriftir fyrir AMF og frumgerðir má finna í kaflanum Aðferðir.Hver AMF fylgir hlykkjóttri leið (einnig kölluð leið) sem myndar samhverfa lykkju.Lykkjur í hverri röð eru festar með lykkjum af röðunum fyrir ofan og neðan þær.Hringir einnar súlu hornrétt á brautina eru sameinaðir í skaft.Prjónað frumgerð okkar samanstendur af þremur röðum með sjö sporum (eða sjö sporum) í hverri röð.Efri og neðri hringirnir eru ekki fastir, svo við getum fest þá við samsvarandi málmstangir.Prjónaðar frumgerðir losnuðu auðveldara en hefðbundin prjónuð efni vegna meiri stífleika AMF samanborið við hefðbundið garn.Þess vegna bundum við lykkjur aðliggjandi raða með þunnum teygjanlegum snúrum.
Verið er að útfæra ýmsar snjallar textílfrumgerðir með mismunandi AMF stillingum.(A) Prjónað lak úr þremur AMF.(B) Tvíátta ofið lak úr tveimur AMF.(C) Einátta ofið lak úr AMF og akrýlgarni getur borið 500g álag, sem er 192 sinnum þyngd þess (2,6g).(D) Stækkandi uppbygging með einni AMF og bómullargarni sem geislamyndaþvingun.Ítarlegar upplýsingar má finna í kaflanum Aðferðir.
Þrátt fyrir að sikksakk lykkjur prjóns geti teygt sig í mismunandi áttir, stækkar frumgerð prjónsins okkar fyrst og fremst í áttina að lykkjunni undir þrýstingi vegna takmarkana í ferðastefnu.Lenging hvers AMF stuðlar að stækkun heildarflatarmáls prjónaðs laksins.Það fer eftir sérstökum kröfum, við getum stjórnað þremur AMF sjálfstætt frá þremur mismunandi vökvagjöfum (Mynd 2A) eða samtímis frá einum vökvagjafa í gegnum 1-til-3 vökvadreifara.Á mynd.2A sýnir dæmi um prjónaða frumgerð, upphafsflatarmál hennar jókst um 35% þegar þrýstingur var beitt á þrjá AMP (1,2 MPa).Sérstaklega nær AMF mikilli lengingu sem er að minnsta kosti 250% af upprunalegri lengd sinni49 þannig að prjónaðar blöð geta teygt sig enn meira en núverandi útgáfur.
Við bjuggum líka til tvíátta vefnaðarblöð mynduð úr tveimur AMFs með því að nota látlausa vefnaðartækni (Mynd 2B).AMF undið og ívafi eru samtvinnuð hornrétt og mynda einfalt þvers og kruss mynstur.Frumgerð vefnaðarins okkar var flokkuð sem jafnvægis slétt vefnaður vegna þess að bæði undið og ívafi garnið var gert úr sömu garnstærð (sjá Aðferðir kafla fyrir nánari upplýsingar).Ólíkt venjulegum þráðum sem geta myndað skarpar fellingar, krefst beitt AMF ákveðins beygjuradíus þegar farið er aftur í annan þráð vefnaðarmynstrsins.Þess vegna hafa ofin blöð úr AMP lægri þéttleika samanborið við hefðbundinn ofinn vefnaðarvöru.AMF-gerð S (ytra þvermál 1,49 mm) hefur að lágmarki 1,5 mm beygjuradíus.Til dæmis hefur frumgerð vefnaðarins sem við kynnum í þessari grein 7×7 þráðarmynstur þar sem hver gatnamót eru stöðug með hnút af þunnri teygju.Með sömu vefnaðartækni geturðu fengið fleiri þræði.
Þegar samsvarandi AMF fær vökvaþrýsting, stækkar ofið lakið svæði sitt í undið eða ívafi.Þess vegna stjórnuðum við stærðum fléttu blaðsins (lengd og breidd) með því að breyta sjálfstætt magn inntaksþrýstings sem beitt er á AMP-in tvö.Á mynd.2B sýnir ofna frumgerð sem stækkaði í 44% af upprunalegu flatarmáli sínu á meðan þrýstingur var beitt á einn AMP (1,3 MPa).Með samtímis virkni þrýstings á tvö AMF stækkaði svæðið um 108%.
Við gerðum líka einstefnuofið lak úr einni AMF með undi og akrýlgarni sem ívafi (Mynd 2C).AMFs eru raðað í sjö sikksakk raðir og þræðir vefa þessar raðir af AMF saman til að mynda rétthyrnt lak af efni.Þessi ofna frumgerð var þéttari en á mynd 2B, þökk sé mjúkum akrýlþráðum sem fylltu auðveldlega allt blaðið.Vegna þess að við notum aðeins eitt AMF sem undið getur ofið lakið aðeins stækkað í átt að undiðinu undir þrýstingi.Mynd 2C sýnir dæmi um ofna frumgerð þar sem upphafsflatarmálið eykst um 65% með auknum þrýstingi (1,3 MPa).Að auki getur þetta flétta stykki (vegur 2,6 grömm) lyft 500 grömmum byrði, sem er 192 sinnum massa þess.
Í stað þess að raða AMF í sikksakk mynstur til að búa til rétthyrnt ofið lak, smíðuðum við flatt spíralform af AMF, sem síðan var bundið í geislaform með bómullargarni til að búa til kringlótt ofið lak (Mynd 2D).Mikil stífni AMF takmarkar fyllingu þess á mjög miðsvæði plötunnar.Hins vegar er hægt að búa til þessa bólstrun úr teygjanlegu garni eða teygjanlegu efnum.Við móttöku vökvaþrýstings breytir AMP lengdarlengingunni í geislamyndaða stækkun blaðsins.Það er líka athyglisvert að bæði ytri og innri þvermál spíralformsins eru aukin vegna geislamyndaðrar takmörkunar þráðanna.Mynd 2D sýnir að með beittum vökvaþrýstingi upp á 1 MPa stækkar lögun hringlaga blaðsins í 25% af upprunalegu flatarmáli þess.
Við kynnum hér aðra nálgun til að búa til snjall vefnaðarvöru þar sem við límum AMF á flatt efni og endurstillum það úr óvirku í virka stjórnaða uppbyggingu.Hönnunarmynd beygjudrifsins er sýnd á mynd.3A, þar sem AMP er brotið niður í miðjuna og límt á ræma af óstækkandi efni (bómullarmúslínefni) með því að nota tvíhliða límband sem lím.Þegar búið er að innsigla er toppurinn á AMF frjálst að lengjast, en botninn takmarkast af límbandinu og efninu, sem veldur því að ræman beygist í átt að efninu.Við getum slökkt á hvaða hluta sem er á beygjustýringunni hvar sem er með því einfaldlega að líma rönd af límbandi á hann.Óvirkur hluti getur ekki hreyft sig og verður óvirkur hluti.
Dúkur er endurstilltur með því að líma AMF á hefðbundin efni.(A) Hönnunarhugmynd fyrir beygjudrif sem er gert með því að líma samanbrotið AMF á óstækkanlegt efni.(B) Beygja frumgerð stýrisbúnaðar.(C) Endurstilling á rétthyrndum klút í virkt fjögurra fóta vélmenni.Óteygjanlegt efni: bómullarjersey.Teygjanlegt efni: pólýester.Ítarlegar upplýsingar má finna í kaflanum Aðferðir.
Við bjuggum til nokkrar frumgerðir beygjuhreyfinga af mismunandi lengd og þrýstuðum á þá með vökva til að búa til beygjuhreyfingu (Mynd 3B).Mikilvægt er að AMF er hægt að leggja út í beinni línu eða brjóta saman til að mynda marga þræði og síðan líma við efni til að búa til beygjudrif með viðeigandi fjölda þráða.Við breyttum einnig aðgerðalausu vefjablaðinu í virka fjórfætlingabyggingu (Mynd 3C), þar sem við notuðum AMF til að beina mörkum rétthyrnds óstækkandi vefs (bómullarmúslínefni).AMP er fest við efnið með stykki af tvíhliða límbandi.Miðjan á hverri brún er teipuð til að verða óvirk, en hornin fjögur eru áfram virk.Topphlíf úr teygjuefni (pólýester) er valfrjálst.Fjögur horn efnisins beygjast (lítur út eins og fætur) þegar ýtt er á það.
Við smíðuðum prófunarbekk til að rannsaka eiginleika þróaðra snjallvefnaðarefnisins (sjá kaflann Aðferðir og viðbótarmynd S1).Þar sem öll sýnin voru gerð úr AMF er almenn þróun tilraunaniðurstaðna (mynd 4) í samræmi við helstu einkenni AMF, þ.e. inntaksþrýstingur er í réttu hlutfalli við úttakslenginguna og í öfugu hlutfalli við þjöppunarkraftinn.Hins vegar hafa þessi snjöllu dúkur einstaka eiginleika sem endurspegla sérstakar stillingar þeirra.
Er með snjallar textílstillingar.(A, B) Hysteresis ferlar fyrir inntaksþrýsting og úttakslengingu og kraft fyrir ofin blöð.(C) Stækkun svæðisins á ofna lakinu.(D,E) Samband inntaksþrýstings og framlengingar og krafts fyrir prjónafatnað.(F) Svæðisstækkun mannvirkja sem stækka geisla.(G) Beygjuhorn af þremur mismunandi lengdum beygjudrifa.
Hver AMF ofinn lakið var settur fyrir inntaksþrýsting upp á 1 MPa til að mynda um það bil 30% lengingu (mynd 4A).Við völdum þennan þröskuld fyrir alla tilraunina af nokkrum ástæðum: (1) til að búa til verulega lengingu (u.þ.b. 30%) til að leggja áherslu á hysteresis-feril þeirra, (2) til að koma í veg fyrir hjólreiðar frá mismunandi tilraunum og endurnýtanlegum frumgerðum sem leiða til skemmda eða bilunar fyrir slysni..undir miklum vökvaþrýstingi.Dauða svæðið sést vel og fléttan helst hreyfingarlaus þar til inntaksþrýstingurinn nær 0,3 MPa.Þrýstilengingarhysteresis plot sýnir stórt bil á milli dælu- og losunarfasa, sem gefur til kynna að það sé umtalsvert orkutap þegar ofið lakið breytir hreyfingu sinni frá þenslu til samdráttar.(Mynd 4A).Eftir að hafa fengið inntaksþrýsting upp á 1 MPa gæti ofið lakið haft samdráttarkraft upp á 5,6 N (mynd 4B).Þrýstikrafts hysteresis plot sýnir einnig að endurstillingarferillinn skarast nánast við þrýstingsuppbyggingarferilinn.Svæðisstækkun ofinna blaðsins var háð magni þrýstings sem beitt var á hvora tveggja AMF, eins og sýnt er á 3D yfirborðslóðinni (Mynd 4C).Tilraunir sýna einnig að ofið lak getur framleitt svæðisstækkun upp á 66% þegar undið og ívafi AMF eru samtímis undir 1 MPa vökvaþrýstingi.
Tilraunaniðurstöðurnar fyrir prjónaða lakið sýna svipað mynstur og ofið lakið, þar á meðal breitt hysteresis bil í spennu-þrýstingsmyndinni og skarast þrýstikraftsferlar.Prjónað blað sýndi 30% lengingu, eftir það var þjöppunarkrafturinn 9 N við inntaksþrýsting 1 MPa (mynd 4D, E).
Þegar um er að ræða hringlaga ofið lak jókst upphafsflatarmál þess um 25% miðað við upphafssvæðið eftir útsetningu fyrir vökvaþrýstingi upp á 1 MPa (mynd 4F).Áður en sýnið byrjar að stækka er stórt inntaksþrýstingsdautt svæði allt að 0,7 MPa.Búist var við þessu stóra dauðasvæði þar sem sýnin voru gerð úr stærri AMF sem kröfðust hærri þrýstings til að sigrast á upphaflegu álagi þeirra.Á mynd.4F sýnir einnig að losunarferillinn fellur nánast saman við þrýstingshækkunarferilinn, sem gefur til kynna lítið orkutap þegar skipt er um hreyfingu disksins.
Tilraunaniðurstöður fyrir beygjuhreyfingarnar þrjár (endurstilling vefja) sýna að hysteresisferlar þeirra hafa svipað mynstur (Mynd 4G), þar sem þeir upplifa allt að 0,2 MPa dauðasvæði við inntaksþrýsting fyrir lyftingu.Við settum sama rúmmál af vökva (0,035 ml) á þrjú beygjudrif (L20, L30 og L50 mm).Hins vegar upplifði hver stýrimaður mismunandi þrýstingstoppa og þróaði mismunandi beygjuhorn.L20 og L30 mm stýrivélarnar fengu inntaksþrýsting upp á 0,72 og 0,67 MPa og náðu beygjuhornum upp á 167° og 194° í sömu röð.Lengsta beygjudrifið (lengd 50 mm) stóðst 0,61 MPa þrýsting og náði hámarks beygjuhorni upp á 236°.Hysteresis plots fyrir þrýstihornið leiddu einnig í ljós tiltölulega stór bil milli þrýstings- og losunarferla fyrir öll þrjú beygjudrifin.
Sambandið á milli inntaksrúmmáls og úttakseiginleika (lenging, kraftur, stækkun svæðis, beygjuhorn) fyrir ofangreindar snjall textílstillingar er að finna á aukamynd S2.
Tilraunaniðurstöðurnar í fyrri hluta sýna skýrt fram á hlutfallslegt samband milli beitts inntaksþrýstings og úttakslengingar AMF sýna.Því sterkari sem AMB er tognaður, því meiri lenging myndast það og teygjanlegri orka safnast upp.Þess vegna, því meiri þrýstikraftur sem það beitir.Niðurstöðurnar sýndu einnig að sýnin náðu hámarksþjöppunarkrafti þegar inntaksþrýstingurinn var alveg fjarlægður.Þessi hluti miðar að því að koma á beinu sambandi milli lengingar og hámarks rýrnunarkrafts prjónaðra og ofinna blaða með greiningarlíkönum og tilraunasannprófun.
Hámarks samdráttarkraftur Fout (við inntaksþrýsting P = 0) eins AMF var gefinn upp í tilvísun 49 og settur aftur inn sem hér segir:
Meðal þeirra eru α, E og A0 teygjustuðull, stuðull Young og þversniðsflatarmál kísilrörsins, í sömu röð;k er stífleikastuðull spíralspólunnar;x og li eru á móti og upphafslengd.AMP, í sömu röð.
rétta jöfnuna.(1) Taktu prjónað og ofið blöð sem dæmi (mynd 5A, B).Rýrnunarkraftar prjónaðrar vöru Fkv og ofinnar vöru Fwh eru gefnir upp með jöfnu (2) og (3), í sömu röð.
þar sem mk er fjöldi lykkjur, φp er lykkjuhorn prjónaða dúksins við inndælingu (mynd 5A), mh er fjöldi þráða, θhp er tengihorn prjónaðs efnis við inndælingu (mynd 5B), εkv εwh er prjónað lak og aflögun ofið lak, F0 er upphafsspenna spíralspólunnar.Nákvæm útleiðsla jöfnunnar.(2) og (3) er að finna í stuðningsupplýsingunum.
Búðu til greiningarlíkan fyrir lenging-kraft sambandið.(A,B) Greiningarlíkön fyrir prjónuð og ofin blöð, í sömu röð.(C,D) Samanburður á greiningarlíkönum og tilraunagögnum fyrir prjónað og ofið blöð.RMSE Root mean square villa.
Til að prófa þróaða líkanið gerðum við lengingartilraunir með því að nota prjónað mynstur á mynd 2A og fléttusýni á mynd 2B.Samdráttarkraftur var mældur í 5% þrepum fyrir hverja læsta framlengingu frá 0% í 50%.Meðaltal og staðalfrávik prófanna fimm eru sýnd á mynd 5C (prjón) og mynd 5D (prjón).Ferlum greiningarlíkansins er lýst með jöfnum.Færibreytur (2) og (3) eru gefnar upp í töflu.1. Niðurstöðurnar sýna að greiningarlíkanið er í góðu samræmi við tilraunagögnin yfir allt teygingarsviðið með rótmeðalkvaðratskekkju (RMSE) upp á 0,34 N fyrir prjónafatnað, 0,21 N fyrir ofið AMF H (lárétt stefnu) og 0,17 N fyrir ofið AMF.V (lóðrétt stefna).
Til viðbótar við grunnhreyfingarnar er hægt að forrita fyrirhugaða snjalla vefnaðarvöru vélrænt til að veita flóknari hreyfingar eins og S-beygju, geislamyndasamdrátt og 2D til 3D aflögun.Við kynnum hér nokkrar aðferðir til að forrita flatan snjall vefnaðarvöru í æskilegar byggingar.
Auk þess að stækka lénið í línulega átt, er hægt að forrita einstefnuofin blöð vélrænt til að búa til fjölþætta hreyfingu (mynd 6A).Við endurstillum framlengingu fléttu blaðsins sem beygjuhreyfingu, þvingum eitt af andlitum þess (efst eða neðst) með saumþræði.Blöðin hafa tilhneigingu til að beygjast í átt að afmarkandi yfirborðinu undir þrýstingi.Á mynd.Mynd 6A sýnir tvö dæmi um ofin plötur sem verða S-laga þegar annar helmingurinn er þröngur á efri hliðinni og hinn helmingurinn er þröngur á neðri hliðinni.Að öðrum kosti geturðu búið til hringlaga beygjuhreyfingu þar sem aðeins allt andlitið er takmarkað.Einnig er hægt að gera einstefnu fléttu lak í þjöppunarhylki með því að tengja tvo enda hennar í pípulaga uppbyggingu (mynd 6B).Ermin er borin yfir vísifingur einstaklings til að veita þjöppun, eins konar nuddmeðferð til að lina sársauka eða bæta blóðrásina.Það er hægt að stækka það til að passa við aðra líkamshluta eins og handleggi, mjaðmir og fætur.
Geta til að vefa blöð í eina átt.(A) Sköpun afmyndanlegra mannvirkja vegna forritunar á lögun saumþráða.(B) Fingurþjöppunarhylki.(C) Önnur útgáfa af fléttu lakinu og útfærsla þess sem framhandleggsþjöppunarermi.(D) Önnur frumgerð þjöppunarhulsunnar úr AMF gerð M, akrýlgarni og Velcro ólum.Ítarlegar upplýsingar má finna í kaflanum Aðferðir.
Mynd 6C sýnir annað dæmi um einstefnuofið lak úr einni AMF og bómullargarni.Blaðið getur stækkað um 45% að flatarmáli (við 1,2 MPa) eða valdið hringhreyfingu undir þrýstingi.Við höfum einnig sett inn lak til að búa til framhandleggsþjöppunarermi með því að festa segulbönd við enda laksins.Önnur frumgerð framhandleggsþjöppunarhylkis er sýnd á mynd 6D, þar sem einstefnufléttaðar blöð voru gerðar úr gerð M AMF (sjá aðferðir) og akrýlgarn til að mynda sterkari þjöppunarkrafta.Við höfum útbúið endana á lakunum með rennilásböndum til að auðvelda festingu og fyrir mismunandi handastærðir.
Aðhaldstæknin, sem breytir línulegri framlengingu í beygjuhreyfingu, á einnig við um tvíátta ofin blöð.Við vefjum bómullarþræðina á annarri hlið undiðsins og vefjum ofin blöð þannig að þau stækka ekki (Mynd 7A).Þannig, þegar tveir AMFs fá vökvaþrýsting óháð hvort öðru, fer blaðið í tvíátta beygjuhreyfingu til að mynda handahófskennda þrívíddarbyggingu.Í annarri nálgun notum við ósveigjanlegt garn til að takmarka eina átt tvíátta ofinn blöð (Mynd 7B).Þannig getur blaðið gert sjálfstæðar beygju- og teygjuhreyfingar þegar samsvarandi AMF er undir þrýstingi.Á mynd.7B sýnir dæmi þar sem tvíátta fléttu laki er stjórnað til að vefja um tvo þriðju hluta mannsfingurs með beygjuhreyfingu og lengja síðan lengd þess til að hylja afganginn með teygjuhreyfingu.Tvíhliða hreyfing lakanna getur verið gagnleg fyrir fatahönnun eða snjallfatþróun.
Tvíátta ofið lak, prjónað lak og geisla stækkanlegt hönnunarmöguleika.(A) Tvíátta bundin tvíátta wicker spjöld til að búa til tvíátta beygju.(B) Einátta þvinguð tvíátta wicker spjöld framleiða sveigjanleika og lengingu.(C) Mjög teygjanlegt prjónað lak, sem getur lagað sig að mismunandi sveigju yfirborðs og jafnvel myndað pípulaga mannvirki.(D) afmörkun á miðlínu geislavirks stækkandi mannvirkis sem myndar ofurbólulaga fleygboga (kartöfluflögur).
Við tengdum tvær aðliggjandi lykkjur í efri og neðri röð prjónaða hlutans með saumþræði þannig að það myndi ekki losna (Mynd 7C).Þannig er ofið lakið að fullu sveigjanlegt og lagar sig vel að ýmsum yfirborðsferlum, svo sem húðyfirborði manna og handleggja.Við bjuggum líka til pípulaga uppbyggingu (ermi) með því að tengja endana á prjónaða hlutanum í akstursstefnu.Ermin vafist vel um vísifingur viðkomandi (Mynd 7C).Snúningur ofinns efnisins veitir framúrskarandi passa og aflögunarhæfni, sem gerir það auðvelt að nota það í snjöllum klæðnaði (hanskar, þjöppunarermar), sem veitir þægindi (í gegnum passa) og lækningaáhrif (með þjöppun).
Auk 2D geislamyndaðrar stækkunar í margar áttir er einnig hægt að forrita hringlaga ofin blöð til að mynda 3D mannvirki.Við takmörkuðum miðlínu hringlaga fléttunnar með akrýlgarni til að trufla samræmda geislamyndaða stækkun hennar.Fyrir vikið var upprunalega flata lögun kringlóttu ofna blaðsins umbreytt í ofvaxið fleygbogaform (eða kartöfluflögur) eftir þrýsting (Mynd 7D).Þessi hæfileiki til að breyta lögun gæti verið útfærður sem lyftibúnaður, sjónlinsa, hreyfanlegur vélmenni, eða gæti verið gagnlegur í fatahönnun og lífræn vélmenni.
Við höfum þróað einfalda tækni til að búa til beygjudrif með því að líma AMF á ræma af teygjanlegu efni (Mynd 3).Við notum þetta hugtak til að búa til form forritanlega þræði þar sem við getum dreift mörgum virkum og óvirkum hlutum á beittan hátt í einni AMF til að búa til æskileg form.Við framleiddum og forrituðum fjóra virka þráða sem gætu breytt lögun sinni úr beinni í bókstaf (UNSW) þegar þrýstingur var aukinn (viðbótarmynd S4).Þessi einfalda aðferð gerir aflögunarhæfni AMF kleift að breyta 1D línum í 2D form og hugsanlega jafnvel 3D mannvirki.
Í svipaðri nálgun notuðum við einn AMF til að endurstilla stykki af óvirkum eðlilegum vef í virkan fjórfætling (mynd 8A).Leiðar- og forritunarhugtök eru svipuð þeim sem sýnd eru á mynd 3C.Hins vegar, í staðinn fyrir rétthyrnd blöð, fóru þeir að nota dúkur með ferfættu mynstri (skjaldbaka, bómullarmúslín).Þess vegna eru fæturnir lengri og hægt er að hækka uppbygginguna hærra.Hæð mannvirkisins eykst smám saman undir þrýstingi þar til fætur hennar eru hornrétt á jörðu.Ef inntaksþrýstingurinn heldur áfram að hækka munu fæturnir síga inn á við og lækka hæð mannvirkisins.Tetrapods geta framkvæmt hreyfingar ef fætur þeirra eru búnir einstefnumynstri eða nota margar AMFs með hreyfingaraðferðum.Mjúkir hreyfivélmenni eru nauðsynlegir fyrir margvísleg verkefni, þar á meðal björgun frá skógareldum, hrunnum byggingum eða hættulegu umhverfi, og vélmenni til að afhenda lyf.
Efnið er endurstillt til að búa til formbreytandi mannvirki.(A) Límdu AMF við mörk óvirka dúkablaðsins og breyttu því í stýranlega fjögurra fóta uppbyggingu.(BD) Tvö önnur dæmi um endurstillingu vefja, að breyta óvirkum fiðrildum og blómum í virk.Teygjanlegt efni: venjulegt bómullarmúslín.
Við notum einnig einfaldleika og fjölhæfni þessarar endurstillingar tækni með því að kynna tvö viðbótar lífrænt innblástur mannvirki til að endurmóta (myndir 8B-D).Með leiðanlegu AMF eru þessi form-aflögunarhæfu mannvirki endurstillt úr blöðum af óvirkum vefjum í virk og stýranleg mannvirki.Innblásin af konungsfiðrildinu, bjuggum við til umbreytandi fiðrildabyggingu með því að nota stykki af fiðrildalaga efni (bómullarmúslín) og langt stykki af AMF sem festist undir vængi þess.Þegar AMF er undir þrýstingi leggjast vængirnir saman.Eins og Monarch fiðrildið, blakta vinstri og hægri vængirnir á Butterfly Robot á sama hátt vegna þess að þeim er báðum stjórnað af AMF.Fiðrildaflikar eru eingöngu til sýnis.Það getur ekki flogið eins og Smart Bird (Festo Corp., Bandaríkjunum).Við bjuggum líka til dúkablóm (Mynd 8D) sem samanstendur af tveimur lögum af fimm krónublöðum hvert.Við settum AMF undir hvert lag eftir ytri brún petals.Upphaflega eru blómin í fullum blóma, með öll blöðin að fullu opin.Undir þrýstingi veldur AMF beygjuhreyfingu á krónublöðunum, sem veldur því að þau lokast.AMFs tvö stjórna sjálfstætt hreyfingu laganna tveggja, en fimm krónublöðin í einu lagi sveigjast á sama tíma.
Birtingartími: 26. desember 2022