Dệt may thông minh sử dụng sợi cơ nhân tạo điều khiển bằng chất lỏng

Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Ngoài ra, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Hiển thị băng chuyền gồm ba trang trình bày cùng một lúc.Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc hoặc sử dụng các nút trượt ở cuối để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc.
Sự kết hợp giữa vải dệt và cơ nhân tạo để tạo ra vải dệt thông minh đang thu hút rất nhiều sự chú ý từ cả cộng đồng khoa học và công nghiệp.Chất liệu dệt thông minh mang lại nhiều lợi ích, bao gồm sự thoải mái thích ứng và mức độ phù hợp cao với các vật thể đồng thời mang lại khả năng truyền động chủ động để đạt được chuyển động và sức mạnh mong muốn.Bài viết này trình bày một loại vải thông minh có thể lập trình mới được chế tạo bằng nhiều phương pháp dệt, dệt và dán các sợi cơ nhân tạo chạy bằng chất lỏng.Một mô hình toán học đã được phát triển để mô tả tỷ lệ lực kéo dài của các tấm dệt kim và dệt thoi, sau đó tính hợp lệ của nó được kiểm tra bằng thực nghiệm.Loại vải “thông minh” mới có tính linh hoạt, phù hợp và lập trình cơ học cao, cho phép khả năng chuyển động và biến dạng đa phương thức cho nhiều ứng dụng hơn.Nhiều nguyên mẫu dệt thông minh khác nhau đã được tạo ra thông qua xác minh thử nghiệm, bao gồm nhiều trường hợp thay đổi hình dạng khác nhau như độ giãn dài (lên tới 65%), độ giãn nở diện tích (108%), độ giãn nở hướng tâm (25%) và chuyển động uốn.Khái niệm tái cấu hình các mô truyền thống thụ động thành các cấu trúc hoạt động cho các cấu trúc tạo hình mô phỏng sinh học cũng đang được khám phá.Loại vải dệt thông minh được đề xuất dự kiến ​​sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các thiết bị đeo thông minh, hệ thống xúc giác, robot mềm mô phỏng sinh học và thiết bị điện tử có thể đeo.
Robot cứng có hiệu quả khi làm việc trong môi trường có cấu trúc, nhưng gặp vấn đề với bối cảnh không xác định của môi trường thay đổi, điều này hạn chế việc sử dụng chúng trong tìm kiếm hoặc khám phá.Thiên nhiên tiếp tục làm chúng ta ngạc nhiên với nhiều chiến lược sáng tạo để đối phó với các yếu tố bên ngoài và sự đa dạng.Ví dụ, các tua của cây leo thực hiện các chuyển động đa phương thức, chẳng hạn như uốn cong và xoắn ốc, để khám phá một môi trường chưa xác định nhằm tìm kiếm sự hỗ trợ phù hợp1.Cây bẫy ruồi Venus (Dionaea muscipula) có những sợi lông nhạy cảm trên lá, khi được kích hoạt sẽ bám vào vị trí để bắt con mồi2.Trong những năm gần đây, sự biến dạng hay biến dạng của vật thể từ bề mặt hai chiều (2D) sang hình dạng ba chiều (3D) mô phỏng cấu trúc sinh học đã trở thành một chủ đề nghiên cứu thú vị3,4.Các cấu hình robot mềm này thay đổi hình dạng để thích ứng với môi trường thay đổi, cho phép vận động đa phương thức và tác dụng lực để thực hiện công cơ học.Phạm vi tiếp cận của họ đã mở rộng sang nhiều ứng dụng robot, bao gồm các thiết bị có thể triển khai5, robot có thể cấu hình lại và tự gập6,7, thiết bị y sinh8, phương tiện vận tải9,10 và thiết bị điện tử có thể mở rộng11.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển các tấm phẳng có thể lập trình được, khi được kích hoạt sẽ biến thành các cấu trúc ba chiều phức tạp3.Một ý tưởng đơn giản để tạo ra các cấu trúc có thể biến dạng là kết hợp các lớp vật liệu khác nhau có thể uốn cong và nhăn khi tiếp xúc với các kích thích12,13.Janbaz và cộng sự.14 và Li và cộng sự.15 đã triển khai ý tưởng này để tạo ra các robot có thể biến dạng đa phương thức nhạy cảm với nhiệt.Các cấu trúc dựa trên Origami kết hợp các yếu tố đáp ứng kích thích đã được sử dụng để tạo ra các cấu trúc ba chiều phức tạp16,17,18.Lấy cảm hứng từ sự hình thành các cấu trúc sinh học, Emmanuel et al.Chất đàn hồi có thể biến dạng hình dạng được tạo ra bằng cách tổ chức các kênh không khí bên trong bề mặt cao su, dưới áp lực, biến đổi thành các hình dạng ba chiều phức tạp, tùy ý.
Việc tích hợp hàng dệt hoặc vải vào robot mềm có thể biến dạng là một dự án khái niệm mới khác đã thu hút được sự quan tâm rộng rãi.Dệt may là vật liệu mềm và đàn hồi được làm từ sợi bằng các kỹ thuật dệt như đan, dệt, bện hoặc dệt nút.Các đặc tính tuyệt vời của vải, bao gồm tính linh hoạt, vừa vặn, đàn hồi và thoáng khí, khiến chúng trở nên rất phổ biến trong mọi thứ, từ quần áo đến ứng dụng y tế20.Có ba cách tiếp cận rộng rãi để kết hợp hàng dệt may vào robot21.Cách tiếp cận đầu tiên là sử dụng vật liệu dệt làm lớp nền hoặc lớp nền thụ động cho các thành phần khác.Trong trường hợp này, vật liệu dệt thụ động mang lại cảm giác vừa vặn thoải mái cho người dùng khi mang các bộ phận cứng (động cơ, cảm biến, nguồn điện).Hầu hết các robot mềm có thể đeo được hoặc bộ xương ngoài mềm đều áp dụng phương pháp này.Ví dụ, bộ xương ngoài mềm đeo được cho dụng cụ hỗ trợ đi lại 22 và dụng cụ hỗ trợ khuỷu tay 23, 24, 25, găng tay mềm đeo được 26 dùng cho dụng cụ hỗ trợ bàn tay và ngón tay, và robot sinh học mềm 27.
Cách tiếp cận thứ hai là sử dụng hàng dệt làm thành phần thụ động và hạn chế của các thiết bị robot mềm.Bộ truyền động dựa trên vật liệu dệt thuộc loại này, trong đó vải thường được chế tạo như một thùng chứa bên ngoài để chứa ống hoặc buồng bên trong, tạo thành bộ truyền động được gia cố bằng sợi mềm.Khi chịu tác động của nguồn khí nén hoặc thủy lực bên ngoài, các bộ truyền động mềm này sẽ trải qua những thay đổi về hình dạng, bao gồm giãn dài, uốn cong hoặc xoắn, tùy thuộc vào thành phần và cấu hình ban đầu của chúng.Ví dụ, Talman và cộng sự.Quần áo chỉnh hình mắt cá chân, bao gồm một loạt các túi vải, đã được giới thiệu để tạo điều kiện thuận lợi cho việc gấp bàn chân nhằm phục hồi dáng đi28.Các lớp dệt có khả năng giãn nở khác nhau có thể được kết hợp để tạo ra chuyển động dị hướng 29 .OmniSkins – da robot mềm được làm từ nhiều loại thiết bị truyền động mềm và vật liệu nền có thể biến các vật thể thụ động thành robot hoạt động đa chức năng có thể thực hiện các chuyển động và biến dạng đa phương thức cho các ứng dụng khác nhau.Zhu và cộng sự.đã phát triển một tấm cơ mô lỏng31 có thể tạo ra các chuyển động kéo dài, uốn cong và biến dạng khác nhau.Buckner và cộng sự.Tích hợp các sợi chức năng vào các mô thông thường để tạo ra các mô robot có nhiều chức năng như dẫn động, cảm biến và độ cứng thay đổi32.Các phương pháp khác thuộc loại này có thể được tìm thấy trong các bài báo 21, 33, 34, 35.
Một cách tiếp cận gần đây để khai thác các đặc tính vượt trội của hàng dệt may trong lĩnh vực robot mềm là sử dụng các sợi tơ phản ứng hoặc phản ứng kích thích để tạo ra hàng dệt thông minh bằng các phương pháp sản xuất hàng dệt truyền thống như phương pháp dệt, đan và dệt21,36,37.Tùy thuộc vào thành phần của vật liệu, sợi phản ứng gây ra sự thay đổi hình dạng khi chịu tác động của điện, nhiệt hoặc áp suất, dẫn đến biến dạng vải.Trong phương pháp này, khi hàng dệt truyền thống được tích hợp vào hệ thống robot mềm, việc định hình lại hàng dệt xảy ra ở lớp bên trong (sợi) chứ không phải ở lớp bên ngoài.Như vậy, vải dệt thông minh mang lại khả năng xử lý tuyệt vời về chuyển động đa phương thức, biến dạng có thể lập trình, khả năng co giãn và khả năng điều chỉnh độ cứng.Ví dụ, hợp kim ghi nhớ hình dạng (SMA) và polyme ghi nhớ hình dạng (SMP) có thể được tích hợp vào vải để chủ động kiểm soát hình dạng của chúng thông qua kích thích nhiệt, chẳng hạn như viền38, loại bỏ nếp nhăn36,39, phản hồi xúc giác và xúc giác40,41, cũng như khả năng thích ứng quần áo mặc được.thiết bị 42 .Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng nhiệt để sưởi ấm và làm mát dẫn đến phản ứng chậm, làm mát và kiểm soát khó khăn.Gần đây hơn, Hiramitsu et al.Cơ bắp mịn của McKibben43,44, cơ nhân tạo khí nén, được sử dụng làm sợi dọc để tạo ra các dạng dệt hoạt tính khác nhau bằng cách thay đổi cấu trúc dệt45.Mặc dù cách tiếp cận này mang lại lực cao nhưng do tính chất của cơ McKibben nên tốc độ giãn nở của nó bị hạn chế (< 50%) và không thể đạt được kích thước nhỏ (đường kính < 0,9 mm).Ngoài ra, rất khó để hình thành các mẫu dệt thông minh từ các phương pháp dệt đòi hỏi các góc nhọn.Để hình thành phạm vi rộng hơn của hàng dệt may thông minh, Maziz et al.Vật liệu dệt có thể đeo bằng điện tích cực đã được phát triển bằng cách đan và dệt các sợi polyme nhạy điện46.
Trong những năm gần đây, một loại cơ nhân tạo nhạy nhiệt mới đã xuất hiện, được chế tạo từ sợi polymer có độ xoắn cao, rẻ tiền47,48.Những sợi này có sẵn trên thị trường và dễ dàng kết hợp vào dệt hoặc dệt để sản xuất quần áo thông minh với giá cả phải chăng.Bất chấp những tiến bộ, những loại vải dệt nhạy cảm với nhiệt mới này có thời gian đáp ứng hạn chế do nhu cầu sưởi ấm và làm mát (ví dụ: hàng dệt được kiểm soát nhiệt độ) hoặc khó tạo ra các mẫu dệt kim và dệt phức tạp có thể được lập trình để tạo ra các biến dạng và chuyển động mong muốn .Các ví dụ bao gồm mở rộng xuyên tâm, chuyển đổi hình dạng 2D sang 3D hoặc mở rộng hai chiều mà chúng tôi cung cấp ở đây.
Để khắc phục những vấn đề nêu trên, bài viết này trình bày một loại vải dệt thông minh chạy bằng chất lỏng mới được làm từ sợi cơ nhân tạo mềm (AMF)49,50,51 mới được giới thiệu gần đây của chúng tôi.AMF rất linh hoạt, có thể mở rộng và có thể giảm xuống đường kính 0,8 mm và chiều dài lớn (ít nhất 5000 mm), mang lại tỷ lệ khung hình cao (chiều dài trên đường kính) cũng như độ giãn dài cao (ít nhất 245%), năng lượng cao hiệu quả, đáp ứng nhanh dưới 20Hz).Để tạo ra loại vải dệt thông minh, chúng tôi sử dụng AMF làm sợi hoạt tính để hình thành các lớp cơ hoạt động 2D thông qua kỹ thuật đan và dệt.Chúng tôi đã nghiên cứu định lượng tốc độ giãn nở và lực co rút của các mô “thông minh” này về thể tích chất lỏng và áp suất được cung cấp.Các mô hình phân tích đã được phát triển để thiết lập mối quan hệ lực kéo dài cho các tấm dệt kim và dệt thoi.Chúng tôi cũng mô tả một số kỹ thuật lập trình cơ học cho hàng dệt thông minh dành cho chuyển động đa phương thức, bao gồm kéo dài hai chiều, uốn cong, mở rộng hướng tâm và khả năng chuyển đổi từ 2D sang 3D.Để chứng minh sức mạnh trong phương pháp tiếp cận của mình, chúng tôi cũng sẽ tích hợp AMF vào vải hoặc hàng dệt thương mại để thay đổi cấu hình của chúng từ cấu trúc thụ động sang cấu trúc chủ động gây ra nhiều biến dạng khác nhau.Chúng tôi cũng đã chứng minh khái niệm này trên một số bàn thử nghiệm, bao gồm việc lập trình uốn các sợi chỉ để tạo ra các chữ cái mong muốn và chuyển đổi cấu trúc sinh học thành hình dạng của các vật thể như bướm, cấu trúc bốn chân và hoa.
Dệt may là các cấu trúc hai chiều linh hoạt được hình thành từ các sợi một chiều đan xen như sợi, chỉ và sợi.Dệt may là một trong những công nghệ lâu đời nhất của nhân loại và được sử dụng rộng rãi trong mọi khía cạnh của cuộc sống nhờ sự thoải mái, khả năng thích ứng, thoáng khí, tính thẩm mỹ và khả năng bảo vệ.Vải dệt thông minh (còn được gọi là quần áo thông minh hoặc vải robot) đang ngày càng được sử dụng nhiều trong nghiên cứu do tiềm năng to lớn của chúng trong các ứng dụng robot20,52.Dệt may thông minh hứa hẹn sẽ cải thiện trải nghiệm của con người khi tương tác với các vật thể mềm, mở ra một sự thay đổi mô hình trong lĩnh vực mà chuyển động và lực của vải mỏng, linh hoạt có thể được kiểm soát để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.Trong bài viết này, chúng tôi khám phá hai cách tiếp cận để sản xuất hàng dệt thông minh dựa trên AMF49 gần đây của chúng tôi: (1) sử dụng AMF làm sợi hoạt tính để tạo ra hàng dệt thông minh bằng công nghệ sản xuất dệt truyền thống;(2) chèn AMF trực tiếp vào các loại vải truyền thống để kích thích chuyển động và biến dạng mong muốn.
AMF bao gồm một ống silicon bên trong để cung cấp năng lượng thủy lực và một cuộn dây xoắn ốc bên ngoài để hạn chế sự giãn nở xuyên tâm của nó.Do đó, AMF kéo dài theo chiều dọc khi áp lực được tác dụng và sau đó thể hiện lực co bóp để trở về chiều dài ban đầu khi áp suất được giải phóng.Chúng có các đặc tính tương tự như sợi truyền thống, bao gồm tính linh hoạt, đường kính nhỏ và chiều dài dài.Tuy nhiên, AMF chủ động và được kiểm soát nhiều hơn về chuyển động và sức mạnh so với các đối tác thông thường.Lấy cảm hứng từ những tiến bộ nhanh chóng gần đây trong lĩnh vực dệt may thông minh, ở đây chúng tôi trình bày bốn phương pháp chính để sản xuất hàng dệt thông minh bằng cách áp dụng AMF vào công nghệ sản xuất vải lâu đời (Hình 1).
Cách đầu tiên là dệt.Chúng tôi sử dụng công nghệ dệt kim ngang để sản xuất vải dệt kim phản ứng có thể bung ra theo một hướng khi được kích hoạt bằng thủy lực.Tấm dệt kim rất co giãn và co giãn nhưng có xu hướng dễ bong ra hơn so với tấm dệt.Tùy thuộc vào phương pháp kiểm soát, AMF có thể tạo thành các hàng riêng lẻ hoặc sản phẩm hoàn chỉnh.Ngoài các tấm phẳng, các mẫu đan hình ống cũng thích hợp để sản xuất các cấu trúc rỗng AMF.Phương pháp thứ hai là dệt, trong đó chúng tôi sử dụng hai AMF làm sợi dọc và sợi ngang để tạo thành một tấm dệt hình chữ nhật có thể mở rộng độc lập theo hai hướng.Tấm dệt cung cấp nhiều khả năng kiểm soát hơn (theo cả hai hướng) so với tấm dệt kim.Chúng tôi cũng dệt AMF từ sợi truyền thống để tạo ra một tấm vải dệt đơn giản hơn mà chỉ có thể tháo ra theo một hướng.Phương pháp thứ ba – mở rộng hướng tâm – là một biến thể của kỹ thuật dệt, trong đó các AMP không được đặt ở dạng hình chữ nhật mà ở dạng xoắn ốc và các sợi tạo ra giới hạn hướng tâm.Trong trường hợp này, dây bện giãn nở theo hướng tỏa tròn dưới áp suất đầu vào.Cách tiếp cận thứ tư là dán AMF lên một tấm vải thụ động để tạo ra chuyển động uốn theo hướng mong muốn.Chúng tôi đã cấu hình lại bảng đột phá thụ động thành bảng đột phá chủ động bằng cách chạy AMF quanh cạnh của nó.Bản chất có thể lập trình này của AMF mở ra vô số khả năng cho các cấu trúc mềm biến đổi hình dạng lấy cảm hứng từ sinh học, nơi chúng ta có thể biến các vật thể thụ động thành vật thể chủ động.Phương pháp này đơn giản, dễ dàng và nhanh chóng nhưng có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của nguyên mẫu.Người đọc được tham khảo các phương pháp tiếp cận khác trong tài liệu nêu chi tiết điểm mạnh và điểm yếu của từng đặc tính mô21,33,34,35.
Hầu hết các sợi hoặc sợi được sử dụng để sản xuất vải truyền thống đều có cấu trúc thụ động.Trong công việc này, chúng tôi sử dụng AMF đã phát triển trước đây, có thể đạt chiều dài mét và đường kính dưới milimet, để thay thế sợi dệt thụ động truyền thống bằng AFM nhằm tạo ra các loại vải thông minh và chủ động cho nhiều ứng dụng hơn.Các phần sau đây mô tả các phương pháp chi tiết để tạo nguyên mẫu dệt thông minh cũng như trình bày các chức năng và hoạt động chính của chúng.
Chúng tôi đã làm thủ công ba chiếc áo jersey AMF bằng kỹ thuật đan sợi ngang (Hình 2A).Lựa chọn vật liệu và thông số kỹ thuật chi tiết cho AMF và nguyên mẫu có thể được tìm thấy trong phần Phương pháp.Mỗi AMF đi theo một đường quanh co (còn gọi là tuyến đường) tạo thành một vòng đối xứng.Các vòng của mỗi hàng được cố định bằng các vòng của các hàng phía trên và phía dưới chúng.Các vòng của một cột vuông góc với đường đi được kết hợp thành một trục.Nguyên mẫu dệt kim của chúng tôi bao gồm ba hàng bảy mũi khâu (hoặc bảy mũi khâu) trong mỗi hàng.Vòng trên và vòng dưới không cố định nên chúng ta có thể gắn chúng vào các thanh kim loại tương ứng.Các nguyên mẫu dệt kim dễ dàng tách ra hơn so với vải dệt kim thông thường do độ cứng của AMF cao hơn so với sợi thông thường.Vì vậy, chúng tôi buộc các vòng của các hàng liền kề bằng dây thun mỏng.
Nhiều nguyên mẫu dệt thông minh khác nhau đang được triển khai với các cấu hình AMF khác nhau.(A) Tấm vải dệt kim được làm từ ba AMF.(B) Tấm dệt hai chiều gồm hai AMF.(C) Một tấm dệt một chiều được làm từ AMF và sợi acrylic có thể chịu tải trọng 500g, gấp 192 lần trọng lượng của nó (2,6g).(D) Cấu trúc mở rộng hướng tâm với một AMF và sợi bông làm giới hạn hướng tâm.Thông số kỹ thuật chi tiết có thể được tìm thấy trong phần Phương pháp.
Mặc dù các vòng dệt ngoằn ngoèo có thể giãn ra theo các hướng khác nhau, nhưng nguyên mẫu dệt kim của chúng tôi giãn nở chủ yếu theo hướng của vòng sợi dưới áp lực do những hạn chế về hướng di chuyển.Việc kéo dài mỗi AMF góp phần mở rộng tổng diện tích của tấm dệt kim.Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể, chúng ta có thể điều khiển ba AMF độc lập từ ba nguồn chất lỏng khác nhau (Hình 2A) hoặc đồng thời từ một nguồn chất lỏng thông qua bộ phân phối chất lỏng 1 đến 3.Trên hình.Hình 2A hiển thị ví dụ về nguyên mẫu dệt kim, diện tích ban đầu tăng 35% khi tạo áp lực lên ba AMP (1,2 MPa).Đáng chú ý, AMF đạt được độ giãn dài cao ít nhất 250% chiều dài ban đầu49 nên các tấm dệt kim thậm chí có thể giãn ra nhiều hơn các phiên bản hiện tại.
Chúng tôi cũng tạo ra các tấm dệt hai chiều được hình thành từ hai AMF bằng kỹ thuật dệt trơn (Hình 2B).Sợi dọc và sợi ngang AMF được đan xen vuông góc, tạo thành một kiểu đan chéo đơn giản.Kiểu dệt nguyên mẫu của chúng tôi được phân loại là kiểu dệt trơn cân bằng vì cả sợi dọc và sợi ngang đều được làm từ cùng một cỡ sợi (xem phần Phương pháp để biết chi tiết).Không giống như các sợi thông thường có thể tạo thành các nếp gấp sắc nét, AMF được áp dụng yêu cầu bán kính uốn nhất định khi quay trở lại sợi khác của mẫu dệt.Do đó, các tấm dệt làm từ AMP có mật độ thấp hơn so với các loại vải dệt thoi thông thường.AMF loại S (đường kính ngoài 1,49 mm) có bán kính uốn tối thiểu 1,5 mm.Ví dụ: kiểu dệt nguyên mẫu mà chúng tôi trình bày trong bài viết này có mẫu sợi 7×7 trong đó mỗi giao điểm được cố định bằng một nút dây đàn hồi mỏng.Sử dụng cùng một kỹ thuật dệt, bạn có thể có được nhiều sợi hơn.
Khi AMF tương ứng nhận được áp suất chất lỏng, tấm dệt sẽ mở rộng diện tích của nó theo hướng dọc hoặc ngang.Do đó, chúng tôi đã kiểm soát kích thước của tấm bện (chiều dài và chiều rộng) bằng cách thay đổi độc lập lượng áp suất đầu vào áp dụng cho hai AMP.Trên hình.Hình 2B thể hiện một nguyên mẫu dệt đã mở rộng tới 44% diện tích ban đầu trong khi tạo áp lực lên một AMP (1,3 MPa).Với tác động đồng thời của áp lực lên hai AMF, diện tích tăng 108%.
Chúng tôi cũng đã tạo ra một tấm vải dệt một chiều từ một AMF duy nhất với sợi dọc và sợi acrylic làm sợi ngang (Hình 2C).Các AMF được sắp xếp thành bảy hàng ngoằn ngoèo và các sợi dệt các hàng AMF này lại với nhau để tạo thành một tấm vải hình chữ nhật.Nguyên mẫu dệt này dày đặc hơn trong Hình 2B, nhờ các sợi acrylic mềm dễ dàng lấp đầy toàn bộ tấm vải.Bởi vì chúng tôi chỉ sử dụng một AMF làm sợi dọc nên tấm dệt chỉ có thể giãn nở về phía sợi dọc dưới áp lực.Hình 2C cho thấy một ví dụ về nguyên mẫu dệt có diện tích ban đầu tăng 65% khi áp suất tăng dần (1,3 MPa).Ngoài ra, mảnh bện này (nặng 2,6 gam) có thể nâng được vật nặng 500 gam, gấp 192 lần khối lượng của nó.
Thay vì sắp xếp AMF theo hình zíc zắc để tạo ra tấm dệt hình chữ nhật, chúng tôi đã chế tạo AMF dạng xoắn ốc phẳng, sau đó được ép hướng tâm bằng sợi bông để tạo ra tấm dệt tròn (Hình 2D).Độ cứng cao của AMF hạn chế khả năng lấp đầy khu vực trung tâm của tấm.Tuy nhiên, lớp đệm này có thể được làm từ sợi co giãn hoặc vải co giãn.Khi nhận được áp suất thủy lực, AMP chuyển đổi độ giãn dài theo chiều dọc của nó thành sự giãn nở xuyên tâm của tấm.Cũng cần lưu ý rằng cả đường kính ngoài và đường kính trong của hình xoắn ốc đều tăng do giới hạn hướng tâm của các sợi.Hình 2D cho thấy rằng với áp suất thủy lực tác dụng là 1 MPa, hình dạng của tấm tròn sẽ mở rộng tới 25% diện tích ban đầu của nó.
Ở đây, chúng tôi trình bày cách tiếp cận thứ hai để tạo ra hàng dệt thông minh, trong đó chúng tôi dán AMF vào một mảnh vải phẳng và cấu hình lại nó từ cấu trúc thụ động sang cấu trúc được kiểm soát chủ động.Sơ đồ thiết kế của bộ truyền động uốn được thể hiện trên hình.3A, trong đó AMP được gấp xuống ở giữa và dán vào một dải vải không co giãn (vải cotton muslin) bằng băng dính hai mặt làm chất kết dính.Sau khi bịt kín, phần trên của AMF có thể tự do mở rộng, trong khi phần dưới bị giới hạn bởi băng và vải, khiến dải này uốn cong về phía vải.Chúng ta có thể vô hiệu hóa bất kỳ bộ phận nào của bộ truyền động uốn cong ở bất kỳ đâu bằng cách dán một dải băng dính lên đó.Phân đoạn bị vô hiệu hóa không thể di chuyển và trở thành phân đoạn thụ động.
Vải được cấu hình lại bằng cách dán AMF lên vải truyền thống.(A) Ý tưởng thiết kế cho bộ truyền động uốn được chế tạo bằng cách dán AMF đã gấp lại lên một loại vải không co giãn được.(B) Uốn nguyên mẫu thiết bị truyền động.(C) Cấu hình lại tấm vải hình chữ nhật thành một robot bốn chân đang hoạt động.Vải không co giãn: áo cotton.Vải co giãn: polyester.Thông số kỹ thuật chi tiết có thể được tìm thấy trong phần Phương pháp.
Chúng tôi đã chế tạo một số bộ truyền động uốn nguyên mẫu có chiều dài khác nhau và tạo áp suất cho chúng bằng thủy lực để tạo ra chuyển động uốn (Hình 3B).Điều quan trọng là AMF có thể được bố trí theo đường thẳng hoặc gấp lại để tạo thành nhiều sợi rồi dán vào vải để tạo thành bộ truyền động uốn với số lượng sợi thích hợp.Chúng tôi cũng đã chuyển đổi tấm khăn giấy thụ động thành cấu trúc tứ giác hoạt động (Hình 3C), trong đó chúng tôi sử dụng AMF để định tuyến các đường viền của khăn giấy không thể co giãn hình chữ nhật (vải cotton muslin).AMP được gắn vào vải bằng một miếng băng dính hai mặt.Phần giữa của mỗi cạnh được dán để trở nên thụ động, trong khi bốn góc vẫn hoạt động.Lớp phủ vải co giãn (polyester) là tùy chọn.Bốn góc vải uốn cong (trông giống như chân) khi ấn vào.
Chúng tôi đã xây dựng một băng ghế thử nghiệm để nghiên cứu định lượng các đặc tính của vật liệu dệt thông minh đã phát triển (xem phần Phương pháp và Hình bổ sung S1).Vì tất cả các mẫu đều được làm bằng AMF nên xu hướng chung của kết quả thí nghiệm (Hình 4) phù hợp với các đặc điểm chính của AMF, cụ thể là áp suất đầu vào tỷ lệ thuận với độ giãn dài đầu ra và tỷ lệ nghịch với lực nén.Tuy nhiên, những loại vải thông minh này có những đặc điểm riêng phản ánh cấu hình cụ thể của chúng.
Tính năng cấu hình dệt thông minh.(A, B) Đường cong trễ cho áp suất đầu vào, độ giãn dài đầu ra và lực đối với các tấm dệt.(C) Mở rộng diện tích của tấm dệt.(D,E) Mối quan hệ giữa áp suất đầu vào và độ giãn dài đầu ra và lực đối với hàng dệt kim.(F) Mở rộng diện tích của các cấu trúc mở rộng xuyên tâm.(G) Góc uốn của ba bộ truyền động uốn có chiều dài khác nhau.
Mỗi AMF của tấm dệt phải chịu áp suất đầu vào 1 MPa để tạo ra độ giãn dài khoảng 30% (Hình 4A).Chúng tôi đã chọn ngưỡng này cho toàn bộ thử nghiệm vì một số lý do: (1) để tạo ra độ giãn dài đáng kể (khoảng 30%) để nhấn mạnh các đường cong trễ của chúng, (2) để ngăn việc quay vòng từ các thử nghiệm khác nhau và các nguyên mẫu có thể tái sử dụng dẫn đến hư hỏng hoặc hỏng hóc do tai nạn..dưới áp suất chất lỏng cao.Vùng chết có thể nhìn thấy rõ ràng và dây bện vẫn bất động cho đến khi áp suất đầu vào đạt 0,3 MPa.Biểu đồ độ trễ kéo dài áp suất cho thấy một khoảng cách lớn giữa giai đoạn bơm và giai đoạn giải phóng, cho thấy rằng có sự thất thoát năng lượng đáng kể khi tấm dệt thay đổi chuyển động từ giãn nở sang co lại.(Hình 4A).Sau khi đạt được áp suất đầu vào là 1 MPa, tấm dệt có thể tạo ra lực co 5,6 N (Hình 4B).Đồ thị độ trễ lực-áp suất cũng cho thấy đường cong thiết lập lại gần như trùng với đường cong tích tụ áp suất.Sự mở rộng diện tích của tấm dệt phụ thuộc vào lượng áp suất tác dụng lên từng AMF, như thể hiện trong sơ đồ bề mặt 3D (Hình 4C).Các thí nghiệm cũng cho thấy một tấm dệt có thể tạo ra sự giãn nở diện tích lên tới 66% khi các AMF dọc và ngang của nó đồng thời chịu áp suất thủy lực 1 MPa.
Các kết quả thử nghiệm đối với tấm dệt kim cho thấy mô hình tương tự như tấm dệt, bao gồm khoảng trễ rộng trong biểu đồ lực căng-áp suất và các đường cong áp suất-lực chồng chéo.Tấm dệt kim có độ giãn dài là 30%, sau đó lực nén là 9 N ở áp suất đầu vào là 1 MPa (Hình 4D, E).
Trong trường hợp tấm dệt tròn, diện tích ban đầu của nó tăng 25% so với diện tích ban đầu sau khi tiếp xúc với áp suất chất lỏng 1 MPa (Hình 4F).Trước khi mẫu bắt đầu giãn nở, có vùng chết áp suất đầu vào lớn lên tới 0,7 MPa.Vùng chết lớn này được mong đợi vì các mẫu được tạo ra từ các AMF lớn hơn, đòi hỏi áp suất cao hơn để vượt qua ứng suất ban đầu của chúng.Trên hình.4F cũng cho thấy đường cong giải phóng gần như trùng khớp với đường cong tăng áp suất, cho thấy ít mất năng lượng khi chuyển động của đĩa.
Kết quả thử nghiệm đối với ba bộ truyền động uốn (cấu hình lại mô) cho thấy các đường cong trễ của chúng có kiểu tương tự (Hình 4G), trong đó chúng trải qua vùng chết áp suất đầu vào lên tới 0,2 MPa trước khi nâng.Chúng tôi áp dụng cùng một thể tích chất lỏng (0,035 ml) cho ba bộ truyền động uốn (L20, L30 và L50 mm).Tuy nhiên, mỗi bộ truyền động đều trải qua các đỉnh áp suất khác nhau và phát triển các góc uốn khác nhau.Bộ truyền động L20 và L30 mm có áp suất đầu vào là 0,72 và 0,67 MPa, đạt góc uốn lần lượt là 167° và 194°.Bộ truyền động uốn dài nhất (dài 50 mm) chịu được áp suất 0,61 MPa và đạt góc uốn tối đa là 236°.Đồ thị độ trễ góc áp suất cũng cho thấy khoảng cách tương đối lớn giữa đường cong điều áp và đường cong giải phóng cho cả ba bộ truyền động uốn.
Có thể tìm thấy mối quan hệ giữa khối lượng đầu vào và các đặc tính đầu ra (độ giãn dài, lực, độ giãn nở diện tích, góc uốn) đối với các cấu hình dệt thông minh ở trên trong Hình bổ sung S2.
Các kết quả thử nghiệm ở phần trước chứng minh rõ ràng mối quan hệ tỷ lệ giữa áp suất đầu vào được áp dụng và độ giãn dài đầu ra của mẫu AMF.AMB bị căng càng mạnh thì độ giãn dài càng phát triển và năng lượng đàn hồi tích lũy càng nhiều.Vì thế lực nén nó tác dụng càng lớn.Kết quả cũng cho thấy mẫu thử đạt lực nén tối đa khi loại bỏ hoàn toàn áp suất đầu vào.Phần này nhằm mục đích thiết lập mối quan hệ trực tiếp giữa độ giãn dài và lực co rút tối đa của các tấm dệt kim và dệt thoi thông qua mô hình phân tích và xác minh thực nghiệm.
Lực co bóp tối đa Fout (ở áp suất đầu vào P = 0) của một AMF duy nhất được đưa ra trong tài liệu tham khảo 49 và được giới thiệu lại như sau:
Trong số đó, α, E và A0 lần lượt là hệ số giãn nở, mô đun Young và diện tích mặt cắt ngang của ống silicon;k là hệ số độ cứng của cuộn xoắn ốc;x và li là offset và độ dài ban đầu.AMP tương ứng.
phương trình đúng.(1) Lấy tấm dệt kim và dệt thoi làm ví dụ (Hình 5A, B).Lực co của sản phẩm dệt kim Fkv và sản phẩm dệt thoi Fwh lần lượt được biểu thị bằng phương trình (2) và (3).
trong đó mk là số vòng, φp là góc vòng của vải dệt kim trong quá trình ép phun (Hình 5A), mh là số lượng sợi, θhp là góc tiếp xúc của vải dệt kim trong quá trình ép phun (Hình 5B), εkv εwh là tấm dệt kim và độ biến dạng của tấm dệt, F0 là lực căng ban đầu của cuộn dây xoắn ốc.Đạo hàm chi tiết của phương trình.(2) và (3) có thể được tìm thấy trong thông tin hỗ trợ.
Tạo một mô hình phân tích cho mối quan hệ độ giãn dài-lực.(A,B) Minh họa mô hình phân tích tương ứng cho các tấm dệt kim và dệt thoi.(C,D) So sánh các mô hình phân tích và dữ liệu thực nghiệm cho các tấm dệt kim và dệt thoi.RMSE Căn bậc hai lỗi bình phương.
Để kiểm tra mô hình đã phát triển, chúng tôi đã thực hiện các thí nghiệm kéo dài bằng cách sử dụng các mẫu dệt kim trong Hình 2A và các mẫu bện trong Hình 2B.Lực co được đo theo mức tăng 5% cho mỗi phần mở rộng bị khóa từ 0% đến 50%.Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của năm thử nghiệm được trình bày trong Hình 5C (đan) và Hình 5D (đan).Các đường cong của mô hình phân tích được mô tả bằng các phương trình.Các thông số (2) và (3) được cho trong Bảng.1. Kết quả cho thấy mô hình phân tích phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm trên toàn bộ phạm vi độ giãn dài với sai số bình phương trung bình gốc (RMSE) là 0,34 N đối với hàng dệt kim, 0,21 N đối với vải dệt thoi AMF H (hướng ngang) và 0,17 N cho AMF dệt.V (hướng dọc).
Ngoài các chuyển động cơ bản, vật liệu dệt thông minh được đề xuất có thể được lập trình cơ học để cung cấp các chuyển động phức tạp hơn như uốn cong chữ S, co xuyên tâm và biến dạng 2D đến 3D.Chúng tôi trình bày ở đây một số phương pháp để lập trình các loại vải dệt thông minh phẳng thành các cấu trúc mong muốn.
Ngoài việc mở rộng miền theo hướng tuyến tính, các tấm dệt một chiều có thể được lập trình cơ học để tạo ra chuyển động đa phương thức (Hình 6A).Chúng tôi định cấu hình lại phần mở rộng của tấm bện như một chuyển động uốn, hạn chế một trong các mặt của nó (trên hoặc dưới) bằng chỉ khâu.Các tấm có xu hướng uốn cong về phía bề mặt giới hạn dưới áp lực.Trên hình.6A thể hiện hai ví dụ về tấm dệt có hình chữ S khi một nửa bị chật ở mặt trên và nửa còn lại bị chật ở mặt dưới.Ngoài ra, bạn có thể tạo chuyển động uốn tròn trong đó chỉ hạn chế toàn bộ khuôn mặt.Một tấm bện đơn hướng cũng có thể được chế tạo thành ống bọc nén bằng cách nối hai đầu của nó thành cấu trúc hình ống (Hình 6B).Tay áo được đeo trên ngón trỏ của một người để tạo lực nén, một hình thức trị liệu xoa bóp để giảm đau hoặc cải thiện tuần hoàn.Nó có thể được thu nhỏ để phù hợp với các bộ phận cơ thể khác như cánh tay, hông và chân.
Khả năng dệt tấm theo một hướng.(A) Tạo ra các cấu trúc có thể biến dạng do khả năng lập trình hình dạng của chỉ may.(B) Ống bọc nén ngón tay.(C) Một phiên bản khác của tấm bện và cách sử dụng nó như một ống bọc cẳng tay.(D) Một nguyên mẫu ống bọc nén khác được làm từ AMF loại M, sợi acrylic và dây đai Velcro.Thông số kỹ thuật chi tiết có thể được tìm thấy trong phần Phương pháp.
Hình 6C thể hiện một ví dụ khác về tấm dệt một chiều được làm từ sợi AMF và sợi bông.Tấm có thể giãn nở thêm 45% diện tích (ở mức 1,2 MPa) hoặc gây ra chuyển động tròn dưới áp lực.Chúng tôi cũng đã kết hợp một tấm vải để tạo ra ống bọc cẳng tay bằng cách gắn dây đai từ tính vào cuối tấm vải.Một ống bọc cẳng tay nguyên mẫu khác được hiển thị trong Hình 6D, trong đó các tấm bện một chiều được làm từ AMF Loại M (xem Phương pháp) và sợi acrylic để tạo ra lực nén mạnh hơn.Chúng tôi đã trang bị dây đai Velcro ở các đầu của tờ giấy để dễ dàng gắn vào và phù hợp với các kích cỡ bàn tay khác nhau.
Kỹ thuật hạn chế, chuyển đổi độ giãn tuyến tính thành chuyển động uốn, cũng có thể áp dụng cho các tấm dệt hai chiều.Chúng tôi dệt các sợi bông ở một mặt của tấm dệt dọc và sợi ngang để chúng không bị giãn ra (Hình 7A).Do đó, khi hai AMF nhận áp suất thủy lực độc lập với nhau, tấm trải qua chuyển động uốn hai chiều để tạo thành cấu trúc ba chiều tùy ý.Theo một cách tiếp cận khác, chúng tôi sử dụng sợi không giãn để hạn chế một hướng của tấm dệt hai chiều (Hình 7B).Do đó, tấm có thể thực hiện các chuyển động uốn và kéo dãn độc lập khi AMF tương ứng chịu áp lực.Trên hình.7B thể hiện một ví dụ trong đó tấm bện hai chiều được điều khiển để quấn quanh 2/3 ngón tay người bằng chuyển động uốn cong và sau đó kéo dài chiều dài của nó để bao phủ phần còn lại bằng chuyển động kéo dài.Chuyển động hai chiều của tấm vải có thể hữu ích cho việc thiết kế thời trang hoặc phát triển quần áo thông minh.
Tấm dệt hai chiều, tấm dệt kim và khả năng thiết kế có thể mở rộng theo hướng tỏa tròn.(A) Các tấm đan lát hai chiều được liên kết hai chiều để tạo ra sự uốn cong hai chiều.(B) Các tấm đan lát hai chiều bị ràng buộc một chiều tạo ra độ uốn và độ giãn dài.(C) Tấm dệt kim có độ đàn hồi cao, có thể phù hợp với các độ cong bề mặt khác nhau và thậm chí tạo thành các cấu trúc hình ống.(D) ranh giới đường tâm của cấu trúc mở rộng hướng tâm tạo thành hình parabol hyperbol (khoai tây chiên).
Chúng tôi nối hai vòng liền kề của hàng trên và hàng dưới của phần dệt kim bằng chỉ khâu để nó không bị bung ra (Hình 7C).Do đó, tấm dệt hoàn toàn linh hoạt và thích ứng tốt với các đường cong bề mặt khác nhau, chẳng hạn như bề mặt da của bàn tay và cánh tay con người.Chúng tôi cũng tạo ra cấu trúc hình ống (tay áo) bằng cách nối các đầu của phần dệt kim theo hướng di chuyển.Tay áo quấn vừa vặn quanh ngón trỏ của người đó (Hình 7C).Độ gợn sóng của vải dệt mang lại sự vừa vặn và khả năng biến dạng tuyệt vời, giúp bạn dễ dàng sử dụng trong trang phục thông minh (găng tay, ống tay nén), mang lại sự thoải mái (thông qua độ vừa vặn) và hiệu quả điều trị (thông qua khả năng nén).
Ngoài khả năng mở rộng xuyên tâm 2D theo nhiều hướng, các tấm dệt tròn cũng có thể được lập trình để tạo thành các cấu trúc 3D.Chúng tôi giới hạn đường tâm của bím tóc tròn bằng sợi acrylic để phá vỡ sự giãn nở xuyên tâm đồng đều của nó.Kết quả là, hình dạng phẳng ban đầu của tấm dệt tròn đã được chuyển thành hình parabol hyperbol (hoặc khoai tây chiên) sau khi điều áp (Hình 7D).Khả năng thay đổi hình dạng này có thể được triển khai dưới dạng cơ cấu nâng, ống kính quang học, chân robot di động hoặc có thể hữu ích trong thiết kế thời trang và robot sinh học.
Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật đơn giản để tạo ra bộ truyền động uốn bằng cách dán AMF lên một dải vải không co giãn (Hình 3).Chúng tôi sử dụng khái niệm này để tạo các luồng lập trình hình dạng, nơi chúng tôi có thể phân phối một cách chiến lược nhiều phần chủ động và thụ động trong một AMF để tạo ra các hình dạng mong muốn.Chúng tôi đã chế tạo và lập trình bốn sợi hoạt động có thể thay đổi hình dạng từ thẳng sang chữ cái (UNSW) khi áp suất tăng lên (Hình bổ sung S4).Phương pháp đơn giản này cho phép khả năng biến dạng của AMF biến các đường 1D thành hình dạng 2D và thậm chí có thể là cấu trúc 3D.
Theo cách tiếp cận tương tự, chúng tôi đã sử dụng một AMF duy nhất để cấu hình lại một mảnh mô bình thường thụ động thành một tứ giác hoạt động (Hình 8).Các khái niệm định tuyến và lập trình tương tự như trong Hình 3C.Tuy nhiên, thay vì các tấm trải giường hình chữ nhật, họ bắt đầu sử dụng các loại vải có hoa văn bốn chân (rùa, vải muslin cotton).Do đó, chân dài hơn và kết cấu có thể được nâng lên cao hơn.Chiều cao của cấu trúc tăng dần dưới áp lực cho đến khi các chân của nó vuông góc với mặt đất.Nếu áp suất đầu vào tiếp tục tăng, các chân sẽ bị võng vào trong, làm giảm chiều cao của kết cấu.Động vật bốn chân có thể thực hiện vận động nếu chân của chúng được trang bị các mô hình đơn hướng hoặc sử dụng nhiều AMF với các chiến lược thao tác chuyển động.Robot vận động mềm cần thiết cho nhiều nhiệm vụ khác nhau, bao gồm cứu hộ khỏi cháy rừng, tòa nhà bị sập hoặc môi trường nguy hiểm và robot vận chuyển thuốc y tế.
Vải được cấu hình lại để tạo ra các cấu trúc có thể thay đổi hình dạng.(A) Dán AMF vào viền của tấm vải thụ động, biến nó thành một cấu trúc bốn chân có thể ổn định được.(BD) Hai ví dụ khác về tái cấu trúc mô, biến bướm và hoa thụ động thành hoạt động.Vải không co giãn: vải muslin cotton trơn.
Chúng tôi cũng tận dụng tính đơn giản và tính linh hoạt của kỹ thuật tái cấu hình mô này bằng cách giới thiệu hai cấu trúc lấy cảm hứng sinh học bổ sung để định hình lại (Hình 8B-D).Với AMF có thể định tuyến, các cấu trúc có thể biến dạng được này được cấu hình lại từ các tấm mô thụ động đến các cấu trúc chủ động và có thể ổn định được.Lấy cảm hứng từ loài bướm vua, chúng tôi đã tạo ra một cấu trúc bướm biến hình bằng cách sử dụng một mảnh vải hình con bướm (cotton muslin) và một mảnh AMF dài dán dưới cánh của nó.Khi AMF chịu áp lực, cánh sẽ gập lại.Giống như Bướm chúa, cánh trái và cánh phải của Robot bướm vỗ giống nhau vì cả hai đều được điều khiển bởi AMF.Cánh bướm chỉ nhằm mục đích trưng bày.Nó không thể bay như Smart Bird (Festo Corp., Mỹ).Chúng tôi cũng làm một bông hoa vải (Hình 8D) bao gồm hai lớp, mỗi lớp có năm cánh hoa.Chúng tôi đặt AMF bên dưới mỗi lớp sau mép ngoài của cánh hoa.Ban đầu, hoa nở rộ, tất cả các cánh hoa đều mở rộng.Dưới áp lực, AMF gây ra chuyển động uốn cong của cánh hoa, khiến chúng khép lại.Hai AMF điều khiển độc lập chuyển động của hai lớp, trong khi năm cánh hoa của một lớp uốn cong cùng một lúc.