Умный текстиль с использованием жидкости

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 11067 (2022) Цитировать эту статью

5391 Доступов

8 цитат

256 Альтметрика

Подробности о метриках

Соединение текстиля с искусственными мышцами для создания умного текстиля привлекает большое внимание научного сообщества и промышленности. Умный текстиль предлагает множество преимуществ, включая адаптивный комфорт и высокую степень соответствия объектам, обеспечивая при этом активное срабатывание для желаемого движения и силы. В этой статье представлен новый класс программируемого интеллектуального текстиля, созданного на основе различных методов вязания, плетения и склеивания искусственных мышечных волокон, приводимых в движение жидкостью. Разработаны математические модели для описания соотношения силы растяжения трикотажных и ткацких текстильных полотен, после чего проводятся эксперименты для проверки эффективности модели. Новый «умный текстиль» обладает высокой гибкостью, адаптируемостью и механическим программированием, что позволяет осуществлять мультимодальные движения и изменять форму для использования в более широких целях. Различные прототипы умного текстиля создаются с помощью экспериментальных проверок, включая различные случаи изменения формы, такие как удлинение (до 65%), расширение площади (108%), радиальное расширение (25%) и изгибное движение. Также исследуется концепция реконфигурации пассивных традиционных тканей в активные структуры для биологических структур, изменяющих форму. Ожидается, что предлагаемый «умный текстиль» будет способствовать развитию умных носимых устройств, тактильных систем, мягкой робототехники на основе биологии и носимой электроники.

Жесткие роботы эффективны при работе в структурированной среде, но сталкиваются с проблемами, связанными с неизвестными контекстами изменяющейся среды, что ограничивает их применение для поиска или исследования. Природа всегда удивляет нас множеством умных стратегий борьбы с внешними факторами и универсальностью. Например, усики вьющихся растений совершают мультимодальные движения, такие как изгиб и спиральное скручивание, чтобы исследовать неизвестную среду и найти подходящие опоры1. Венерина мухоловка (Dionaea muscipula) снабжена чувствительными волосками на листьях, которые при нажатии на спусковой крючок закрываются, чтобы поймать добычу2. Формоморфирование или изменение формы тел от двумерных (2D) поверхностей до трехмерных (3D) форм, имитирующих биологические структуры, в последние годы стало интересной темой исследований3,4. Эти мягкие роботизированные конфигурации меняют свою форму, чтобы адаптироваться к разным условиям окружающей среды, обеспечивают мультимодальные движения и прилагают силу для выполнения механической работы. Их возможности были расширены до широкого спектра робототехнических приложений, включая развертываемые конструкции5, реконфигурируемые и самоскладывающиеся роботы6,7, биомедицинские устройства8, средства передвижения9,10 и растягивающуюся электронику11.

Было проведено множество исследований по разработке программируемого плоского листа, который при активации трансформируется в сложную трехмерную структуру3. Простая идея создания структур, меняющих форму, состоит в том, чтобы объединить слои различных материалов, которые вызывают изгибы и морщины при срабатывании стимулов12,13. Эта концепция была реализована Джанбазом и др.14 и Ли и др.15 для создания термочувствительных мультимодальных роботов, меняющих форму. Структуры на основе оригами, объединенные с элементами, реагирующими на стимулы, использовались для создания сложных трехмерных структур16,17,18. Вдохновленные морфогенезом биологических структур, Эммануэль и др. создали эластомеры, изменяющие форму, разместив внутри резиновой поверхности воздуховоды, которые при повышении давления трансформируются в сложные произвольные трехмерные формы19.

Интеграция текстиля или тканей в трансформирующихся мягких роботах — еще один новый концептуальный проект, вызывающий повышенный интерес. Текстиль — это мягкий и гибкий материал, изготовленный из пряжи с помощью таких методов переплетения, как вязание, ткачество, плетение или завязывание узлов. Текстиль обладает удивительными характеристиками, включая гибкость, прилегаемость, растяжимость и воздухопроницаемость, что делает его чрезвычайно популярным во всех аспектах жизни, от одежды до медицинского применения20. Существует три основных подхода к включению текстиля в робототехнику21. Самый первый подход — использовать текстиль в качестве пассивной подложки или основы для размещения других компонентов. В этом случае пассивный текстиль обеспечивает удобную посадку пользователей при ношении жестких компонентов (двигателей, датчиков, источников питания). К этому подходу относится большинство мягких носимых роботов или мягких экзоскелетов. Например, мягкие носимые экзоскелеты для помощи при ходьбе22 и помощи в локтевом суставе23,24,25, мягкие носимые перчатки для поддержки рук и пальцев26 и мягкие роботы на основе биотехнологий27.