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La combinación de textiles y músculos artificiales para crear textiles inteligentes está atrayendo mucha atención tanto de la comunidad científica como de la industrial.Los textiles inteligentes ofrecen muchos beneficios, incluida la comodidad adaptativa y un alto grado de adaptación a los objetos, al tiempo que proporcionan una activación activa para el movimiento y la fuerza deseados.Este artículo presenta una nueva clase de tejidos inteligentes programables fabricados utilizando varios métodos de tejido, tejido y pegado de fibras musculares artificiales impulsadas por fluidos.Se desarrolló un modelo matemático para describir la relación entre la fuerza de alargamiento de láminas textiles tejidas y de punto, y luego se probó experimentalmente su validez.El nuevo textil "inteligente" presenta alta flexibilidad, conformidad y programación mecánica, lo que permite capacidades de movimiento y deformación multimodal para una gama más amplia de aplicaciones.Se han creado varios prototipos de textiles inteligentes mediante verificación experimental, incluidos varios casos de cambio de forma, como alargamiento (hasta un 65%), expansión de área (108%), expansión radial (25%) y movimiento de flexión.También se está explorando el concepto de reconfiguración de tejidos tradicionales pasivos en estructuras activas para dar forma a estructuras biomiméticas.Se espera que los textiles inteligentes propuestos faciliten el desarrollo de dispositivos portátiles inteligentes, sistemas hápticos, robots blandos biomiméticos y dispositivos electrónicos portátiles.
Los robots rígidos son eficaces cuando trabajan en entornos estructurados, pero tienen problemas con el contexto desconocido de los entornos cambiantes, lo que limita su uso en búsqueda o exploración.La naturaleza continúa sorprendiéndonos con muchas estrategias inventivas para hacer frente a los factores externos y la diversidad.Por ejemplo, los zarcillos de las plantas trepadoras realizan movimientos multimodales, como doblarse y girar en espiral, para explorar un entorno desconocido en busca de un soporte adecuado1.La Venus atrapamoscas (Dionaea muscipula) tiene pelos sensibles en sus hojas que, cuando se activan, se encajan para atrapar a sus presas2.En los últimos años, la deformación o deformación de cuerpos desde superficies bidimensionales (2D) a formas tridimensionales (3D) que imitan estructuras biológicas se ha convertido en un interesante tema de investigación3,4.Estas configuraciones robóticas suaves cambian de forma para adaptarse a entornos cambiantes, permiten la locomoción multimodal y aplican fuerzas para realizar trabajos mecánicos.Su alcance se ha extendido a una amplia gama de aplicaciones robóticas, incluidos los desplegables5, los robots reconfigurables y autoplegables6,7, los dispositivos biomédicos8, los vehículos9,10 y la electrónica expandible11.
Se han realizado muchas investigaciones para desarrollar placas planas programables que, cuando se activan, se transforman en estructuras tridimensionales complejas3.Una idea sencilla para crear estructuras deformables es combinar capas de diferentes materiales que se flexionan y arrugan cuando se exponen a estímulos12,13.Janbaz et al.14 y Li et al.15 han implementado este concepto para crear robots deformables multimodales sensibles al calor.Se han utilizado estructuras basadas en origami que incorporan elementos que responden a estímulos para crear estructuras tridimensionales complejas16,17,18.Inspirándose en la morfogénesis de estructuras biológicas, Emmanuel et al.Los elastómeros deformables se crean organizando canales de aire dentro de una superficie de caucho que, bajo presión, se transforman en formas tridimensionales complejas y arbitrarias.
La integración de textiles o tejidos en robots blandos deformables es otro proyecto de nuevo concepto que ha generado un gran interés.Los textiles son materiales suaves y elásticos hechos de hilo mediante técnicas de tejido como tejido, tejido, trenzado o tejido de nudos.Las sorprendentes propiedades de los tejidos, incluida la flexibilidad, el ajuste, la elasticidad y la transpirabilidad, los hacen muy populares en todo tipo de aplicaciones, desde prendas de vestir hasta aplicaciones médicas20.Existen tres enfoques generales para incorporar textiles a la robótica21.El primer enfoque es utilizar el textil como respaldo pasivo o base para otros componentes.En este caso, los textiles pasivos proporcionan un ajuste cómodo al usuario cuando transporta componentes rígidos (motores, sensores, fuente de alimentación).La mayoría de los robots portátiles blandos o exoesqueletos blandos se incluyen en este enfoque.Por ejemplo, exoesqueletos blandos portátiles para ayudas para caminar 22 y coderas 23, 24, 25, guantes blandos portátiles 26 para ayudas para manos y dedos, y robots blandos biónicos 27.
El segundo enfoque consiste en utilizar textiles como componentes pasivos y limitados de dispositivos robóticos blandos.Los actuadores textiles entran en esta categoría, donde la tela generalmente se construye como un contenedor exterior para contener la manguera o cámara interior, formando un actuador reforzado con fibra suave.Cuando se someten a una fuente neumática o hidráulica externa, estos actuadores blandos sufren cambios de forma, incluidos alargamiento, flexión o torsión, según su composición y configuración originales.Por ejemplo, Talman et al.Se ha introducido una tobillera ortopédica, compuesta por una serie de bolsillos de tela, para facilitar la flexión plantar y restablecer la marcha28.Se pueden combinar capas textiles con diferente extensibilidad para crear un movimiento anisotrópico 29 .OmniSkins: pieles robóticas suaves hechas de una variedad de actuadores blandos y materiales de sustrato pueden transformar objetos pasivos en robots activos multifuncionales que pueden realizar movimientos y deformaciones multimodales para diversas aplicaciones.Zhu et al.han desarrollado una lámina muscular de tejido líquido31 que puede generar movimientos de elongación, flexión y diversos movimientos de deformación.Buckner et al.Integre fibras funcionales en tejidos convencionales para crear tejidos robóticos con múltiples funciones, como actuación, detección y rigidez variable32.Otros métodos en esta categoría se pueden encontrar en estos artículos 21, 33, 34, 35.
Un enfoque reciente para aprovechar las propiedades superiores de los textiles en el campo de la robótica blanda es utilizar filamentos reactivos o que responden a estímulos para crear textiles inteligentes utilizando métodos tradicionales de fabricación textil, como tejer, tejer y tejer21,36,37.Dependiendo de la composición del material, el hilo reactivo provoca un cambio de forma cuando se somete a una acción eléctrica, térmica o de presión, lo que provoca la deformación del tejido.En este enfoque, donde los textiles tradicionales se integran en un sistema robótico suave, la remodelación del textil ocurre en la capa interna (hilo) en lugar de en la capa externa.Como tal, los textiles inteligentes ofrecen un excelente manejo en términos de movimiento multimodal, deformación programable, elasticidad y capacidad de ajustar la rigidez.Por ejemplo, se pueden incorporar aleaciones con memoria de forma (SMA) y polímeros con memoria de forma (SMP) a los tejidos para controlar activamente su forma mediante estimulación térmica, como dobladillos38, eliminación de arrugas36,39, retroalimentación táctil y táctil40,41, así como adaptación. ropa ponible.dispositivos 42 .Sin embargo, el uso de energía térmica para calentar y enfriar da como resultado una respuesta lenta y un enfriamiento y control difíciles.Más recientemente, Hiramitsu et al.Los músculos finos de McKibben43,44, músculos artificiales neumáticos, se utilizan como hilos de urdimbre para crear diversas formas de textiles activos cambiando la estructura del tejido45.Aunque este abordaje proporciona fuerzas elevadas, debido a la naturaleza del músculo de McKibben, su tasa de expansión es limitada (< 50%) y no se puede lograr un tamaño pequeño (diámetro < 0,9 mm).Además, ha sido difícil formar patrones textiles inteligentes a partir de métodos de tejido que requieren esquinas afiladas.Para formar una gama más amplia de textiles inteligentes, Maziz et al.Se han desarrollado textiles portátiles electroactivos tejiendo y tejiendo hilos de polímeros electrosensibles46.
En los últimos años ha surgido un nuevo tipo de músculo artificial termosensible, construido a partir de fibras poliméricas económicas y muy retorcidas47,48.Estas fibras están disponibles comercialmente y se incorporan fácilmente al tejido o tejido para producir ropa inteligente asequible.A pesar de los avances, estos nuevos textiles sensibles al calor tienen tiempos de respuesta limitados debido a la necesidad de calentar y enfriar (por ejemplo, textiles con temperatura controlada) o a la dificultad de realizar patrones complejos de punto y tejido que puedan programarse para generar las deformaciones y movimientos deseados. .Los ejemplos incluyen la expansión radial, la transformación de formas de 2D a 3D o la expansión bidireccional, que ofrecemos aquí.
Para superar estos problemas antes mencionados, este artículo presenta un nuevo tejido inteligente impulsado por fluidos elaborado a partir de nuestras fibras musculares artificiales blandas (AMF) recientemente introducidas49,50,51.Los AMF son altamente flexibles, escalables y se pueden reducir a un diámetro de 0,8 mm y a grandes longitudes (al menos 5000 mm), ofreciendo una alta relación de aspecto (longitud a diámetro), así como un alto alargamiento (al menos 245%), alta energía. Eficiencia, respuesta rápida de menos de 20Hz).Para crear textiles inteligentes, utilizamos AMF como hilo activo para formar capas musculares activas 2D mediante técnicas de tejido y tejido.Hemos estudiado cuantitativamente la tasa de expansión y la fuerza de contracción de estos tejidos "inteligentes" en términos de volumen de líquido y presión administrada.Se han desarrollado modelos analíticos para establecer la relación de fuerza de alargamiento para láminas tejidas y de punto.También describimos varias técnicas de programación mecánica para textiles inteligentes para movimiento multimodal, incluida la extensión bidireccional, la flexión, la expansión radial y la capacidad de transición de 2D a 3D.Para demostrar la solidez de nuestro enfoque, también integraremos AMF en telas o textiles comerciales para cambiar su configuración de estructuras pasivas a estructuras activas que causan diversas deformaciones.También hemos demostrado este concepto en varios bancos de pruebas experimentales, incluido el doblado programable de hilos para producir las letras deseadas y estructuras biológicas que cambian de forma en la forma de objetos como mariposas, estructuras cuadrúpedas y flores.
Los textiles son estructuras bidimensionales flexibles formadas a partir de hilos unidimensionales entrelazados, como hilos, hilos y fibras.El textil es una de las tecnologías más antiguas de la humanidad y es muy utilizado en todos los aspectos de la vida por su comodidad, adaptabilidad, transpirabilidad, estética y protección.Los textiles inteligentes (también conocidos como ropa inteligente o tejidos robóticos) se utilizan cada vez más en la investigación debido a su gran potencial en aplicaciones robóticas20,52.Los textiles inteligentes prometen mejorar la experiencia humana al interactuar con objetos blandos, marcando el comienzo de un cambio de paradigma en el campo donde el movimiento y las fuerzas de telas delgadas y flexibles se pueden controlar para realizar tareas específicas.En este artículo, exploramos dos enfoques para la producción de textiles inteligentes basados en nuestro reciente AMF49: (1) usar AMF como hilo activo para crear textiles inteligentes utilizando tecnologías tradicionales de fabricación textil;(2) insertar AMF directamente en telas tradicionales para estimular el movimiento y la deformación deseados.
El AMF consta de un tubo interno de silicona para suministrar energía hidráulica y una bobina helicoidal externa para limitar su expansión radial.Por lo tanto, los AMF se alargan longitudinalmente cuando se aplica presión y posteriormente exhiben fuerzas contráctiles para volver a su longitud original cuando se libera la presión.Tienen propiedades similares a las fibras tradicionales, incluyendo flexibilidad, diámetro pequeño y gran longitud.Sin embargo, el AMF es más activo y controlado en términos de movimiento y fuerza que sus homólogos convencionales.Inspirándonos en los rápidos avances recientes en los textiles inteligentes, aquí presentamos cuatro enfoques principales para producir textiles inteligentes mediante la aplicación de AMF a una tecnología de fabricación de telas establecida desde hace mucho tiempo (Figura 1).
La primera forma es tejer.Utilizamos tecnología de tejido de trama para producir un tejido de punto reactivo que se despliega en una dirección cuando se acciona hidráulicamente.Las sábanas tejidas son muy elásticas y estirables, pero tienden a desenredarse más fácilmente que las sábanas tejidas.Dependiendo del método de control, el AMF puede formar filas individuales o productos completos.Además de las láminas planas, para la fabricación de estructuras huecas AMF también son adecuados los patrones de tejido tubulares.El segundo método es el tejido, en el que utilizamos dos AMF como urdimbre y trama para formar una lámina tejida rectangular que puede expandirse de forma independiente en dos direcciones.Las sábanas tejidas brindan más control (en ambas direcciones) que las sábanas tejidas.También tejimos AMF a partir de hilo tradicional para hacer una lámina tejida más simple que solo se puede desenrollar en una dirección.El tercer método, la expansión radial, es una variante de la técnica de tejido, en la que los AMP no se encuentran en un rectángulo, sino en una espiral, y los hilos proporcionan una tensión radial.En este caso, la trenza se expande radialmente bajo la presión de entrada.Un cuarto enfoque consiste en pegar el AMF sobre una lámina de tela pasiva para crear un movimiento de flexión en la dirección deseada.Hemos reconfigurado el tablero de ruptura pasivo en un tablero de ruptura activo ejecutando el AMF alrededor de su borde.Esta naturaleza programable de AMF abre innumerables posibilidades para estructuras blandas bioinspiradas que transforman formas donde podemos convertir objetos pasivos en activos.Este método es sencillo, fácil y rápido, pero puede comprometer la longevidad del prototipo.Se remite al lector a otros enfoques en la literatura que detallan las fortalezas y debilidades de cada propiedad del tejido21,33,34,35.
La mayoría de los hilos o hilados utilizados para fabricar tejidos tradicionales contienen estructuras pasivas.En este trabajo, utilizamos nuestro AMF previamente desarrollado, que puede alcanzar longitudes de metros y diámetros submilimétricos, para reemplazar los hilos textiles pasivos tradicionales con AFM para crear tejidos inteligentes y activos para una gama más amplia de aplicaciones.Las siguientes secciones describen métodos detallados para crear prototipos textiles inteligentes y presentan sus principales funciones y comportamientos.
Elaboramos a mano tres camisetas AMF utilizando la técnica de tejido de trama (Fig. 2A).La selección de materiales y las especificaciones detalladas para AMF y prototipos se pueden encontrar en la sección Métodos.Cada AMF sigue un camino sinuoso (también llamado ruta) que forma un bucle simétrico.Los bucles de cada fila se fijan con los bucles de las filas superiores e inferiores.Los anillos de una columna perpendiculares a la hilera se combinan formando un eje.Nuestro prototipo tejido consta de tres hileras de siete puntos (o siete puntos) en cada hilera.Los anillos superior e inferior no son fijos, por lo que podemos fijarlos a las correspondientes varillas metálicas.Los prototipos de punto se desenredaron más fácilmente que los tejidos de punto convencionales debido a la mayor rigidez del AMF en comparación con los hilos convencionales.Por lo tanto, atamos los bucles de las filas adyacentes con finos cordones elásticos.
Se están implementando varios prototipos textiles inteligentes con diferentes configuraciones de AMF.(A) Sábana tejida hecha de tres AMF.(B) Hoja tejida bidireccional de dos AMF.(C) Una lámina tejida unidireccional hecha de AMF e hilo acrílico puede soportar una carga de 500 g, que es 192 veces su peso (2,6 g).(D) Estructura en expansión radial con un AMF e hilo de algodón como restricción radial.Las especificaciones detalladas se pueden encontrar en la sección Métodos.
Aunque los bucles en zigzag de un tejido pueden estirarse en diferentes direcciones, nuestro prototipo de tejido se expande principalmente en la dirección del bucle bajo presión debido a limitaciones en la dirección de desplazamiento.El alargamiento de cada AMF contribuye a la expansión del área total de la lámina tejida.Dependiendo de los requisitos específicos, podemos controlar tres AMF de forma independiente desde tres fuentes de fluido diferentes (Figura 2A) o simultáneamente desde una fuente de fluido a través de un distribuidor de fluido de 1 a 3.En la fig.2A muestra un ejemplo de un prototipo tejido, cuyo área inicial aumentó en un 35% mientras se aplicaba presión a tres AMP (1,2 MPa).En particular, el AMF logra un alto alargamiento de al menos el 250 % de su longitud original49, por lo que las láminas tejidas pueden estirarse incluso más que las versiones actuales.
También creamos láminas de tejido bidireccional formadas a partir de dos AMF utilizando la técnica de tejido tafetán (Figura 2B).La urdimbre y la trama de AMF se entrelazan en ángulos rectos, formando un patrón entrecruzado simple.Nuestro prototipo de tejido se clasificó como tejido tafetán equilibrado porque tanto los hilos de urdimbre como los de trama se hicieron con el mismo tamaño de hilo (consulte la sección Métodos para obtener más detalles).A diferencia de los hilos ordinarios que pueden formar pliegues pronunciados, el AMF aplicado requiere un cierto radio de curvatura al regresar a otro hilo del patrón de tejido.Por lo tanto, las láminas tejidas hechas de AMP tienen una densidad menor en comparación con los textiles tejidos convencionales.El AMF tipo S (diámetro exterior 1,49 mm) tiene un radio de curvatura mínimo de 1,5 mm.Por ejemplo, el prototipo de tejido que presentamos en este artículo tiene un patrón de hilos de 7×7 donde cada intersección se estabiliza con un nudo de cordón elástico fino.Usando la misma técnica de tejido, puedes obtener más hebras.
Cuando el AMF correspondiente recibe presión de fluido, la lámina tejida expande su área en la dirección de urdimbre o trama.Por lo tanto, controlamos las dimensiones de la lámina trenzada (largo y ancho) cambiando de forma independiente la cantidad de presión de entrada aplicada a los dos AMP.En la fig.2B muestra un prototipo tejido que se expandió hasta el 44% de su área original mientras se aplicaba presión a un AMP (1,3 MPa).Con la acción simultánea de presión sobre dos AMF, el área aumentó un 108%.
También hicimos una lámina tejida unidireccional a partir de un solo AMF con urdimbre e hilos acrílicos como trama (Figura 2C).Los AMF están dispuestos en siete filas en zigzag y los hilos tejen estas filas de AMF para formar una lámina rectangular de tela.Este prototipo tejido era más denso que en la Fig. 2B, gracias a suaves hilos acrílicos que llenaban fácilmente toda la lámina.Debido a que solo utilizamos un AMF como urdimbre, la lámina tejida solo puede expandirse hacia la urdimbre bajo presión.La Figura 2C muestra un ejemplo de un prototipo tejido cuyo área inicial aumenta en un 65% al aumentar la presión (1,3 MPa).Además, esta pieza trenzada (que pesa 2,6 gramos) puede levantar una carga de 500 gramos, lo que supone 192 veces su masa.
En lugar de disponer el AMF en un patrón en zigzag para crear una lámina tejida rectangular, fabricamos una forma de espiral plana del AMF, que luego se restringió radialmente con hilo de algodón para crear una lámina tejida redonda (Figura 2D).La alta rigidez del AMF limita el llenado de la región central de la placa.Sin embargo, este acolchado puede estar fabricado a partir de hilos elásticos o tejidos elásticos.Al recibir presión hidráulica, el AMP convierte su elongación longitudinal en una expansión radial de la lámina.También vale la pena señalar que tanto el diámetro exterior como el interior de la forma de espiral aumentan debido a la limitación radial de los filamentos.La Figura 2D muestra que con una presión hidráulica aplicada de 1 MPa, la forma de una lámina redonda se expande hasta el 25% de su área original.
Presentamos aquí un segundo enfoque para fabricar textiles inteligentes en el que pegamos un AMF a una pieza plana de tela y lo reconfiguramos de una estructura pasiva a una estructura controlada activamente.El diagrama de diseño del accionamiento de flexión se muestra en la fig.3A, donde el AMP se dobla por la mitad y se pega a una tira de tela inextensible (tela de muselina de algodón) usando cinta adhesiva de doble cara como adhesivo.Una vez sellado, la parte superior del AMF puede extenderse libremente, mientras que la parte inferior está limitada por la cinta y la tela, lo que hace que la tira se doble hacia la tela.Podemos desactivar cualquier parte del actuador de curva en cualquier lugar simplemente pegando una tira de cinta adhesiva.Un segmento desactivado no puede moverse y se convierte en un segmento pasivo.
Las telas se reconfiguran pegando AMF a telas tradicionales.(A) Concepto de diseño para un mecanismo de flexión realizado pegando un AMF plegado sobre una tela inextensible.(B) Flexión del prototipo del actuador.(C) Reconfiguración de una tela rectangular en un robot activo de cuatro patas.Tejido inelástico: jersey de algodón.Tejido elástico: poliéster.Las especificaciones detalladas se pueden encontrar en la sección Métodos.
Hicimos varios prototipos de actuadores de flexión de diferentes longitudes y los presurizamos con sistema hidráulico para crear un movimiento de flexión (Figura 3B).Es importante destacar que el AMF se puede colocar en línea recta o doblar para formar múltiples hilos y luego pegarlo a la tela para crear un mecanismo de flexión con la cantidad adecuada de hilos.También convertimos la lámina de tejido pasivo en una estructura de tetrápodo activo (Figura 3C), donde utilizamos AMF para enrutar los bordes de un tejido rectangular inextensible (tejido de muselina de algodón).AMP se fija a la tela con un trozo de cinta adhesiva de doble cara.El centro de cada borde está pegado con cinta adhesiva para volverse pasivo, mientras que las cuatro esquinas permanecen activas.La funda superior de tejido elástico (poliéster) es opcional.Las cuatro esquinas de la tela se doblan (parecen patas) cuando se presionan.
Construimos un banco de pruebas para estudiar cuantitativamente las propiedades de los textiles inteligentes desarrollados (consulte la sección Métodos y la Figura complementaria S1).Dado que todas las muestras fueron hechas de AMF, la tendencia general de los resultados experimentales (Fig. 4) es consistente con las características principales del AMF, es decir, la presión de entrada es directamente proporcional al alargamiento de salida e inversamente proporcional a la fuerza de compresión.Sin embargo, estos tejidos inteligentes tienen características únicas que reflejan sus configuraciones específicas.
Presenta configuraciones textiles inteligentes.(A, B) Curvas de histéresis para presión de entrada y alargamiento y fuerza de salida para láminas tejidas.(C) Ampliación del área de la lámina tejida.(D,E) Relación entre la presión de entrada y el alargamiento y la fuerza de salida para prendas de punto.(F) Expansión de área de estructuras que se expanden radialmente.(G) Ángulos de flexión de tres longitudes diferentes de unidades de flexión.
Cada AMF de la lámina tejida se sometió a una presión de entrada de 1 MPa para generar aproximadamente un 30% de alargamiento (Fig. 4A).Elegimos este umbral para todo el experimento por varias razones: (1) para crear un alargamiento significativo (aproximadamente 30%) para enfatizar sus curvas de histéresis, (2) para evitar que los ciclos de diferentes experimentos y prototipos reutilizables provoquen daños o fallas accidentales..bajo alta presión de fluido.La zona muerta es claramente visible y la trenza permanece inmóvil hasta que la presión de entrada alcanza los 0,3 MPa.El gráfico de histéresis de elongación por presión muestra una gran brecha entre las fases de bombeo y liberación, lo que indica que hay una pérdida significativa de energía cuando la lámina tejida cambia su movimiento de expansión a contracción.(Figura 4A).Después de obtener una presión de entrada de 1 MPa, la lámina tejida podría ejercer una fuerza de contracción de 5,6 N (Fig. 4B).El gráfico de histéresis presión-fuerza también muestra que la curva de reinicio casi se superpone con la curva de acumulación de presión.La expansión del área de la lámina tejida dependió de la cantidad de presión aplicada a cada uno de los dos AMF, como se muestra en el gráfico de superficie 3D (Figura 4C).Los experimentos también muestran que una lámina tejida puede producir una expansión de área del 66% cuando sus AMF de urdimbre y trama se someten simultáneamente a una presión hidráulica de 1 MPa.
Los resultados experimentales para la lámina tejida muestran un patrón similar al de la lámina tejida, que incluye una amplia brecha de histéresis en el diagrama de tensión-presión y curvas de presión-fuerza superpuestas.La lámina tejida mostró un alargamiento del 30%, después de lo cual la fuerza de compresión fue de 9 N a una presión de entrada de 1 MPa (Fig. 4D, E).
En el caso de una lámina tejida redonda, su área inicial aumentó en un 25% en comparación con el área inicial después de la exposición a una presión de líquido de 1 MPa (Fig. 4F).Antes de que la muestra comience a expandirse, hay una gran zona muerta de presión de entrada de hasta 0,7 MPa.Se esperaba esta gran zona muerta, ya que las muestras estaban hechas de HMA más grandes que requerían presiones más altas para superar su tensión inicial.En la fig.4F también muestra que la curva de liberación casi coincide con la curva de aumento de presión, lo que indica poca pérdida de energía cuando se cambia el movimiento del disco.
Los resultados experimentales para los tres actuadores de flexión (reconfiguración del tejido) muestran que sus curvas de histéresis tienen un patrón similar (Figura 4G), donde experimentan una zona muerta de presión de entrada de hasta 0,2 MPa antes del levantamiento.Aplicamos el mismo volumen de líquido (0,035 ml) a tres unidades de flexión (L20, L30 y L50 mm).Sin embargo, cada actuador experimentó diferentes picos de presión y desarrolló diferentes ángulos de flexión.Los actuadores L20 y L30 mm experimentaron una presión de entrada de 0,72 y 0,67 MPa, alcanzando ángulos de flexión de 167° y 194° respectivamente.El accionamiento de flexión más largo (longitud 50 mm) soportó una presión de 0,61 MPa y alcanzó un ángulo de flexión máximo de 236°.Los gráficos de histéresis del ángulo de presión también revelaron espacios relativamente grandes entre las curvas de presurización y liberación para los tres accionamientos de flexión.
La relación entre el volumen de entrada y las propiedades de salida (alargamiento, fuerza, expansión del área, ángulo de flexión) para las configuraciones textiles inteligentes anteriores se pueden encontrar en la Figura complementaria S2.
Los resultados experimentales de la sección anterior demuestran claramente la relación proporcional entre la presión de entrada aplicada y el alargamiento de salida de las muestras de AMF.Cuanto más fuerte se tensa el AMB, mayor es el alargamiento que desarrolla y más energía elástica acumula.Por tanto, mayor es la fuerza de compresión que ejerce.Los resultados también mostraron que las muestras alcanzaron su fuerza de compresión máxima cuando se eliminó por completo la presión de entrada.Esta sección tiene como objetivo establecer una relación directa entre el alargamiento y la fuerza máxima de contracción de láminas tejidas y de punto mediante modelado analítico y verificación experimental.
La fuerza contráctil máxima Fout (a la presión de entrada P = 0) de un solo AMF se proporcionó en la referencia 49 y se reintrodujo de la siguiente manera:
Entre ellos, α, E y A0 son el factor de estiramiento, el módulo de Young y el área de la sección transversal del tubo de silicona, respectivamente;k es el coeficiente de rigidez de la bobina en espiral;x y li tienen desplazamiento y longitud inicial.AMP, respectivamente.
la ecuación correcta.(1) Tomemos como ejemplo las sábanas tejidas y de punto (Fig. 5A, B).Las fuerzas de contracción del producto tejido Fkv y del producto tejido Fwh se expresan mediante las ecuaciones (2) y (3), respectivamente.
donde mk es el número de bucles, φp es el ángulo del bucle del tejido de punto durante la inyección (Fig. 5A), mh es el número de hilos, θhp es el ángulo de compromiso del tejido de punto durante la inyección (Fig. 5B), εkv εwh es la lámina tejida y la deformación de la lámina tejida, F0 es la tensión inicial de la bobina en espiral.Derivación detallada de la ecuación.(2) y (3) se pueden encontrar en la información de respaldo.
Cree un modelo analítico para la relación alargamiento-fuerza.(A,B) Ilustraciones de modelos analíticos para láminas tejidas y tejidas, respectivamente.(C,D) Comparación de modelos analíticos y datos experimentales para láminas tejidas y tejidas.RMSE Error cuadrático medio de la raíz.
Para probar el modelo desarrollado, realizamos experimentos de alargamiento utilizando los patrones tejidos en la Fig. 2A y muestras trenzadas en la Fig. 2B.La fuerza de contracción se midió en incrementos del 5% para cada extensión bloqueada del 0% al 50%.La media y la desviación estándar de las cinco pruebas se presentan en la Figura 5C (tejido) y la Figura 5D (tejido).Las curvas del modelo analítico se describen mediante ecuaciones.Los parámetros (2) y (3) se dan en la Tabla.1. Los resultados muestran que el modelo analítico concuerda bien con los datos experimentales en todo el rango de alargamiento con un error cuadrático medio (RMSE) de 0,34 N para prendas de punto, 0,21 N para tejidos AMF H (dirección horizontal) y 0,17 N. para AMF tejido.V (dirección vertical).
Además de los movimientos básicos, los textiles inteligentes propuestos se pueden programar mecánicamente para proporcionar movimientos más complejos, como curvatura en S, contracción radial y deformación de 2D a 3D.Presentamos aquí varios métodos para programar textiles planos inteligentes en las estructuras deseadas.
Además de expandir el dominio en la dirección lineal, las láminas tejidas unidireccionales se pueden programar mecánicamente para crear un movimiento multimodal (Fig. 6A).Reconfiguramos la extensión de la lámina trenzada como un movimiento de flexión, constreñindo una de sus caras (superior o inferior) con hilo de coser.Las láminas tienden a doblarse hacia la superficie delimitadora bajo presión.En la fig.6A muestra dos ejemplos de paneles tejidos que adquieren forma de S cuando una mitad está apretada en el lado superior y la otra mitad está apretada en el lado inferior.Alternativamente, puede crear un movimiento de flexión circular donde solo se restringe toda la cara.También se puede convertir una lámina trenzada unidireccional en un manguito de compresión conectando sus dos extremos en una estructura tubular (Fig. 6B).La manga se usa sobre el dedo índice de una persona para proporcionar compresión, una forma de terapia de masaje para aliviar el dolor o mejorar la circulación.Se puede ampliar para adaptarse a otras partes del cuerpo, como brazos, caderas y piernas.
Capacidad de tejer láminas en una dirección.(A) Creación de estructuras deformables debido a la programabilidad de la forma de los hilos de coser.(B) Manga de compresión para los dedos.(C) Otra versión de la lámina trenzada y su implementación como manga de compresión del antebrazo.(D) Otro prototipo de funda de compresión hecha de AMF tipo M, hilo acrílico y correas de velcro.Las especificaciones detalladas se pueden encontrar en la sección Métodos.
La Figura 6C muestra otro ejemplo de una lámina tejida unidireccional hecha de un único AMF e hilo de algodón.La lámina puede expandirse un 45% en área (a 1,2 MPa) o provocar un movimiento circular bajo presión.También hemos incorporado una sábana para crear una funda de compresión para el antebrazo colocando correas magnéticas en el extremo de la sábana.En la Fig. 6D se muestra otro prototipo de manguito de compresión para el antebrazo, en el que se fabricaron láminas trenzadas unidireccionales de AMF tipo M (ver Métodos) e hilos acrílicos para generar fuerzas de compresión más fuertes.Hemos equipado los extremos de las sábanas con correas de velcro para una fácil fijación y para diferentes tamaños de manos.
La técnica de restricción, que convierte la extensión lineal en movimiento de flexión, también es aplicable a láminas tejidas bidireccionales.Tejemos los hilos de algodón en un lado de la urdimbre y tramamos las láminas tejidas para que no se expandan (Fig. 7A).Así, cuando dos AMF reciben presión hidráulica independientemente uno del otro, la lámina sufre un movimiento de flexión bidireccional para formar una estructura tridimensional arbitraria.En otro enfoque, utilizamos hilos inextensibles para limitar una dirección de láminas tejidas bidireccionales (Figura 7B).Así, la lámina puede realizar movimientos independientes de flexión y estiramiento cuando el AMF correspondiente está bajo presión.En la fig.7B muestra un ejemplo en el que se controla una lámina trenzada bidireccional para envolver alrededor de dos tercios de un dedo humano con un movimiento de flexión y luego extender su longitud para cubrir el resto con un movimiento de estiramiento.El movimiento bidireccional de las sábanas puede resultar útil para el diseño de moda o el desarrollo de ropa inteligente.
Hoja tejida bidireccional, hoja tejida y capacidades de diseño radialmente expandibles.(A) Paneles de mimbre bidireccionales unidos para crear una curva bidireccional.(B) Los paneles de mimbre bidireccionales restringidos unidireccionalmente producen flexión y alargamiento.(C) Hoja tejida altamente elástica, que puede adaptarse a diferentes curvaturas de superficie e incluso formar estructuras tubulares.(D) delimitación de la línea central de una estructura que se expande radialmente formando una forma parabólica hiperbólica (patatas fritas).
Conectamos dos bucles adyacentes de las filas superior e inferior de la parte tejida con hilo de coser para que no se deshaga (Fig. 7C).Por tanto, la lámina tejida es totalmente flexible y se adapta bien a diversas curvas de superficie, como la superficie de la piel de manos y brazos humanos.También creamos una estructura tubular (manga) conectando los extremos de la parte tejida en la dirección de la marcha.La manga envuelve bien el dedo índice de la persona (Fig. 7C).La sinuosidad del tejido proporciona un excelente ajuste y deformabilidad, lo que facilita su uso en ropa inteligente (guantes, mangas de compresión), proporcionando comodidad (mediante el ajuste) y efecto terapéutico (mediante la compresión).
Además de la expansión radial 2D en múltiples direcciones, las láminas tejidas circulares también se pueden programar para formar estructuras 3D.Limitamos la línea central de la trenza redonda con hilo acrílico para alterar su expansión radial uniforme.Como resultado, la forma plana original de la lámina tejida redonda se transformó en una forma parabólica hiperbólica (o patatas fritas) después de la presurización (Fig. 7D).Esta capacidad de cambiar de forma podría implementarse como un mecanismo de elevación, una lente óptica, patas de robots móviles o podría ser útil en diseño de moda y robots biónicos.
Hemos desarrollado una técnica simple para crear unidades de flexión pegando AMF en una tira de tela no elástica (Figura 3).Usamos este concepto para crear subprocesos programables de formas donde podemos distribuir estratégicamente múltiples secciones activas y pasivas en un AMF para crear las formas deseadas.Fabricamos y programamos cuatro filamentos activos que podían cambiar su forma de recto a letra (UNSW) a medida que aumentaba la presión (Figura complementaria S4).Este método simple permite la deformabilidad del AMF para convertir líneas 1D en formas 2D y posiblemente incluso estructuras 3D.
En un enfoque similar, utilizamos un solo AMF para reconfigurar un trozo de tejido normal pasivo en un tetrápodo activo (Fig. 8A).Los conceptos de enrutamiento y programación son similares a los que se muestran en la Figura 3C.Sin embargo, en lugar de láminas rectangulares, se empezaron a utilizar telas con estampado cuadrúpedo (tortuga, muselina de algodón).Por tanto, las patas son más largas y la estructura se puede elevar más.La altura de la estructura aumenta gradualmente bajo presión hasta que sus patas quedan perpendiculares al suelo.Si la presión de entrada continúa aumentando, las patas se hundirán hacia adentro, reduciendo la altura de la estructura.Los tetrápodos pueden realizar locomoción si sus patas están equipadas con patrones unidireccionales o usan múltiples AMF con estrategias de manipulación del movimiento.Se necesitan robots de locomoción suave para una variedad de tareas, incluidos rescates en incendios forestales, edificios derrumbados o entornos peligrosos, y robots de entrega de medicamentos.
La tela se reconfigura para crear estructuras que cambian de forma.(A) Pegue el AMF al borde de la hoja de tela pasiva, convirtiéndola en una estructura orientable de cuatro patas.(BD) Otros dos ejemplos de reconfiguración de tejidos, convirtiendo mariposas y flores pasivas en activas.Tejido no elástico: muselina de algodón lisa.
También aprovechamos la simplicidad y versatilidad de esta técnica de reconfiguración de tejido mediante la introducción de dos estructuras bioinspiradas adicionales para remodelación (Figuras 8B-D).Con un AMF enrutable, estas estructuras deformables se reconfiguran de láminas de tejido pasivo a estructuras activas y dirigibles.Inspirándonos en la mariposa monarca, hicimos una estructura de mariposa transformadora utilizando un trozo de tela con forma de mariposa (muselina de algodón) y un trozo largo de AMF pegado debajo de sus alas.Cuando el AMF está bajo presión, las alas se pliegan.Al igual que la Mariposa Monarca, las alas izquierda y derecha del Robot Mariposa baten de la misma manera porque ambas están controladas por el AMF.Las solapas de mariposa son sólo para fines de exhibición.No puede volar como Smart Bird (Festo Corp., EE. UU.).También hicimos una flor de tela (Figura 8D) que consta de dos capas de cinco pétalos cada una.Colocamos el AMF debajo de cada capa después del borde exterior de los pétalos.Inicialmente, las flores están en plena floración, con todos los pétalos completamente abiertos.Bajo presión, el AMF provoca un movimiento de flexión de los pétalos, lo que hace que se cierren.Los dos AMF controlan de forma independiente el movimiento de las dos capas, mientras que los cinco pétalos de una capa se flexionan al mismo tiempo.
Hora de publicación: 26 de diciembre de 2022