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A combinação de têxteis e músculos artificiais para criar têxteis inteligentes está a atrair muita atenção das comunidades científica e industrial.Os têxteis inteligentes oferecem muitos benefícios, incluindo conforto adaptativo e um alto grau de conformidade com os objetos, ao mesmo tempo que proporcionam atuação ativa para o movimento e a força desejados.Este artigo apresenta uma nova classe de tecidos inteligentes programáveis feitos usando vários métodos de tecelagem, tecelagem e colagem de fibras musculares artificiais acionadas por fluido.Um modelo matemático foi desenvolvido para descrever a relação entre a força de alongamento de folhas têxteis tricotadas e tecidas e, em seguida, sua validade foi testada experimentalmente.O novo tecido “inteligente” apresenta alta flexibilidade, conformidade e programação mecânica, permitindo movimentos multimodais e capacidades de deformação para uma ampla gama de aplicações.Vários protótipos têxteis inteligentes foram criados através de verificação experimental, incluindo vários casos de mudança de forma, como alongamento (até 65%), expansão de área (108%), expansão radial (25%) e movimento de flexão.O conceito de reconfiguração de tecidos tradicionais passivos em estruturas ativas para moldar estruturas biomiméticas também está sendo explorado.Espera-se que os têxteis inteligentes propostos facilitem o desenvolvimento de dispositivos vestíveis inteligentes, sistemas hápticos, robôs leves biomiméticos e eletrônicos vestíveis.
Robôs rígidos são eficazes quando trabalham em ambientes estruturados, mas apresentam problemas com o contexto desconhecido de ambientes em mudança, o que limita seu uso em busca ou exploração.A natureza continua a nos surpreender com muitas estratégias inventivas para lidar com fatores externos e com a diversidade.Por exemplo, as gavinhas das trepadeiras realizam movimentos multimodais, como curvar-se e espiralar, para explorar um ambiente desconhecido em busca de um suporte adequado1.A armadilha de Vênus (Dionaea muscipula) possui pêlos sensíveis em suas folhas que, quando acionados, se encaixam para capturar a presa2.Nos últimos anos, a deformação ou deformação de corpos de superfícies bidimensionais (2D) para formas tridimensionais (3D) que imitam estruturas biológicas tornou-se um interessante tema de pesquisa3,4.Essas configurações robóticas suaves mudam de forma para se adaptarem a ambientes em mudança, permitem a locomoção multimodal e aplicam forças para realizar trabalho mecânico.O seu alcance estendeu-se a uma ampla gama de aplicações robóticas, incluindo implementáveis5, robôs reconfiguráveis e dobráveis6,7, dispositivos biomédicos8, veículos9,10 e eletrônicos expansíveis11.
Muitas pesquisas têm sido feitas para desenvolver placas planas programáveis que, quando ativadas, se transformam em estruturas tridimensionais complexas3.Uma ideia simples para criar estruturas deformáveis é combinar camadas de diferentes materiais que flexionam e enrugam quando expostas a estímulos12,13.Janbaz et al.14 e Li et al.15 implementaram este conceito para criar robôs deformáveis multimodais sensíveis ao calor.Estruturas baseadas em origami incorporando elementos responsivos a estímulos têm sido usadas para criar estruturas tridimensionais complexas16,17,18.Inspirados na morfogênese das estruturas biológicas, Emmanuel et al.Os elastômeros deformáveis são criados organizando canais de ar dentro de uma superfície de borracha que, sob pressão, se transformam em formas tridimensionais complexas e arbitrárias.
A integração de têxteis ou tecidos em robôs macios deformáveis é outro novo projeto conceitual que gerou amplo interesse.Os têxteis são materiais macios e elásticos feitos de fios por meio de técnicas de tecelagem, como tricô, tecelagem, trança ou tecelagem de nós.As incríveis propriedades dos tecidos, incluindo flexibilidade, ajuste, elasticidade e respirabilidade, tornam-nos muito populares em tudo, desde vestuário até aplicações médicas20.Existem três abordagens amplas para incorporar têxteis na robótica21.A primeira abordagem é usar o tecido como suporte passivo ou base para outros componentes.Neste caso, os têxteis passivos proporcionam um ajuste confortável ao usuário ao transportar componentes rígidos (motores, sensores, fonte de alimentação).A maioria dos robôs vestíveis ou exoesqueletos macios se enquadram nesta abordagem.Por exemplo, exoesqueletos macios vestíveis para auxiliares de caminhada 22 e auxiliares de cotovelo 23, 24, 25, luvas macias vestíveis 26 para auxiliares de mãos e dedos e robôs biônicos macios 27.
A segunda abordagem é usar têxteis como componentes passivos e limitados de dispositivos robóticos leves.Os atuadores têxteis se enquadram nesta categoria, onde o tecido é geralmente construído como um recipiente externo para conter a mangueira ou câmara interna, formando um atuador reforçado com fibra macia.Quando submetidos a uma fonte pneumática ou hidráulica externa, esses atuadores macios sofrem alterações de forma, incluindo alongamento, flexão ou torção, dependendo de sua composição e configuração original.Por exemplo, Talman et al.Tornozeleiras ortopédicas, compostas por uma série de bolsos de tecido, foram introduzidas para facilitar a flexão plantar e restaurar a marcha28.Camadas têxteis com diferentes extensibilidades podem ser combinadas para criar movimento anisotrópico 29 .OmniSkins – películas robóticas macias feitas de uma variedade de atuadores macios e materiais de substrato podem transformar objetos passivos em robôs ativos multifuncionais que podem realizar movimentos e deformações multimodais para diversas aplicações.Zhu et al.desenvolveram uma lâmina muscular de tecido líquido31 que pode gerar alongamento, flexão e vários movimentos de deformação.Buckner et al.Integre fibras funcionais em tecidos convencionais para criar tecidos robóticos com múltiplas funções, como atuação, detecção e rigidez variável32.Outros métodos nesta categoria podem ser encontrados nestes artigos 21, 33, 34, 35.
Uma abordagem recente para aproveitar as propriedades superiores dos têxteis no campo da robótica suave é usar filamentos reativos ou responsivos a estímulos para criar têxteis inteligentes usando métodos tradicionais de fabricação de têxteis, como tecelagem, tricô e métodos de tecelagem21,36,37.Dependendo da composição do material, o fio reativo provoca uma alteração na forma quando submetido à ação elétrica, térmica ou de pressão, o que leva à deformação do tecido.Nesta abordagem, onde os têxteis tradicionais são integrados num sistema robótico suave, a remodelação do tecido ocorre na camada interna (fio) e não na camada externa.Como tal, os têxteis inteligentes oferecem excelente manuseamento em termos de movimento multimodal, deformação programável, elasticidade e capacidade de ajustar a rigidez.Por exemplo, ligas com memória de forma (SMAs) e polímeros com memória de forma (SMPs) podem ser incorporados em tecidos para controlar ativamente sua forma através de estimulação térmica, como bainha38, remoção de rugas36,39, feedback tátil e tátil40,41, bem como adaptação roupas usáveis.dispositivos 42 .No entanto, a utilização de energia térmica para aquecimento e arrefecimento resulta numa resposta lenta e num arrefecimento e controlo difíceis.Mais recentemente, Hiramitsu et al.Os músculos finos de McKibben43,44, músculos artificiais pneumáticos, são usados como fios de urdidura para criar várias formas de têxteis ativos, alterando a estrutura da trama45.Embora esta abordagem proporcione forças elevadas, devido à natureza do músculo McKibben, a sua taxa de expansão é limitada (< 50%) e o tamanho pequeno não pode ser alcançado (diâmetro < 0,9 mm).Além disso, tem sido difícil formar padrões têxteis inteligentes a partir de métodos de tecelagem que exigem cantos agudos.Para formar uma gama mais ampla de têxteis inteligentes, Maziz et al.Têxteis vestíveis eletroativos foram desenvolvidos tricotando e tecendo fios de polímeros eletrossensíveis46.
Nos últimos anos, surgiu um novo tipo de músculo artificial termossensível, construído a partir de fibras poliméricas baratas e altamente torcidas .Essas fibras estão disponíveis comercialmente e são facilmente incorporadas à tecelagem ou tecelagem para produzir roupas inteligentes a preços acessíveis.Apesar dos avanços, estes novos têxteis sensíveis ao calor têm tempos de resposta limitados devido à necessidade de aquecimento e arrefecimento (por exemplo, têxteis com temperatura controlada) ou à dificuldade de fazer padrões complexos de malha e tecido que possam ser programados para gerar as deformações e movimentos desejados. .Os exemplos incluem expansão radial, transformação de forma 2D para 3D ou expansão bidirecional, que oferecemos aqui.
Para superar estes problemas acima mencionados, este artigo apresenta um novo tecido inteligente movido a fluidos feito a partir das nossas fibras musculares artificiais macias (AMF) recentemente introduzidas49,50,51.Os AMFs são altamente flexíveis, escaláveis e podem ser reduzidos a um diâmetro de 0,8 mm e grandes comprimentos (pelo menos 5.000 mm), oferecendo uma alta relação de aspecto (comprimento para diâmetro), bem como alto alongamento (pelo menos 245%), alta energia eficiência, resposta rápida inferior a 20 Hz).Para criar têxteis inteligentes, utilizamos AMF como fio ativo para formar camadas musculares ativas 2D através de técnicas de tricô e tecelagem.Estudamos quantitativamente a taxa de expansão e a força de contração desses tecidos “inteligentes” em termos de volume de fluido e pressão fornecida.Modelos analíticos foram desenvolvidos para estabelecer a relação de força de alongamento para lençóis tricotados e tecidos.Também descrevemos diversas técnicas de programação mecânica para têxteis inteligentes para movimento multimodal, incluindo extensão bidirecional, flexão, expansão radial e a capacidade de transição de 2D para 3D.Para demonstrar a força da nossa abordagem, também integraremos AMF em tecidos comerciais ou têxteis para alterar a sua configuração de estruturas passivas para estruturas activas que causam várias deformações.Também demonstramos esse conceito em vários bancos de testes experimentais, incluindo dobramento programável de fios para produzir letras desejadas e estruturas biológicas que mudam de forma para objetos como borboletas, estruturas quadrúpedes e flores.
Os têxteis são estruturas bidimensionais flexíveis formadas a partir de fios unidimensionais entrelaçados, como fios, fios e fibras.O têxtil é uma das tecnologias mais antigas da humanidade e é amplamente utilizado em todos os aspectos da vida devido ao seu conforto, adaptabilidade, respirabilidade, estética e proteção.Os têxteis inteligentes (também conhecidos como roupas inteligentes ou tecidos robóticos) são cada vez mais utilizados em investigação devido ao seu grande potencial em aplicações robóticas20,52.Os têxteis inteligentes prometem melhorar a experiência humana de interação com objetos macios, inaugurando uma mudança de paradigma no campo onde o movimento e as forças de tecidos finos e flexíveis podem ser controlados para executar tarefas específicas.Neste artigo, exploramos duas abordagens para a produção de têxteis inteligentes com base no nosso recente AMF49: (1) utilizar AMF como um fio ativo para criar têxteis inteligentes utilizando tecnologias tradicionais de produção têxtil;(2) inserir AMF diretamente em tecidos tradicionais para estimular o movimento e a deformação desejados.
O AMF consiste em um tubo interno de silicone para fornecer energia hidráulica e uma bobina helicoidal externa para limitar sua expansão radial.Assim, os AMFs alongam-se longitudinalmente quando a pressão é aplicada e subsequentemente exibem forças contráteis para retornar ao seu comprimento original quando a pressão é liberada.Possuem propriedades semelhantes às fibras tradicionais, incluindo flexibilidade, pequeno diâmetro e longo comprimento.No entanto, a AMF é mais activa e controlada em termos de movimento e força do que os seus homólogos convencionais.Inspirados pelos rápidos avanços recentes nos têxteis inteligentes, apresentamos aqui quatro abordagens principais para a produção de têxteis inteligentes, aplicando AMF a uma tecnologia de fabricação de tecidos há muito estabelecida (Figura 1).
A primeira maneira é tecer.Usamos tecnologia de tricô de trama para produzir um tecido de malha reativo que se desdobra em uma direção quando acionado hidraulicamente.Os lençóis de malha são muito elásticos e elásticos, mas tendem a desfiar-se mais facilmente do que os lençóis de tecido.Dependendo do método de controle, a AMF pode formar linhas individuais ou produtos completos.Além das folhas planas, os padrões de tricô tubular também são adequados para a fabricação de estruturas ocas AMF.O segundo método é a tecelagem, onde usamos dois AMFs como urdidura e trama para formar uma folha retangular que pode se expandir independentemente em duas direções.Os lençóis tecidos proporcionam mais controle (em ambas as direções) do que os lençóis tricotados.Também tecemos AMF a partir de fios tradicionais para fazer uma folha tecida mais simples que só pode ser desenrolada em uma direção.O terceiro método – expansão radial – é uma variante da técnica de tecelagem, na qual os AMPs estão localizados não em um retângulo, mas em espiral, e os fios fornecem restrição radial.Neste caso, a trança se expande radialmente sob a pressão de entrada.Uma quarta abordagem é colar o AMF em uma folha de tecido passivo para criar um movimento de flexão na direção desejada.Reconfiguramos a placa de breakout passiva em uma placa de breakout ativa executando o AMF em torno de sua borda.Esta natureza programável do AMF abre inúmeras possibilidades para estruturas suaves de transformação de forma bio-inspiradas, onde podemos transformar objetos passivos em ativos.Este método é simples, fácil e rápido, mas pode comprometer a longevidade do protótipo.O leitor é encaminhado para outras abordagens na literatura que detalham os pontos fortes e fracos de cada propriedade do tecido21,33,34,35.
A maioria dos fios ou fios usados para fazer tecidos tradicionais contém estruturas passivas.Neste trabalho, utilizamos nosso AMF desenvolvido anteriormente, que pode atingir comprimentos de metros e diâmetros submilimétricos, para substituir os fios têxteis passivos tradicionais por AFM para criar tecidos inteligentes e ativos para uma gama mais ampla de aplicações.As seções a seguir descrevem métodos detalhados para fazer protótipos têxteis inteligentes e apresentam suas principais funções e comportamentos.
Confeccionamos à mão três camisas AMF utilizando a técnica de tricô de trama (Fig. 2A).A seleção de materiais e especificações detalhadas para AMFs e protótipos podem ser encontradas na seção Métodos.Cada AMF segue um caminho sinuoso (também chamado de rota) que forma um loop simétrico.Os loops de cada linha são fixados com os loops das linhas acima e abaixo deles.Os anéis de uma coluna perpendicular ao curso são combinados em um eixo.Nosso protótipo de malha consiste em três carreiras de sete pontos (ou sete pontos) em cada carreira.Os anéis superior e inferior não são fixos, pelo que podemos fixá-los nas hastes metálicas correspondentes.Os protótipos tricotados desfiam-se mais facilmente do que os tecidos tricotados convencionais devido à maior rigidez do AMF em comparação com os fios convencionais.Portanto, amarramos os laços das linhas adjacentes com finos cordões elásticos.
Vários protótipos têxteis inteligentes estão sendo implementados com diferentes configurações de AMF.(A) Lençol tricotado feito de três AMFs.(B) Folha tecida bidirecional de dois AMFs.(C) Uma folha tecida unidirecional feita de AMF e fio acrílico pode suportar uma carga de 500g, que é 192 vezes o seu peso (2,6g).(D) Estrutura em expansão radial com um AMF e fio de algodão como restrição radial.Especificações detalhadas podem ser encontradas na seção Métodos.
Embora as laçadas em zigue-zague de uma malha possam esticar em diferentes direções, nosso protótipo de malha se expande principalmente na direção da laçada sob pressão devido a limitações na direção do percurso.O alongamento de cada AMF contribui para a ampliação da área total do lençol tricotado.Dependendo dos requisitos específicos, podemos controlar três AMFs independentemente de três fontes de fluido diferentes (Figura 2A) ou simultaneamente de uma fonte de fluido através de um distribuidor de fluido de 1 para 3.Na fig.2A mostra um exemplo de protótipo tricotado, cuja área inicial aumentou 35% ao aplicar pressão a três AMPs (1,2 MPa).Notavelmente, a AMF atinge um elevado alongamento de pelo menos 250% do seu comprimento original49, pelo que as folhas tricotadas podem esticar ainda mais do que as versões actuais.
Também criamos folhas de trama bidirecionais formadas a partir de dois AMFs usando a técnica de trama simples (Figura 2B).A urdidura e a trama AMF estão entrelaçadas em ângulos retos, formando um padrão cruzado simples.Nosso protótipo de tecido foi classificado como tecido simples balanceado porque os fios de urdidura e de trama foram feitos do mesmo tamanho de fio (consulte a seção Métodos para obter detalhes).Ao contrário dos fios comuns que podem formar dobras acentuadas, o AMF aplicado requer um certo raio de curvatura ao retornar para outro fio do padrão de tecelagem.Portanto, as folhas tecidas de AMP têm uma densidade menor em comparação com os tecidos convencionais.O tipo AMF S (diâmetro externo 1,49 mm) possui um raio de curvatura mínimo de 1,5 mm.Por exemplo, o protótipo de tecido que apresentamos neste artigo tem um padrão de fio 7×7 onde cada intersecção é estabilizada com um nó de cordão elástico fino.Usando a mesma técnica de tecelagem, você pode obter mais fios.
Quando o AMF correspondente recebe pressão de fluido, a folha tecida expande sua área na direção da urdidura ou da trama.Portanto, controlamos as dimensões da folha trançada (comprimento e largura) alterando independentemente a quantidade de pressão de entrada aplicada aos dois AMPs.Na fig.2B mostra um protótipo tecido que se expandiu para 44% de sua área original enquanto aplicava pressão a um AMP (1,3 MPa).Com a ação simultânea de pressão sobre dois AMFs, a área aumentou 108%.
Também fizemos uma folha tecida unidirecional a partir de um único AMF com urdidura e fios acrílicos como trama (Figura 2C).Os AMFs são dispostos em sete fileiras em zigue-zague e os fios entrelaçam essas fileiras de AMFs para formar uma folha retangular de tecido.Este protótipo tecido era mais denso do que na Fig. 2B, graças aos fios acrílicos macios que preenchiam facilmente toda a folha.Como usamos apenas um AMF como urdidura, a folha tecida só pode se expandir em direção à urdidura sob pressão.A Figura 2C mostra um exemplo de protótipo tecido cuja área inicial aumenta 65% com o aumento da pressão (1,3 MPa).Além disso, essa peça trançada (pesa 2,6 gramas) pode levantar uma carga de 500 gramas, o que equivale a 192 vezes sua massa.
Em vez de organizar o AMF em zigue-zague para criar uma folha retangular, fabricamos uma forma espiral plana do AMF, que foi então restrita radialmente com fio de algodão para criar uma folha tecida redonda (Figura 2D).A alta rigidez do AMF limita o seu preenchimento na região central da placa.No entanto, este enchimento pode ser feito de fios elásticos ou de tecidos elásticos.Ao receber pressão hidráulica, o AMP converte seu alongamento longitudinal em uma expansão radial da chapa.Também é importante notar que tanto o diâmetro externo quanto o interno do formato espiral são aumentados devido à limitação radial dos filamentos.A Figura 2D mostra que com uma pressão hidráulica aplicada de 1 MPa, o formato de uma chapa redonda se expande para 25% de sua área original.
Apresentamos aqui uma segunda abordagem para fazer têxteis inteligentes, onde colamos um AMF a um pedaço plano de tecido e o reconfiguramos de uma estrutura passiva para uma estrutura controlada ativamente.O diagrama de projeto do acionamento de dobra é mostrado na fig.3A, onde o AMP é dobrado ao meio e colado em uma tira de tecido inextensível (tecido de musselina de algodão) utilizando fita dupla face como adesivo.Uma vez selada, a parte superior do AMF fica livre para se estender, enquanto a parte inferior é limitada pela fita e pelo tecido, fazendo com que a tira se dobre em direção ao tecido.Podemos desativar qualquer parte do atuador de curvatura em qualquer lugar, simplesmente colando uma tira de fita adesiva nele.Um segmento desativado não pode se mover e se torna um segmento passivo.
Os tecidos são reconfigurados colando AMF em tecidos tradicionais.(A) Conceito de projeto para um acionamento de dobra feito através da colagem de um AMF dobrado em um tecido inextensível.(B) Flexão do protótipo do atuador.(C) Reconfiguração de um pano retangular em um robô ativo de quatro patas.Tecido inelástico: jersey de algodão.Tecido elástico: poliéster.Especificações detalhadas podem ser encontradas na seção Métodos.
Fizemos vários protótipos de atuadores de flexão de diferentes comprimentos e os pressurizamos com sistema hidráulico para criar um movimento de flexão (Figura 3B).É importante ressaltar que o AMF pode ser disposto em linha reta ou dobrado para formar vários fios e depois colado ao tecido para criar uma unidade de dobra com o número apropriado de fios.Também convertemos a folha de tecido passiva em uma estrutura tetrápode ativa (Figura 3C), onde usamos AMF para encaminhar as bordas de um tecido retangular inextensível (tecido de musselina de algodão).O AMP é fixado ao tecido com um pedaço de fita dupla-face.O meio de cada borda é colado para se tornar passivo, enquanto os quatro cantos permanecem ativos.A cobertura superior em tecido elástico (poliéster) é opcional.Os quatro cantos do tecido dobram (parecem pernas) quando pressionados.
Construímos uma bancada de testes para estudar quantitativamente as propriedades dos têxteis inteligentes desenvolvidos (ver seção Métodos e Figura Suplementar S1).Como todas as amostras foram feitas de AMF, a tendência geral dos resultados experimentais (Fig. 4) é consistente com as principais características do AMF, nomeadamente, a pressão de entrada é diretamente proporcional ao alongamento de saída e inversamente proporcional à força de compressão.No entanto, esses tecidos inteligentes possuem características únicas que refletem suas configurações específicas.
Apresenta configurações têxteis inteligentes.(A, B) Curvas de histerese para pressão de entrada e alongamento e força de saída para folhas tecidas.(C) Ampliação da área da chapa tecida.(D,E) Relação entre pressão de entrada e alongamento e força de saída para malhas.(F) Expansão de área de estruturas em expansão radial.(G) Ângulos de flexão de três comprimentos diferentes de unidades de flexão.
Cada AMF da folha tecida foi submetida a uma pressão de entrada de 1 MPa para gerar aproximadamente 30% de alongamento (Fig. 4A).Escolhemos esse limite para todo o experimento por vários motivos: (1) para criar um alongamento significativo (aproximadamente 30%) para enfatizar suas curvas de histerese, (2) para evitar ciclos de diferentes experimentos e protótipos reutilizáveis, resultando em danos acidentais ou falhas..sob alta pressão de fluido.A zona morta é claramente visível e a trança permanece imóvel até que a pressão de entrada atinja 0,3 MPa.O gráfico de histerese de alongamento de pressão mostra uma grande lacuna entre as fases de bombeamento e liberação, indicando que há uma perda significativa de energia quando a folha tecida muda seu movimento de expansão para contração.(Fig. 4A).Após obter uma pressão de entrada de 1 MPa, a folha tecida poderia exercer uma força de contração de 5,6 N (Fig. 4B).O gráfico de histerese pressão-força também mostra que a curva de reinicialização quase se sobrepõe à curva de aumento de pressão.A expansão da área da folha tecida dependeu da quantidade de pressão aplicada a cada um dos dois AMFs, conforme mostrado no gráfico de superfície 3D (Figura 4C).Experimentos também mostram que uma folha tecida pode produzir uma expansão de área de 66% quando seus AMFs de urdidura e trama são simultaneamente submetidos a uma pressão hidráulica de 1 MPa.
Os resultados experimentais para a folha tricotada mostram um padrão semelhante ao da folha tecida, incluindo uma ampla lacuna de histerese no diagrama tensão-pressão e curvas pressão-força sobrepostas.A folha tricotada apresentou um alongamento de 30%, após o qual a força de compressão foi de 9 N a uma pressão de entrada de 1 MPa (Fig. 4D, E).
No caso de uma folha tecida redonda, sua área inicial aumentou 25% em comparação com a área inicial após exposição a uma pressão líquida de 1 MPa (Fig. 4F).Antes da amostra começar a se expandir, existe uma grande zona morta de pressão de entrada de até 0,7 MPa.Esta grande zona morta era esperada uma vez que as amostras eram feitas de AMFs maiores que exigiam pressões mais elevadas para superar a sua tensão inicial.Na fig.A Figura 4F também mostra que a curva de liberação quase coincide com a curva de aumento de pressão, indicando pouca perda de energia quando o movimento do disco é alternado.
Os resultados experimentais para os três atuadores de flexão (reconfiguração do tecido) mostram que suas curvas de histerese têm um padrão semelhante (Figura 4G), onde experimentam uma zona morta de pressão de entrada de até 0,2 MPa antes do levantamento.Aplicamos o mesmo volume de líquido (0,035 ml) em três dobradores (L20, L30 e L50 mm).No entanto, cada atuador experimentou diferentes picos de pressão e desenvolveu diferentes ângulos de curvatura.Os atuadores L20 e L30 mm experimentaram uma pressão de entrada de 0,72 e 0,67 MPa, atingindo ângulos de curvatura de 167° e 194° respectivamente.O acionamento de flexão mais longo (comprimento 50 mm) resistiu a uma pressão de 0,61 MPa e atingiu um ângulo de flexão máximo de 236°.Os gráficos de histerese do ângulo de pressão também revelaram lacunas relativamente grandes entre as curvas de pressurização e liberação para todos os três acionamentos de dobra.
A relação entre o volume de entrada e as propriedades de saída (alongamento, força, expansão de área, ângulo de flexão) para as configurações têxteis inteligentes acima pode ser encontrada na Figura Suplementar S2.
Os resultados experimentais na seção anterior demonstram claramente a relação proporcional entre a pressão de entrada aplicada e o alongamento de saída das amostras de AMF.Quanto mais forte for a tensão do AMB, maior será o alongamento que ele desenvolve e mais energia elástica ele acumula.Portanto, maior será a força compressiva que ela exerce.Os resultados também mostraram que os corpos de prova atingiram sua força máxima de compressão quando a pressão de entrada foi completamente removida.Esta seção tem como objetivo estabelecer uma relação direta entre o alongamento e a força máxima de contração de chapas tricotadas e tecidas por meio de modelagem analítica e verificação experimental.
A força contrátil máxima Fout (na pressão de entrada P = 0) de um único AMF foi dada na referência 49 e reintroduzida como segue:
Entre eles, α, E e A0 estão o fator de estiramento, o módulo de Young e a área da seção transversal do tubo de silicone, respectivamente;k é o coeficiente de rigidez da bobina espiral;x e li são deslocamento e comprimento inicial.AMP, respectivamente.
a equação certa.(1) Tomemos como exemplo os lençóis tricotados e tecidos (Fig. 5A, B).As forças de contração do produto tricotado Fkv e do produto tecido Fwh são expressas pelas equações (2) e (3), respectivamente.
onde mk é o número de voltas, φp é o ângulo de volta do tecido de malha durante a injeção (Fig. 5A), mh é o número de fios, θhp é o ângulo de engate do tecido de malha durante a injeção (Fig. 5B), εkv εwh é a folha tricotada e a deformação da folha tecida, F0 é a tensão inicial da bobina espiral.Derivação detalhada da equação.(2) e (3) podem ser encontrados nas informações de apoio.
Crie um modelo analítico para a relação força-alongamento.(A,B) Ilustrações de modelos analíticos para lençóis de malha e tecidos, respectivamente.(C,D) Comparação de modelos analíticos e dados experimentais para lençóis tricotados e tecidos.Erro quadrático médio da raiz RMSE.
Para testar o modelo desenvolvido, realizamos experimentos de alongamento usando os padrões de malha da Figura 2A e amostras trançadas da Figura 2B.A força de contração foi medida em incrementos de 5% para cada extensão bloqueada de 0% a 50%.A média e o desvio padrão das cinco tentativas são apresentados na Figura 5C (malha) e Figura 5D (malha).As curvas do modelo analítico são descritas por equações.Os parâmetros (2) e (3) são fornecidos na Tabela.1. Os resultados mostram que o modelo analítico está em boa concordância com os dados experimentais em toda a faixa de alongamento, com um erro quadrático médio (RMSE) de 0,34 N para malhas, 0,21 N para tecidos AMF H (direção horizontal) e 0,17 N para AMF tecido.V (direção vertical).
Além dos movimentos básicos, os têxteis inteligentes propostos podem ser programados mecanicamente para fornecer movimentos mais complexos, como curvatura em S, contração radial e deformação 2D para 3D.Apresentamos aqui vários métodos para programar têxteis inteligentes planos em estruturas desejadas.
Além de expandir o domínio na direção linear, as folhas tecidas unidirecionais podem ser programadas mecanicamente para criar movimento multimodal (Fig. 6A).Reconfiguramos a extensão da folha trançada como um movimento de flexão, restringindo uma de suas faces (superior ou inferior) com linha de costura.As folhas tendem a dobrar-se em direção à superfície delimitadora sob pressão.Na fig.6A mostra dois exemplos de painéis tecidos que adquirem a forma de S quando uma metade fica apertada no lado superior e a outra metade fica apertada no lado inferior.Alternativamente, você pode criar um movimento de dobra circular onde apenas toda a face é restringida.Uma folha trançada unidirecional também pode ser transformada em uma luva de compressão conectando suas duas extremidades em uma estrutura tubular (Fig. 6B).A manga é usada sobre o dedo indicador da pessoa para fornecer compressão, uma forma de massagem terapêutica para aliviar a dor ou melhorar a circulação.Ele pode ser dimensionado para caber em outras partes do corpo, como braços, quadris e pernas.
Capacidade de tecer folhas em uma direção.(A) Criação de estruturas deformáveis devido à programabilidade do formato das linhas de costura.(B) Manga de compressão de dedo.(C) Outra versão da folha trançada e sua implementação como manga de compressão do antebraço.(D) Outro protótipo de manga de compressão confeccionada em AMF tipo M, fio acrílico e tiras de velcro.Especificações detalhadas podem ser encontradas na seção Métodos.
A Figura 6C mostra outro exemplo de uma folha tecida unidirecional feita de um único AMF e fio de algodão.A folha pode expandir 45% em área (a 1,2 MPa) ou causar movimento circular sob pressão.Também incorporamos um lençol para criar uma manga de compressão no antebraço, fixando tiras magnéticas na extremidade do lençol.Outro protótipo de manga de compressão do antebraço é mostrado na Fig. 6D, na qual folhas trançadas unidirecionais foram feitas de AMF Tipo M (ver Métodos) e fios acrílicos para gerar forças de compressão mais fortes.Equipamos as extremidades dos lençóis com tiras de velcro para facilitar a fixação e para diferentes tamanhos de mãos.
A técnica de restrição, que converte extensão linear em movimento de flexão, também é aplicável a chapas tecidas bidirecionais.Tecemos os fios de algodão em um dos lados da urdidura e trama dos lençóis para que não se expandam (Fig. 7A).Assim, quando dois AMFs recebem pressão hidráulica independentemente um do outro, a folha sofre um movimento de flexão bidirecional para formar uma estrutura tridimensional arbitrária.Numa outra abordagem, utilizamos fios inextensíveis para limitar uma direção das folhas tecidas bidirecionais (Figura 7B).Assim, a chapa pode realizar movimentos independentes de flexão e estiramento quando o AMF correspondente está sob pressão.Na fig.7B mostra um exemplo em que uma folha trançada bidirecional é controlada para envolver dois terços de um dedo humano com um movimento de flexão e depois estender seu comprimento para cobrir o resto com um movimento de alongamento.O movimento bidirecional dos lençóis pode ser útil para design de moda ou desenvolvimento de roupas inteligentes.
Folha tecida bidirecional, folha tricotada e recursos de design radialmente expansíveis.(A) Painéis de vime bidirecionais colados bidirecionais para criar uma curvatura bidirecional.(B) Painéis de vime bidirecionais restritos unidirecionalmente produzem flexibilidade e alongamento.(C) Folha de malha altamente elástica, que pode se adaptar a diferentes curvaturas superficiais e até formar estruturas tubulares.(D) delimitação da linha central de uma estrutura em expansão radial formando um formato parabólico hiperbólico (batata frita).
Conectamos duas alças adjacentes das fileiras superior e inferior da parte tricotada com linha de costura para que não se desfiasse (Fig. 7C).Assim, a folha tecida é totalmente flexível e adapta-se bem a diversas curvas de superfície, tais como a superfície da pele das mãos e braços humanos.Também criamos uma estrutura tubular (manga) conectando as pontas da peça tricotada no sentido do deslocamento.A manga envolve bem o dedo indicador da pessoa (Fig. 7C).A sinuosidade do tecido proporciona excelente ajuste e deformabilidade, facilitando o uso em smart wear (luvas, mangas de compressão), proporcionando conforto (através do ajuste) e efeito terapêutico (através da compressão).
Além da expansão radial 2D em múltiplas direções, as folhas tecidas circulares também podem ser programadas para formar estruturas 3D.Limitamos a linha central da trança redonda com fio acrílico para interromper sua expansão radial uniforme.Como resultado, a forma plana original da folha tecida redonda foi transformada numa forma parabólica hiperbólica (ou batatas fritas) após pressurização (Fig. 7D).Essa capacidade de mudança de forma poderia ser implementada como um mecanismo de elevação, uma lente óptica, pernas de robôs móveis ou poderia ser útil em design de moda e robôs biônicos.
Desenvolvemos uma técnica simples para criar unidades de flexão colando AMF em uma tira de tecido não elástico (Figura 3).Usamos esse conceito para criar threads programáveis de forma, onde podemos distribuir estrategicamente múltiplas seções ativas e passivas em um AMF para criar as formas desejadas.Fabricamos e programamos quatro filamentos ativos que poderiam mudar sua forma de direto para letra (UNSW) à medida que a pressão aumentava (Fig. Suplementar S4).Este método simples permite a deformabilidade do AMF para transformar linhas 1D em formas 2D e possivelmente até estruturas 3D.
Em uma abordagem semelhante, usamos um único AMF para reconfigurar um pedaço de tecido normal passivo em um tetrápode ativo (Fig. 8A).Os conceitos de roteamento e programação são semelhantes aos mostrados na Figura 3C.Porém, em vez de lençóis retangulares, passaram a usar tecidos com padrão quadrúpede (tartaruga, musselina de algodão).Portanto, as pernas são mais longas e a estrutura pode ser elevada.A altura da estrutura aumenta gradualmente sob pressão até que suas pernas fiquem perpendiculares ao solo.Se a pressão de entrada continuar a aumentar, as pernas cederão para dentro, diminuindo a altura da estrutura.Os tetrápodes podem realizar locomoção se suas pernas estiverem equipadas com padrões unidirecionais ou usarem vários AMFs com estratégias de manipulação de movimento.Robôs de locomoção suave são necessários para uma variedade de tarefas, incluindo resgates em incêndios florestais, edifícios desabados ou ambientes perigosos, e robôs de distribuição de medicamentos médicos.
O tecido é reconfigurado para criar estruturas que mudam de forma.(A) Cole o AMF na borda da folha de tecido passivo, transformando-o em uma estrutura orientável de quatro patas.(BD) Dois outros exemplos de reconfiguração de tecidos, transformando borboletas e flores passivas em ativas.Tecido não elástico: musselina lisa de algodão.
Também aproveitamos a simplicidade e versatilidade desta técnica de reconfiguração de tecidos, introduzindo duas estruturas bioinspiradas adicionais para remodelagem (Figuras 8B-D).Com um AMF roteável, essas estruturas deformáveis são reconfiguradas de folhas de tecido passivo para estruturas ativas e orientáveis.Inspirados na borboleta monarca, fizemos uma estrutura transformadora de borboleta usando um pedaço de tecido em formato de borboleta (musselina de algodão) e um longo pedaço de AMF preso sob suas asas.Quando o AMF está sob pressão, as asas dobram-se.Assim como a Borboleta Monarca, as asas esquerda e direita do Robô Borboleta batem da mesma maneira porque ambas são controladas pela AMF.As abas borboleta são apenas para fins de exibição.Não pode voar como o Smart Bird (Festo Corp., EUA).Fizemos também uma flor de tecido (Figura 8D) composta por duas camadas de cinco pétalas cada.Colocamos o AMF abaixo de cada camada, após a borda externa das pétalas.Inicialmente as flores estão em plena floração, com todas as pétalas totalmente abertas.Sob pressão, o AMF provoca um movimento de flexão das pétalas, fazendo com que elas se fechem.Os dois AMFs controlam independentemente o movimento das duas camadas, enquanto as cinco pétalas de uma camada flexionam ao mesmo tempo.
Horário da postagem: 26 de dezembro de 2022