منسوجات ذكية تستخدم ألياف عضلية صناعية مدفوعة بالسوائل

شكرا لكم لزيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).بالإضافة إلى ذلك، ولضمان الدعم المستمر، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
يعرض دائريًا مكونًا من ثلاث شرائح في وقت واحد.استخدم الزرين السابق والتالي للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة، أو استخدم أزرار التمرير الموجودة في النهاية للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة.
إن الجمع بين المنسوجات والعضلات الاصطناعية لإنشاء منسوجات ذكية يجذب الكثير من الاهتمام من المجتمعين العلمي والصناعي.توفر المنسوجات الذكية العديد من الفوائد، بما في ذلك الراحة التكيفية ودرجة عالية من التوافق مع الأشياء مع توفير التشغيل النشط للحركة والقوة المطلوبة.تعرض هذه المقالة فئة جديدة من الأقمشة الذكية القابلة للبرمجة والمصنوعة باستخدام طرق مختلفة للنسج والنسيج ولصق ألياف العضلات الاصطناعية التي تحركها السوائل.تم تطوير نموذج رياضي لوصف نسبة قوة الاستطالة للصفائح النسيجية المحبوكة والمنسوجة ومن ثم تم اختبار صلاحيته عملياً.يتميز النسيج "الذكي" الجديد بمرونة عالية وتوافق وبرمجة ميكانيكية، مما يتيح إمكانيات الحركة والتشوه متعددة الوسائط لمجموعة واسعة من التطبيقات.تم إنشاء العديد من نماذج النسيج الذكية من خلال التحقق التجريبي، بما في ذلك حالات تغيير الشكل المختلفة مثل الاستطالة (حتى 65%)، وتوسيع المساحة (108%)، والتمدد الشعاعي (25%)، وحركة الانحناء.ويجري أيضًا استكشاف مفهوم إعادة تشكيل الأنسجة التقليدية السلبية إلى هياكل نشطة لهياكل تشكيل المحاكاة الحيوية.ومن المتوقع أن تسهل المنسوجات الذكية المقترحة تطوير الأجهزة الذكية القابلة للارتداء، والأنظمة اللمسية، والروبوتات الناعمة المحاكاة الحيوية، والإلكترونيات القابلة للارتداء.
تعتبر الروبوتات الصلبة فعالة عند العمل في بيئات منظمة، ولكنها تواجه مشاكل مع السياق غير المعروف للبيئات المتغيرة، مما يحد من استخدامها في البحث أو الاستكشاف.تستمر الطبيعة في مفاجأتنا بالعديد من الاستراتيجيات المبتكرة للتعامل مع العوامل الخارجية والتنوع.على سبيل المثال، تقوم محلاق النباتات المتسلقة بحركات متعددة الوسائط، مثل الانحناء والتصاعد، لاستكشاف بيئة غير معروفة بحثًا عن دعم مناسب.تحتوي صائدة الذباب فينوس (Dionaea muscipula) على شعيرات حساسة على أوراقها، والتي عند تحفيزها، تستقر في مكانها للقبض على الفريسة.في السنوات الأخيرة، أصبح تشوه أو تشوه الأجسام من الأسطح ثنائية الأبعاد (2D) إلى الأشكال ثلاثية الأبعاد (3D) التي تحاكي الهياكل البيولوجية موضوعًا بحثيًا مثيرًا للاهتمام.تغير هذه التكوينات الروبوتية الناعمة شكلها للتكيف مع البيئات المتغيرة، وتمكين الحركة متعددة الوسائط، وتطبيق القوى لأداء الأعمال الميكانيكية.وقد امتد نطاق وصولها إلى مجموعة واسعة من تطبيقات الروبوتات، بما في ذلك الروبوتات القابلة للنشر5، والروبوتات القابلة لإعادة التشكيل والطي الذاتي6،7، والأجهزة الطبية الحيوية8، والمركبات9،10 والإلكترونيات القابلة للتوسيع11.
لقد تم إجراء الكثير من الأبحاث لتطوير لوحات مسطحة قابلة للبرمجة، والتي عند تفعيلها، تتحول إلى هياكل معقدة ثلاثية الأبعاد 3 .تتمثل إحدى الأفكار البسيطة لإنشاء هياكل قابلة للتشوه في الجمع بين طبقات من مواد مختلفة تنثني وتتجعد عند تعرضها للمحفزات .جانباز وآخرون.14 ولي وآخرون.قام 15 بتنفيذ هذا المفهوم لإنشاء روبوتات متعددة الوسائط وقابلة للتشوه حساسة للحرارة.تم استخدام الهياكل القائمة على الأوريجامي والتي تتضمن عناصر تستجيب للتحفيز لإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة .مستوحاة من تشكل الهياكل البيولوجية، إيمانويل وآخرون.يتم إنشاء اللدائن القابلة للتشوه من خلال تنظيم قنوات الهواء داخل سطح مطاطي تتحول تحت الضغط إلى أشكال معقدة وتعسفية ثلاثية الأبعاد.
يعد دمج المنسوجات أو الأقمشة في الروبوتات الناعمة القابلة للتشوه مشروعًا جديدًا آخر أثار اهتمامًا واسع النطاق.المنسوجات عبارة عن مواد ناعمة ومرنة مصنوعة من الخيوط عن طريق تقنيات النسيج مثل الحياكة أو النسيج أو التضفير أو النسيج العقدي.إن الخصائص المذهلة للأقمشة، بما في ذلك المرونة والملاءمة والمرونة والتهوية، تجعلها تحظى بشعبية كبيرة في كل شيء بدءًا من الملابس وحتى التطبيقات الطبية20.هناك ثلاثة أساليب واسعة النطاق لدمج المنسوجات في الروبوتات.النهج الأول هو استخدام النسيج كدعم سلبي أو قاعدة للمكونات الأخرى.في هذه الحالة، توفر المنسوجات السلبية ملاءمة مريحة للمستخدم عند حمل المكونات الصلبة (المحركات وأجهزة الاستشعار وإمدادات الطاقة).تندرج معظم الروبوتات الناعمة القابلة للارتداء أو الهياكل الخارجية الناعمة ضمن هذا النهج.على سبيل المثال، الهياكل الخارجية الناعمة القابلة للارتداء لمساعدات المشي 22 وأدوات مساعدة الكوع 23، 24، 25، والقفازات الناعمة القابلة للارتداء 26 لمساعدات اليد والأصابع، والروبوتات الناعمة الإلكترونية 27.
النهج الثاني هو استخدام المنسوجات كمكونات سلبية ومحدودة للأجهزة الروبوتية الناعمة.تندرج المحركات القائمة على النسيج ضمن هذه الفئة، حيث يتم تصنيع القماش عادةً كحاوية خارجية لاحتواء الخرطوم الداخلي أو الحجرة، مما يشكل مشغلًا مقوى بالألياف الناعمة.عند تعرضها لمصدر هوائي أو هيدروليكي خارجي، تخضع هذه المحركات الناعمة لتغييرات في الشكل، بما في ذلك الاستطالة أو الانحناء أو الالتواء، اعتمادًا على تركيبها وتكوينها الأصلي.على سبيل المثال، تالمان وآخرون.تم تقديم ملابس الكاحل العظمية، والتي تتكون من سلسلة من جيوب القماش، لتسهيل ثني أخمصي لاستعادة المشية.يمكن دمج طبقات النسيج ذات قابلية التمدد المختلفة لإنشاء حركة متباينة الخواص 29 .OmniSkins - يمكن للجلود الروبوتية الناعمة المصنوعة من مجموعة متنوعة من المحركات الناعمة والمواد الأساسية تحويل الأجسام السلبية إلى روبوتات نشطة متعددة الوظائف يمكنها أداء حركات وتشوهات متعددة الوسائط لتطبيقات مختلفة.تشو وآخرون.لقد طوروا صفيحة عضلية من الأنسجة السائلة يمكنها توليد حركات الاستطالة والانحناء وتشوهات مختلفة.باكنر وآخرون.دمج الألياف الوظيفية في الأنسجة التقليدية لإنشاء أنسجة روبوتية ذات وظائف متعددة مثل التشغيل والاستشعار والصلابة المتغيرة.يمكن العثور على طرق أخرى في هذه الفئة في هذه الأوراق 21، 33، 34، 35.
يتمثل أحد الأساليب الحديثة لتسخير الخصائص المتفوقة للمنسوجات في مجال الروبوتات الناعمة في استخدام خيوط تفاعلية أو مستجيبة للتحفيز لإنشاء منسوجات ذكية باستخدام طرق تصنيع المنسوجات التقليدية مثل طرق النسيج والحياكة والنسيج .اعتمادًا على تركيبة المادة، يتسبب الغزل التفاعلي في تغيير الشكل عند تعرضه لتأثير كهربائي أو حراري أو ضغط، مما يؤدي إلى تشوه القماش.في هذا النهج، حيث يتم دمج المنسوجات التقليدية في نظام آلي ناعم، تتم إعادة تشكيل النسيج على الطبقة الداخلية (الغزل) بدلاً من الطبقة الخارجية.على هذا النحو، توفر المنسوجات الذكية معالجة ممتازة من حيث الحركة متعددة الوسائط، والتشوه القابل للبرمجة، وقابلية التمدد، والقدرة على ضبط الصلابة.على سبيل المثال، يمكن دمج سبائك ذاكرة الشكل (SMAs) وبوليمرات ذاكرة الشكل (SMPs) في الأقمشة للتحكم بشكل فعال في شكلها من خلال التحفيز الحراري، مثل الحواف38، وإزالة التجاعيد36،39، والتغذية المرتدة عن طريق اللمس واللمس40،41، بالإضافة إلى التكيف. ملابس يمكن ارتداؤها.الأجهزة 42 .ومع ذلك فإن استخدام الطاقة الحرارية للتدفئة والتبريد يؤدي إلى بطء الاستجابة وصعوبة التبريد والتحكم.في الآونة الأخيرة، هيراميتسو وآخرون.تُستخدم عضلات McKibben الدقيقة 43، 44، وهي عضلات اصطناعية تعمل بالهواء المضغوط، كخيوط سداة لإنشاء أشكال مختلفة من المنسوجات النشطة عن طريق تغيير بنية النسج 45.على الرغم من أن هذا الأسلوب يوفر قوى عالية، نظرًا لطبيعة عضلة ماككيبين، فإن معدل تمددها محدود (<50%) ولا يمكن تحقيق حجم صغير (القطر <0.9 مم).بالإضافة إلى ذلك، كان من الصعب تشكيل أنماط نسجية ذكية من أساليب النسيج التي تتطلب زوايا حادة.لتشكيل مجموعة واسعة من المنسوجات الذكية، مازيز وآخرون.تم تطوير المنسوجات القابلة للارتداء كهربائيًا عن طريق الحياكة والنسيج لخيوط البوليمر الحساسة للكهرباء .
في السنوات الأخيرة، ظهر نوع جديد من العضلات الاصطناعية الحساسة للحرارة، والتي تم بناؤها من ألياف بوليمر ملتوية للغاية وغير مكلفة.هذه الألياف متاحة تجاريًا ويمكن دمجها بسهولة في النسيج أو النسيج لإنتاج ملابس ذكية بأسعار معقولة.على الرغم من التقدم، فإن هذه المنسوجات الجديدة الحساسة للحرارة لها أوقات استجابة محدودة بسبب الحاجة إلى التدفئة والتبريد (مثل المنسوجات التي يتم التحكم في درجة حرارتها) أو صعوبة صنع أنماط معقدة محبوكة ومنسوجة يمكن برمجتها لتوليد التشوهات والحركات المطلوبة .تشمل الأمثلة التوسع الشعاعي، أو تحويل الشكل ثنائي الأبعاد إلى ثلاثي الأبعاد، أو التوسع ثنائي الاتجاه، وهو ما نقدمه هنا.
للتغلب على هذه المشاكل المذكورة أعلاه، تقدم هذه المقالة نسيجًا ذكيًا جديدًا يحركه السوائل مصنوعًا من ألياف العضلات الاصطناعية الناعمة (AMF) التي تم طرحها مؤخرًا.تتميز صناديق AMF بمرونة عالية وقابلة للتطوير ويمكن تقليلها إلى قطر يبلغ 0.8 مم وأطوال كبيرة (5000 مم على الأقل)، مما يوفر نسبة عرض إلى ارتفاع عالية (الطول إلى القطر) بالإضافة إلى استطالة عالية (245٪ على الأقل)، وطاقة عالية الكفاءة، استجابة سريعة أقل من 20 هرتز).لإنشاء منسوجات ذكية، نستخدم AMF كخيوط نشطة لتشكيل طبقات عضلية نشطة ثنائية الأبعاد من خلال تقنيات الحياكة والنسيج.لقد قمنا بدراسة كمية معدل التمدد وقوة الانكماش لهذه الأنسجة "الذكية" من حيث حجم السائل والضغط الناتج.تم تطوير نماذج تحليلية لتحديد علاقة قوة الاستطالة للصفائح المحبوكة والمنسوجة.نحن أيضًا نصف العديد من تقنيات البرمجة الميكانيكية للمنسوجات الذكية للحركة متعددة الوسائط، بما في ذلك التمديد ثنائي الاتجاه، والانحناء، والتوسع الشعاعي، والقدرة على الانتقال من ثنائي الأبعاد إلى ثلاثي الأبعاد.لإثبات قوة نهجنا، سنقوم أيضًا بدمج AMF في الأقمشة أو المنسوجات التجارية لتغيير تكوينها من الهياكل السلبية إلى الهياكل النشطة التي تسبب تشوهات مختلفة.لقد أظهرنا أيضًا هذا المفهوم على العديد من مقاعد الاختبار التجريبية، بما في ذلك ثني الخيوط القابلة للبرمجة لإنتاج الحروف المرغوبة وهياكل بيولوجية متغيرة الشكل إلى شكل أشياء مثل الفراشات، والهياكل الرباعية، والزهور.
المنسوجات عبارة عن هياكل مرنة ثنائية الأبعاد تتكون من خيوط متشابكة أحادية البعد مثل الخيوط والخيوط والألياف.يعد النسيج أحد أقدم التقنيات البشرية ويستخدم على نطاق واسع في جميع جوانب الحياة نظرًا لراحته وقدرته على التكيف والتهوية والجمال والحماية.يتم استخدام المنسوجات الذكية (المعروفة أيضًا بالملابس الذكية أو الأقمشة الروبوتية) بشكل متزايد في الأبحاث نظرًا لإمكاناتها الكبيرة في التطبيقات الروبوتية.تعد المنسوجات الذكية بتحسين تجربة الإنسان في التفاعل مع الأشياء الناعمة، مما يؤدي إلى نقلة نوعية في المجال حيث يمكن التحكم في حركة وقوى النسيج الرقيق والمرن لأداء مهام محددة.في هذه الورقة، نستكشف طريقتين لإنتاج المنسوجات الذكية استنادًا إلى AMF49 الذي قمنا به مؤخرًا: (1) استخدام AMF كخيوط نشطة لإنشاء منسوجات ذكية باستخدام تقنيات تصنيع المنسوجات التقليدية؛(2) أدخل AMF مباشرة في الأقمشة التقليدية لتحفيز الحركة والتشوه المطلوب.
يتكون AMF من أنبوب سيليكون داخلي لتزويد الطاقة الهيدروليكية وملف حلزوني خارجي للحد من توسعه الشعاعي.وبالتالي، فإن AMFs تستطيل طوليًا عند تطبيق الضغط وتظهر بعد ذلك قوى انقباضية لتعود إلى طولها الأصلي عند تحرير الضغط.وتتميز بخصائص مشابهة للألياف التقليدية، بما في ذلك المرونة والقطر الصغير والطول الطويل.ومع ذلك، فإن AMF أكثر نشاطًا وتحكمًا من حيث الحركة والقوة من نظيراتها التقليدية.مستوحاة من التطورات السريعة الأخيرة في المنسوجات الذكية، نقدم هنا أربعة أساليب رئيسية لإنتاج المنسوجات الذكية من خلال تطبيق AMF على تكنولوجيا تصنيع النسيج الراسخة (الشكل 1).
الطريقة الأولى هي النسيج.نحن نستخدم تقنية حياكة اللحمة لإنتاج نسيج محبوك تفاعلي يتكشف في اتجاه واحد عند تشغيله هيدروليكيًا.الأغطية المحبوكة قابلة للتمدد والتمدد للغاية ولكنها تميل إلى التفكك بسهولة أكبر من الأغطية المنسوجة.اعتمادًا على طريقة التحكم، يمكن لـ AMF تشكيل صفوف فردية أو منتجات كاملة.بالإضافة إلى الصفائح المسطحة، فإن أنماط الحياكة الأنبوبية مناسبة أيضًا لتصنيع هياكل AMF المجوفة.الطريقة الثانية هي النسيج، حيث نستخدم اثنين من AMF للسداة واللحمة لتشكيل ورقة منسوجة مستطيلة يمكن أن تتوسع بشكل مستقل في اتجاهين.توفر الأغطية المنسوجة تحكمًا أكبر (في كلا الاتجاهين) من الأغطية المحبوكة.لقد قمنا أيضًا بنسج AMF من الخيوط التقليدية لصنع لوح منسوج أبسط لا يمكن فكه إلا في اتجاه واحد.الطريقة الثالثة - التمدد الشعاعي - هي نوع مختلف من تقنية النسيج، حيث لا توجد AMPs في شكل مستطيل، ولكن في شكل حلزوني، وتوفر الخيوط قيدًا شعاعيًا.في هذه الحالة، يتوسع الجديل شعاعيًا تحت ضغط المدخل.الطريقة الرابعة هي لصق AMF على قطعة من القماش السلبي لإنشاء حركة انحناء في الاتجاه المطلوب.لقد قمنا بإعادة تكوين لوحة الاختراق السلبية إلى لوحة اختراق نشطة عن طريق تشغيل AMF حول حافتها.تفتح هذه الطبيعة القابلة للبرمجة لـ AMF إمكانيات لا حصر لها لهياكل ناعمة مستوحاة من الشكل الحيوي حيث يمكننا تحويل الكائنات السلبية إلى كائنات نشطة.هذه الطريقة بسيطة وسهلة وسريعة، ولكنها يمكن أن تؤثر على طول عمر النموذج الأولي.تتم إحالة القارئ إلى المناهج الأخرى في الأدبيات التي توضح بالتفصيل نقاط القوة والضعف في كل خاصية من الأنسجة.
تحتوي معظم الخيوط أو الخيوط المستخدمة في صناعة الأقمشة التقليدية على هياكل سلبية.في هذا العمل، نستخدم AMF الذي تم تطويره مسبقًا، والذي يمكن أن يصل إلى أطوال متر وأقطار أقل من المليمتر، لاستبدال خيوط النسيج السلبية التقليدية بـ AFM لإنشاء أقمشة ذكية ونشطة لمجموعة واسعة من التطبيقات.تصف الأقسام التالية الطرق التفصيلية لصنع نماذج أولية ذكية للمنسوجات وتقدم وظائفها وسلوكياتها الرئيسية.
لقد صنعنا ثلاثة قمصان AMF يدويًا باستخدام تقنية حياكة اللحمة (الشكل 2A).يمكن العثور على اختيار المواد والمواصفات التفصيلية لـ AMFs والنماذج الأولية في قسم الأساليب.يتبع كل AMF مسارًا متعرجًا (يُسمى أيضًا المسار) يشكل حلقة متماثلة.يتم إصلاح حلقات كل صف بحلقات الصفوف الموجودة فوقها وتحتها.يتم دمج حلقات عمود واحد متعامد مع الدورة في عمود.يتكون نموذجنا المحبوك من ثلاثة صفوف من سبع غرز (أو سبع غرز) في كل صف.الحلقات العلوية والسفلية غير ثابتة، لذا يمكننا ربطها بالقضبان المعدنية المقابلة.تتفكك النماذج الأولية المحبوكة بسهولة أكبر من الأقمشة المحبوكة التقليدية بسبب الصلابة العالية لـ AMF مقارنة بالخيوط التقليدية.لذلك، قمنا بربط حلقات الصفوف المجاورة بحبال مرنة رفيعة.
يتم تنفيذ العديد من النماذج الأولية للمنسوجات الذكية بتكوينات مختلفة لـ AMF.(أ) ورقة محبوكة مصنوعة من ثلاثة AMFs.(ب) صفائح منسوجة ثنائية الاتجاه لاثنين من AMFs.(ج) يمكن للصفيحة المنسوجة أحادية الاتجاه المصنوعة من AMF وخيوط الأكريليك أن تتحمل حمولة قدرها 500 جرام، أي ما يعادل 192 ضعف وزنها (2.6 جرام).(د) هيكل متوسع شعاعيًا باستخدام AMF واحد وغزل القطن كقيد شعاعي.يمكن العثور على المواصفات التفصيلية في قسم الأساليب.
على الرغم من أن الحلقات المتعرجة من الحياكة يمكن أن تمتد في اتجاهات مختلفة، إلا أن نموذج الحياكة الخاص بنا يتمدد بشكل أساسي في اتجاه الحلقة تحت الضغط بسبب القيود في اتجاه الحركة.يساهم إطالة كل AMF في توسيع المساحة الإجمالية للورقة المحبوكة.اعتمادا على متطلبات محددة، يمكننا التحكم في ثلاثة AMFs بشكل مستقل عن ثلاثة مصادر مختلفة للسوائل (الشكل 2A) أو في وقت واحد من مصدر سائل واحد عبر موزع السوائل 1 إلى 3.على الشكل.يُظهر الشكل 2A مثالاً لنموذج أولي محبوك، زادت مساحته الأولية بنسبة 35% أثناء الضغط على ثلاثة أمبير (1.2 ميجاباسكال).ومن الجدير بالذكر أن AMF يحقق استطالة عالية تصل إلى 250% على الأقل من طوله الأصلي 49 بحيث يمكن أن تمتد الصفائح المحبوكة أكثر من الإصدارات الحالية.
لقد أنشأنا أيضًا صفائح نسج ثنائية الاتجاه مكونة من اثنين من AMFs باستخدام تقنية النسج العادي (الشكل 2B).يتشابك السداة واللحمة AMF بزوايا قائمة، مما يشكل نمطًا متقاطعًا بسيطًا.تم تصنيف نسجنا النموذجي على أنه نسج عادي متوازن لأن خيوط السداة واللحمة مصنوعة من نفس حجم الغزل (انظر قسم الطرق للحصول على التفاصيل).على عكس الخيوط العادية التي يمكن أن تشكل طيات حادة، يتطلب AMF المطبق نصف قطر انحناء معين عند العودة إلى خيط آخر من نمط النسيج.ولذلك، فإن الصفائح المنسوجة المصنوعة من AMP لها كثافة أقل مقارنة بالمنسوجات المنسوجة التقليدية.AMF من النوع S (القطر الخارجي 1.49 مم) لديه حد أدنى لنصف قطر الانحناء يبلغ 1.5 مم.على سبيل المثال، يحتوي النموذج الأولي للنسيج الذي نقدمه في هذه المقالة على نمط خيط 7×7 حيث يتم تثبيت كل تقاطع بعقدة من الحبل المرن الرفيع.باستخدام نفس تقنية النسيج، يمكنك الحصول على المزيد من الخيوط.
عندما يتلقى AMF المقابل ضغط السائل، تقوم اللوحة المنسوجة بتوسيع مساحتها في اتجاه السداة أو اللحمة.لذلك، قمنا بالتحكم في أبعاد الورقة المضفرة (الطول والعرض) عن طريق تغيير مقدار ضغط المدخل المطبق على اثنين من AMP بشكل مستقل.على الشكل.يُظهر الشكل 2B نموذجًا أوليًا منسوجًا توسع إلى 44% من مساحته الأصلية أثناء الضغط على واحد أمبير (1.3 ميجاباسكال).مع العمل المتزامن للضغط على اثنين من صناديق AMF، زادت المساحة بنسبة 108٪.
لقد صنعنا أيضًا ورقة منسوجة أحادية الاتجاه من AMF واحدة مع خيوط السداة والأكريليك كاللحمة (الشكل 2C).يتم ترتيب AMFs في سبعة صفوف متعرجة وتقوم الخيوط بنسج هذه الصفوف من AMFs معًا لتشكل ورقة مستطيلة من القماش.كان هذا النموذج المنسوج أكثر كثافة مما هو عليه في الشكل 2ب، وذلك بفضل خيوط الأكريليك الناعمة التي ملأت الورقة بأكملها بسهولة.نظرًا لأننا نستخدم AMF واحدًا فقط كسداة، فإن اللوح المنسوج لا يمكن أن يتمدد إلا نحو السداة تحت الضغط.يوضح الشكل 2C مثالاً لنموذج أولي منسوج تزيد مساحته الأولية بنسبة 65٪ مع زيادة الضغط (1.3 ميجا باسكال).بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه القطعة المضفرة (وزنها 2.6 جرام) رفع حمولة قدرها 500 جرام، أي ما يعادل 192 ضعف كتلتها.
بدلاً من ترتيب AMF في نمط متعرج لإنشاء ورقة منسوجة مستطيلة، قمنا بتصنيع شكل حلزوني مسطح من AMF، والذي تم بعد ذلك تقييده شعاعيًا بخيوط القطن لإنشاء ورقة منسوجة مستديرة (الشكل 2D).تحد الصلابة العالية لـ AMF من ملء المنطقة المركزية للوحة.ومع ذلك، يمكن أن تكون هذه الحشوة مصنوعة من خيوط مرنة أو أقمشة مرنة.عند تلقي الضغط الهيدروليكي، يقوم AMP بتحويل استطالته الطولية إلى تمدد شعاعي للورقة.ومن الجدير بالذكر أيضًا أن كلا من القطرين الخارجي والداخلي للشكل الحلزوني يزدادان بسبب القيود الشعاعية للخيوط.يوضح الشكل 2 د أنه عند تطبيق ضغط هيدروليكي قدره 1 ميجا باسكال، يتوسع شكل الصفيحة المستديرة إلى 25% من مساحتها الأصلية.
نقدم هنا طريقة ثانية لصنع المنسوجات الذكية حيث نلصق AMF بقطعة قماش مسطحة ونعيد تشكيلها من هيكل سلبي إلى هيكل يتم التحكم فيه بشكل فعال.يظهر الرسم التخطيطي لتصميم محرك الانحناء في الشكل.الشكل 3A، حيث يتم طي AMP لأسفل من المنتصف ولصقه على شريط من القماش غير القابل للتمديد (نسيج قطني موسلين) باستخدام شريط مزدوج الجوانب كمادة لاصقة.بمجرد إغلاقه، يصبح الجزء العلوي من AMF حرًا في التمدد، في حين أن الجزء السفلي مقيد بالشريط والقماش، مما يتسبب في انحناء الشريط نحو القماش.يمكننا إلغاء تنشيط أي جزء من مشغل الانحناء في أي مكان بمجرد لصق شريط من الشريط عليه.لا يمكن للجزء المعطل أن يتحرك ويصبح مقطعًا سلبيًا.
تتم إعادة تشكيل الأقمشة عن طريق لصق AMF على الأقمشة التقليدية.(أ) مفهوم التصميم لمحرك الانحناء الذي يتم إجراؤه عن طريق لصق AMF مطوي على قماش غير قابل للتمديد.(ب) الانحناء للنموذج الأولي للمحرك.(ج) إعادة تشكيل قطعة قماش مستطيلة إلى روبوت نشط بأربعة أرجل.نسيج غير مرن: قطن جيرسي.قماش مطاطي: بوليستر.يمكن العثور على المواصفات التفصيلية في قسم الأساليب.
لقد صنعنا عدة نماذج أولية لمحركات الانحناء بأطوال مختلفة وقمنا بالضغط عليها باستخدام المكونات الهيدروليكية لإنشاء حركة الانحناء (الشكل 3ب).الأهم من ذلك، أنه يمكن وضع AMF في خط مستقيم أو طيها لتشكيل خيوط متعددة ثم لصقها على القماش لإنشاء محرك ثني بالعدد المناسب من الخيوط.قمنا أيضًا بتحويل ورقة الأنسجة السلبية إلى هيكل رباعي الأرجل نشط (الشكل 3C)، حيث استخدمنا AMF لتوجيه حدود الأنسجة المستطيلة غير القابلة للتمديد (نسيج الشاش القطني).يتم تثبيت AMP على القماش بقطعة من الشريط اللاصق على الوجهين.يتم لصق منتصف كل حافة ليصبح سلبيًا، بينما تظل الزوايا الأربع نشطة.الغطاء العلوي من القماش المطاطي (البوليستر) اختياري.تنحني الزوايا الأربع للنسيج (تشبه الأرجل) عند الضغط عليها.
قمنا ببناء مقعد اختبار للدراسة الكمية لخصائص المنسوجات الذكية المطورة (انظر قسم الأساليب والشكل التكميلي S1).نظرًا لأن جميع العينات مصنوعة من AMF، فإن الاتجاه العام للنتائج التجريبية (الشكل 4) يتوافق مع الخصائص الرئيسية لـ AMF، وهي أن ضغط المدخل يتناسب طرديًا مع استطالة المخرج ويتناسب عكسيًا مع قوة الضغط.ومع ذلك، تتمتع هذه الأقمشة الذكية بخصائص فريدة تعكس تكويناتها المحددة.
تتميز بتكوينات نسيجية ذكية.(أ، ب) منحنيات التباطؤ لضغط المدخل واستطالة المخرج والقوة للألواح المنسوجة.(ج) توسيع مساحة الورقة المنسوجة.(د،ه) العلاقة بين ضغط المدخلات واستطالة الإخراج والقوة للتريكو.(F) توسيع مساحة الهياكل المتوسعة شعاعياً.(ز) زوايا الانحناء بثلاثة أطوال مختلفة لمحركات الانحناء.
تم تعريض كل AMF من الصفائح المنسوجة لضغط مدخل قدره 1 ميجا باسكال لتوليد استطالة بنسبة 30٪ تقريبًا (الشكل 4A).لقد اخترنا هذه العتبة للتجربة بأكملها لعدة أسباب: (1) لإنشاء استطالة كبيرة (حوالي 30٪) للتأكيد على منحنيات التباطؤ، (2) لمنع ركوب الدراجات من تجارب مختلفة ونماذج أولية قابلة لإعادة الاستخدام مما يؤدي إلى تلف عرضي أو فشل..تحت ضغط السوائل العالي.تكون المنطقة الميتة مرئية بوضوح، ويظل الجديلة بلا حراك حتى يصل ضغط المدخل إلى 0.3 ميجاباسكال.يُظهر مخطط تباطؤ استطالة الضغط فجوة كبيرة بين مرحلتي الضخ والإفراج، مما يشير إلى أن هناك خسارة كبيرة في الطاقة عندما تغير اللوحة المنسوجة حركتها من التمدد إلى الانكماش.(الشكل 4 أ).بعد الحصول على ضغط مدخل قدره 1 ميجا باسكال، يمكن للصفائح المنسوجة أن تمارس قوة انكماش قدرها 5.6 ​​نيوتن (الشكل 4ب).يُظهر مخطط تباطؤ قوة الضغط أيضًا أن منحنى إعادة الضبط يتداخل تقريبًا مع منحنى تراكم الضغط.توسيع مساحة الورقة المنسوجة يعتمد على مقدار الضغط المطبق على كل من AMFs، كما هو مبين في المؤامرة السطحية ثلاثية الأبعاد (الشكل 4C).تظهر التجارب أيضًا أن اللوح المنسوج يمكن أن ينتج توسعًا في المساحة بنسبة 66% عندما تتعرض السداة واللحمة AMFs في نفس الوقت لضغط هيدروليكي قدره 1 ميجا باسكال.
تُظهر النتائج التجريبية للورقة المحبوكة نمطًا مشابهًا للورقة المنسوجة، بما في ذلك فجوة التباطؤ الواسعة في مخطط ضغط التوتر ومنحنيات قوة الضغط المتداخلة.أظهرت الورقة المحبوكة استطالة بنسبة 30٪، وبعد ذلك كانت قوة الضغط 9 نيوتن عند ضغط مدخل قدره 1 ميجا باسكال (الشكل 4D، E).
في حالة الصفيحة المنسوجة المستديرة، زادت مساحتها الأولية بنسبة 25% مقارنة بالمساحة الأولية بعد التعرض لضغط سائل قدره 1 ميجا باسكال (الشكل 4F).قبل أن تبدأ العينة في التوسع، توجد منطقة ميتة كبيرة لضغط المدخل تصل إلى 0.7 ميجا باسكال.كانت هذه المنطقة الميتة الكبيرة متوقعة حيث تم إجراء العينات من AMFs الأكبر حجمًا والتي تتطلب ضغوطًا أعلى للتغلب على إجهادها الأولي.على الشكل.يوضح الشكل 4F أيضًا أن منحنى التحرير يتزامن تقريبًا مع منحنى زيادة الضغط، مما يشير إلى فقد القليل من الطاقة عند تبديل حركة القرص.
تظهر النتائج التجريبية لمشغلات الانحناء الثلاثة (إعادة تشكيل الأنسجة) أن منحنيات التباطؤ الخاصة بها لها نمط مماثل (الشكل 4G)، حيث تواجه منطقة ميتة لضغط المدخل تصل إلى 0.2 ميجا باسكال قبل الرفع.طبقنا نفس الحجم من السائل (0.035 مل) على ثلاثة محركات ثني (L20، L30 وL50 مم).ومع ذلك، شهد كل مشغل قمم ضغط مختلفة وطور زوايا انحناء مختلفة.شهدت المحركات L20 وL30 ملم ضغطًا مدخلًا قدره 0.72 و0.67 ميجا باسكال، حيث وصلت زوايا الانحناء إلى 167 درجة و194 درجة على التوالي.أطول محرك ثني (طوله 50 مم) صمد أمام ضغط قدره 0.61 ميجا باسكال ووصل إلى أقصى زاوية انحناء قدرها 236 درجة.كشفت مخططات تباطؤ زاوية الضغط أيضًا عن فجوات كبيرة نسبيًا بين منحنيات الضغط والإفراج لجميع محركات الانحناء الثلاثة.
يمكن العثور على العلاقة بين حجم الإدخال وخصائص الإخراج (الاستطالة، القوة، توسيع المساحة، زاوية الانحناء) لتكوينات النسيج الذكية المذكورة أعلاه في الشكل التكميلي S2.
توضح النتائج التجريبية في القسم السابق بوضوح العلاقة التناسبية بين ضغط المدخل المطبق واستطالة مخرج عينات AMF.كلما كان AMB أقوى، زاد استطالته وتراكمت طاقة أكثر مرونة.وبالتالي، كلما زادت قوة الضغط التي تمارسها.كما أظهرت النتائج أن العينات وصلت إلى أقصى قوة ضغط لها عند إزالة الضغط المدخل بالكامل.يهدف هذا القسم إلى إيجاد علاقة مباشرة بين الاستطالة وقوة الانكماش القصوى للصفائح المحبوكة والمنسوجة من خلال النمذجة التحليلية والتحقق التجريبي.
تم إعطاء الحد الأقصى لقوة الانقباض Fout (عند ضغط المدخل P = 0) لـ AMF واحد في المرجع 49 وأعيد تقديمه على النحو التالي:
من بينها، α وE وA0 هي عامل التمدد ومعامل يونغ ومنطقة المقطع العرضي لأنبوب السيليكون، على التوالي؛k هو معامل صلابة الملف الحلزوني؛يتم إزاحة x وli والطول الأولي.أمبير، على التوالي.
المعادلة الصحيحة.(1) خذ الصفائح المحبوكة والمنسوجة كمثال (الشكل 5 أ، ب).يتم التعبير عن قوى الانكماش للمنتج المحبوك Fkv والمنتج المنسوج Fwh بالمعادلتين (2) و(3) على التوالي.
حيث mk هو عدد الحلقات، φp هي زاوية حلقة القماش المحبوك أثناء الحقن (الشكل 5A)، mh هو عدد الخيوط، θhp هي زاوية تعشيق القماش المحبوك أثناء الحقن (الشكل 5B)، εkv εwh هو اللوح المحبوك وتشوه اللوح المنسوج، F0 هو التوتر الأولي للملف الحلزوني.الاشتقاق التفصيلي للمعادلة.(2) و (3) موجود في المعلومات الداعمة.
إنشاء نموذج تحليلي للعلاقة بين الاستطالة والقوة.(أ،ب) الرسوم التوضيحية النموذجية التحليلية للأوراق المحبوكة والمنسوجة، على التوالي.(ج،د) مقارنة النماذج التحليلية والبيانات التجريبية للصفائح المحبوكة والمنسوجة.جذر RMSE يعني الخطأ المربع.
لاختبار النموذج المطور، أجرينا تجارب استطالة باستخدام الأنماط المحبوكة في الشكل 2A والعينات المضفرة في الشكل 2B.تم قياس قوة الانكماش بزيادات قدرها 5% لكل امتداد مقفل من 0% إلى 50%.ويرد المتوسط ​​والانحراف المعياري للتجارب الخمس في الشكل 5C (المتماسكة) والشكل 5D (المتماسكة).يتم وصف منحنيات النموذج التحليلي بالمعادلات.المعلمات (2) و (3) موضحة في الجدول.1. أظهرت النتائج أن النموذج التحليلي في اتفاق جيد مع البيانات التجريبية على مدى الاستطالة بأكمله مع جذر متوسط ​​مربع الخطأ (RMSE) قدره 0.34 N للملابس المحبوكة، 0.21 N للنسيج AMF H (الاتجاه الأفقي) و0.17 N لالمنسوجة AMF.الخامس (الاتجاه العمودي).
بالإضافة إلى الحركات الأساسية، يمكن برمجة المنسوجات الذكية المقترحة ميكانيكيًا لتوفير حركات أكثر تعقيدًا مثل S-bend والانكماش الشعاعي والتشوه ثنائي الأبعاد إلى ثلاثي الأبعاد.نقدم هنا عدة طرق لبرمجة المنسوجات الذكية المسطحة إلى الهياكل المطلوبة.
بالإضافة إلى توسيع المجال في الاتجاه الخطي، يمكن برمجة الصفائح المنسوجة أحادية الاتجاه ميكانيكيًا لإنشاء حركة متعددة الوسائط (الشكل 6A).نقوم بإعادة تشكيل امتداد الورقة المضفرة كحركة انحناء، مع تقييد أحد وجوهها (العلوية أو السفلية) بخيط الخياطة.تميل الصفائح إلى الانحناء نحو السطح المحيط تحت الضغط.على الشكل.يوضح الشكل 6A مثالين للألواح المنسوجة التي تصبح على شكل حرف S عندما يكون نصفها مكتظًا على الجانب العلوي والنصف الآخر مكتظًا على الجانب السفلي.بدلًا من ذلك، يمكنك إنشاء حركة انحناء دائرية حيث يتم تقييد الوجه بالكامل فقط.يمكن أيضًا تحويل الصفيحة المضفرة أحادية الاتجاه إلى غلاف ضغط عن طريق ربط طرفيها بهيكل أنبوبي (الشكل 6 ب).يتم ارتداء الكم على إصبع السبابة للشخص لتوفير الضغط، وهو شكل من أشكال العلاج بالتدليك لتخفيف الألم أو تحسين الدورة الدموية.يمكن تحجيمه ليناسب أجزاء الجسم الأخرى مثل الذراعين والوركين والساقين.
القدرة على نسج الأوراق في اتجاه واحد.(أ) إنشاء هياكل قابلة للتشوه بسبب إمكانية برمجة شكل خيوط الخياطة.(ب) كم ضغط الإصبع.(ج) نسخة أخرى من الصفيحة المضفرة وتنفيذها ككم ضاغط للساعد.(د) نموذج أولي آخر للأكمام المضغوطة مصنوع من نوع AMF من النوع M وخيوط الأكريليك وأشرطة الفيلكرو.يمكن العثور على المواصفات التفصيلية في قسم الأساليب.
ويبين الشكل 6C مثالاً آخر للصفائح المنسوجة أحادية الاتجاه المصنوعة من AMF واحد وغزل القطن.يمكن أن تتوسع الورقة بنسبة 45% في المساحة (عند 1.2 ميجاباسكال) أو تسبب حركة دائرية تحت الضغط.لقد قمنا أيضًا بدمج ورقة لإنشاء غلاف ضغط للساعد عن طريق ربط الأشرطة المغناطيسية بنهاية الورقة.يظهر الشكل 6D نموذجًا أوليًا آخر لضغط الساعد، حيث تم تصنيع صفائح مضفرة أحادية الاتجاه من النوع M AMF (انظر الطرق) وخيوط أكريليك لتوليد قوى ضغط أقوى.لقد قمنا بتجهيز أطراف الملاءات بأشرطة فيلكرو لسهولة التركيب ولأحجام اليد المختلفة.
تقنية التقييد، التي تحول الامتداد الخطي إلى حركة الانحناء، تنطبق أيضًا على الصفائح المنسوجة ثنائية الاتجاه.نقوم بنسج الخيوط القطنية على جانب واحد من الصفائح المنسوجة من السداة واللحمة بحيث لا تتوسع (الشكل 7 أ).وبالتالي، عندما يتلقى اثنان من AMFs ضغطًا هيدروليكيًا بشكل مستقل عن بعضهما البعض، تخضع الورقة لحركة انحناء ثنائية الاتجاه لتكوين هيكل عشوائي ثلاثي الأبعاد.في نهج آخر، نستخدم خيوط غير قابلة للتمديد للحد من اتجاه واحد من الصفائح المنسوجة ثنائية الاتجاه (الشكل 7B).وبالتالي، يمكن للوح أن يقوم بحركات ثني وتمديد مستقلة عندما يكون AMF المقابل تحت الضغط.على الشكل.يوضح الشكل 7B مثالاً يتم فيه التحكم في ورقة مضفرة ثنائية الاتجاه لتلتف حول ثلثي إصبع الإنسان بحركة ثني ثم تمتد بطولها لتغطية الباقي بحركة تمديد.يمكن أن تكون حركة الملاءات في الاتجاهين مفيدة لتصميم الأزياء أو تطوير الملابس الذكية.
صفائح منسوجة ثنائية الاتجاه، وصفائح محبوكة، وإمكانيات تصميم قابلة للتوسيع شعاعيًا.(أ) ألواح الخوص ثنائية الاتجاه المستعبدة ثنائية الاتجاه لإنشاء انحناء ثنائي الاتجاه.(ب) تنتج ألواح الخوص ثنائية الاتجاه المقيدة أحادية الاتجاه مرونة واستطالة.(ج) صفائح محبوكة مرنة للغاية، والتي يمكن أن تتوافق مع انحناءات السطح المختلفة وحتى تشكل هياكل أنبوبية.(د) ترسيم الخط المركزي لهيكل متوسع شعاعيًا يشكل شكلًا مكافئًا زائديًا (رقائق البطاطس).
قمنا بتوصيل حلقتين متجاورتين من الصفوف العلوية والسفلية للجزء المحبوك بخيط الخياطة حتى لا تتفكك (الشكل 7C).وبالتالي، فإن اللوحة المنسوجة تكون مرنة بالكامل وتتكيف بشكل جيد مع منحنيات السطح المختلفة، مثل سطح الجلد لليدين والذراعين البشرية.لقد أنشأنا أيضًا هيكلًا أنبوبيًا (كمًا) من خلال ربط أطراف الجزء المحبوك في اتجاه الحركة.يلتف الكم جيدًا حول إصبع السبابة للشخص (الشكل 7ج).توفر انسيابية القماش المنسوج ملاءمة ممتازة وقابلية للتشوه، مما يجعل من السهل استخدامه في الملابس الأنيقة (القفازات والأكمام الضاغطة)، مما يوفر الراحة (من خلال الملاءمة) والتأثير العلاجي (من خلال الضغط).
بالإضافة إلى التوسع الشعاعي ثنائي الأبعاد في اتجاهات متعددة، يمكن أيضًا برمجة الصفائح المنسوجة الدائرية لتكوين هياكل ثلاثية الأبعاد.قمنا بتقييد الخط الأوسط للضفيرة المستديرة بخيوط أكريليك لتعطيل توسعها الشعاعي الموحد.ونتيجة لذلك، تم تحويل الشكل المسطح الأصلي للورقة المنسوجة المستديرة إلى شكل قطع مكافئ زائدي (أو رقائق البطاطس) بعد الضغط (الشكل 7د).يمكن تنفيذ هذه القدرة على تغيير الشكل كآلية رفع، أو عدسة بصرية، أو أرجل روبوت متحركة، أو يمكن أن تكون مفيدة في تصميم الأزياء والروبوتات الإلكترونية.
لقد قمنا بتطوير تقنية بسيطة لإنشاء محركات الانحناء عن طريق لصق AMF على شريط من القماش غير القابل للتمدد (الشكل 3).نحن نستخدم هذا المفهوم لإنشاء خيوط قابلة للبرمجة حيث يمكننا توزيع أقسام نشطة وسلبية متعددة بشكل استراتيجي في AMF واحد لإنشاء الأشكال المطلوبة.قمنا بتصنيع وبرمجة أربعة خيوط نشطة يمكن أن تغير شكلها من المستقيم إلى الحرف (UNSW) مع زيادة الضغط (الشكل التكميلي S4).تسمح هذه الطريقة البسيطة لتشوه AMF بتحويل الخطوط أحادية الأبعاد إلى أشكال ثنائية الأبعاد وربما حتى هياكل ثلاثية الأبعاد.
في نهج مماثل، استخدمنا AMF واحد لإعادة تكوين قطعة من الأنسجة الطبيعية السلبية إلى رباعي الأرجل النشط (الشكل 8A).تشبه مفاهيم التوجيه والبرمجة تلك الموضحة في الشكل 3C.ومع ذلك، بدلا من الأوراق المستطيلة، بدأوا في استخدام الأقمشة ذات النمط الرباعي (السلحفاة، الشاش القطني).لذلك تكون الأرجل أطول ويمكن رفع الهيكل إلى أعلى.ويزداد ارتفاع الهيكل تدريجيا تحت الضغط حتى تصبح أرجله متعامدة مع الأرض.إذا استمر ضغط المدخل في الارتفاع، فسوف تتدلى الأرجل إلى الداخل، مما يقلل من ارتفاع الهيكل.يمكن لرباعيات الأرجل أداء الحركة إذا كانت أرجلها مجهزة بأنماط أحادية الاتجاه أو تستخدم AMFs متعددة مع استراتيجيات معالجة الحركة.هناك حاجة إلى روبوتات الحركة الناعمة للقيام بمجموعة متنوعة من المهام، بما في ذلك عمليات الإنقاذ من حرائق الغابات، والمباني المنهارة أو البيئات الخطرة، وروبوتات توصيل الأدوية الطبية.
تمت إعادة تشكيل القماش لإنشاء هياكل متغيرة الشكل.(أ) ألصق صندوق النقد العربي على حدود ورقة النسيج السلبي، وتحويله إلى هيكل قابل للتوجيه بأربعة أرجل.(BD) مثالان آخران لإعادة تشكيل الأنسجة، وتحويل الفراشات والزهور السلبية إلى فراشات نشطة.قماش غير قابل للتمدد: قطن الموسلين العادي.
نحن أيضًا نستفيد من بساطة وتنوع تقنية إعادة تشكيل الأنسجة هذه من خلال إدخال هيكلين إضافيين حيويين لإعادة التشكيل (الأشكال 8B-D).باستخدام AMF القابل للتوجيه، يتم إعادة تشكيل هذه الهياكل القابلة للتشوه من صفائح الأنسجة السلبية إلى الهياكل النشطة والقابلة للتوجيه.مستوحاة من الفراشة الملكية، قمنا بإنشاء هيكل فراشة متحول باستخدام قطعة من القماش على شكل فراشة (قطن الموسلين) وقطعة طويلة من AMF عالقة تحت جناحيها.عندما يكون AMF تحت الضغط، تطوى الأجنحة.مثل الفراشة الملكية، يرفرف الجناحان الأيسر والأيمن لروبوت الفراشة بنفس الطريقة لأنه يتم التحكم بهما بواسطة AMF.اللوحات الفراشة هي لأغراض العرض فقط.لا يمكنها الطيران مثل سمارت بيرد (شركة فيستو، الولايات المتحدة الأمريكية).لقد صنعنا أيضًا زهرة من القماش (الشكل 8 د) تتكون من طبقتين تحتوي كل منهما على خمس بتلات.وضعنا AMF أسفل كل طبقة بعد الحافة الخارجية للبتلات.في البداية، تكون الزهور في حالة إزهار كامل، وتكون جميع البتلات مفتوحة بالكامل.تحت الضغط، يسبب AMF حركة انحناء للبتلات، مما يؤدي إلى إغلاقها.يتحكم AMFs بشكل مستقل في حركة الطبقتين، بينما تنثني البتلات الخمس لطبقة واحدة في نفس الوقت.