Суюктук менен башкарылган жасалма булчуң жипчелерин колдонуу менен акылдуу текстиль

Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат.Сиз чектелген CSS колдоосу менен серепчи версиясын колдонуп жатасыз.Мыкты тажрыйба үчүн жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerдеги Шайкештик режимин өчүрүү).Мындан тышкары, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн биз сайтты стилсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Бир эле учурда үч слайддан турган каруселди көрсөтөт.Бир убакта үч слайд аркылуу өтүү үчүн Мурунку жана Кийинки баскычтарын колдонуңуз, же бир эле учурда үч слайд аркылуу өтүү үчүн аягындагы сыдырма баскычтарын колдонуңуз.
Акылдуу текстильдерди түзүү үчүн текстиль жана жасалма булчуңдарды бириктирүү илимий жана өнөр жай коомчулугунун көп көңүлүн буруп жатат.Акылдуу текстильдер көптөгөн артыкчылыктарды сунуштайт, анын ичинде адаптацияланган комфорт жана объекттерге жогорку деңгээлде ылайык келүү, ошол эле учурда каалаган кыймыл жана күч үчүн жигердүү аракетти камсыз кылат.Бул макалада суюктук менен башкарылган жасалма булчуң жипчелерин токуунун, токуунун жана чапташтыруунун ар кандай ыкмаларын колдонуу менен жасалган программалануучу акылдуу кездемелердин жаңы классы берилген.Трикотаж жана токулган текстиль барактарынын узаруу күчүнүн катышын сүрөттөө үчүн математикалык модель иштелип чыккан, андан кийин анын негиздүүлүгү эксперименталдык түрдө текшерилген.Жаңы "акылдуу" текстиль жогорку ийкемдүүлүктү, конформдуулукту жана механикалык программалоону камтыйт, бул көп модалдык кыймыл жана деформация мүмкүнчүлүктөрүн кеңири колдонуу үчүн мүмкүнчүлүк берет.Эксперименттик текшерүү аркылуу ар кандай акылдуу текстилдик прототиптер түзүлдү, анын ичинде узундук (65%ке чейин), аймакты кеңейтүү (108%), радиалдык кеңейүү (25%) жана ийилген кыймыл сыяктуу форманы өзгөртүү учурлары.Пассивдүү салттуу ткандарды биомиметикалык калыптандыруу структуралары үчүн активдүү структураларга кайра конфигурациялоо концепциясы да изилденип жатат.Сунушталган акылдуу текстильдер акылдуу тагынуучу түзүлүштөрдү, хаптикалык системаларды, биомиметикалык жумшак роботторду жана кийилүүчү электрониканы өнүктүрүүгө көмөктөшөт деп күтүлүүдө.
Катуу роботтор структураланган чөйрөдө иштегенде эффективдүү, бирок чөйрөнүн өзгөрүшүнүн белгисиз контекстинде көйгөйлөр бар, бул аларды издөөдө же чалгындоодо колдонууну чектейт.Жаратылыш бизди тышкы факторлор жана ар түрдүүлүк менен күрөшүү үчүн көптөгөн ойлоп табуучулук стратегиялары менен таң калтырууну улантууда.Мисалы, аскага чыгуучу өсүмдүктөрдүн тарамыштары ылайыктуу таянычты издөө үчүн белгисиз чөйрөнү изилдөө үчүн ийилүү жана спираль сыяктуу мультимодалдык кыймылдарды аткарат1.Венера чымын капканынын (Dionaea muscipula) жалбырактарында сезгич түкчөлөр бар, алар кыймылга келгенде, олжосун кармоо үчүн жабышып калат2.Акыркы жылдарда денелердин эки өлчөмдүү (2D) беттеринен биологиялык структураларды окшоштурган үч өлчөмдүү (3D) формаларга чейин деформациясы же деформациясы кызыктуу изилдөө темасына айланды3,4.Бул жумшак робот конфигурациялары өзгөрүп жаткан чөйрөгө ыңгайлашуу үчүн формасын өзгөртөт, мультимодалдык кыймылды камсыз кылат жана механикалык иштерди аткаруу үчүн күчтөрдү колдонот.Алардын чөйрөсү робототехника колдонмолорунун кеңири спектрине жайылды, анын ичинде жайгаштырылуучу5, кайра конфигурациялануучу жана өзүн-өзү бүктөлүүчү роботтор6,7, биомедициналык шаймандар8, транспорт каражаттары9,10 жана кеңейтилүүчү электроника11.
Программалоочу жалпак плиталарды иштеп чыгуу үчүн көптөгөн изилдөөлөр жүргүзүлдү, алар иштетилгенде татаал үч өлчөмдүү структураларга айланат3.Деформациялануучу структураларды түзүүнүн жөнөкөй идеясы - бул стимулга кабылганда ийилип, бырышчу ар кандай материалдардын катмарларын бириктирүү 12,13.Жанбаз жана башкалар.14 жана Ли жана башкалар.15 жылуулукка сезгич мультимодалдык деформациялануучу роботторду түзүү үчүн бул концепцияны ишке ашырышты.Оригами негизиндеги стимулга жооп берүүчү элементтерди камтыган структуралар татаал үч өлчөмдүү структураларды түзүү үчүн колдонулган16,17,18.Биологиялык структуралардын морфогенезинен шыктанган Эммануэль ж.б.Форма-деформациялануучу эластомерлер резина бетинин ичиндеги аба каналдарын уюштуруу аркылуу түзүлөт, алар басым астында татаал, ыктыярдуу үч өлчөмдүү формаларга айланат.
Текстильдерди же кездемелерди деформациялануучу жумшак роботторго интеграциялоо кеңири кызыгууну жараткан дагы бир жаңы концепциялык долбоор болуп саналат.Текстиль - жиптен токуу, токуу, өрүү же түйүү сыяктуу токуу ыкмалары менен жасалган жумшак жана ийкемдүү материалдар.Кездемелердин укмуштуудай касиеттери, анын ичинде ийкемдүүлүгү, туурасы, ийкемдүүлүгү жана дем алуусу, аларды кийимден баштап медициналык колдонмолорго чейин абдан популярдуу кылат20.Текстильди робототехникага киргизүүнүн үч кеңири ыкмасы бар21.Биринчи ыкма текстилди башка компоненттер үчүн пассивдүү таяныч же негиз катары колдонуу болуп саналат.Бул учурда пассивдүү текстиль колдонуучуга катуу тетиктерди (моторлор, сенсорлор, электр энергиясы) алып жүргөндө ыңгайлуу шарт түзөт.Көпчүлүк жумшак кийилүүчү роботтор же жумшак экзоскелеттер ушул ыкмага кирет.Мисалы, басуу куралдары үчүн жумшак кийилүүчү экзоскелеттер 22 жана чыканак үчүн жардамчылар 23, 24, 25, колго жана манжаларга жардам берүүчү жумшак мээлейлер 26 жана бионикалык жумшак роботтор 27.
Экинчи ыкма жумшак робот түзүлүштөрдүн пассивдүү жана чектелген компоненттери катары текстильди колдонуу болуп саналат.Текстильге негизделген кыймылдаткычтар бул категорияга кирет, мында кездеме, адатта, жумшак була менен бекемделген кыймылдаткычты түзүп, ички шланг же камераны камтыган сырткы контейнер катары курулат.Сырткы пневматикалык же гидравликалык булактан таасир эткенде, бул жумшак кыймылдаткычтар баштапкы курамына жана конфигурациясына жараша узундугун, ийилүүсүн же бурулушун кошкондо, формасы өзгөрөт.Мисалы, Талман жана башкалар.Ортопедиялык тамандын кийими, бир катар кездеме чөнтөктөрдөн турган, буттун бүгүүсүн жеңилдетүү үчүн басууну28 калыбына келтирүүгө киргизилген.Ар кандай узартуу менен текстилдик катмарлар анизотроптук кыймылды 29 түзүү үчүн бириктирилиши мүмкүн.OmniSkins – ар кандай жумшак кыймылдаткычтардан жана субстраттык материалдардан жасалган жумшак роботтук терилер пассивдүү объектилерди ар кандай тиркемелер үчүн көп модалдык кыймылдарды жана деформацияларды аткара алган көп функционалдуу активдүү роботторго айланта алат.Жу жана башкалар.суюк ткань булчуң барагын31 иштеп чыгышты, ал узартуу, ийилиш жана ар кандай деформациялык кыймылдарды жаратат.Бакнер жана башкалар.Функционалдык жипчелерди кадимки кыртыштарга интеграциялоо, ишке киргизүү, сезүү жана өзгөрүлмө катаалдуулук32 сыяктуу бир нече функциялары бар роботтук ткандарды түзүү.Бул категориядагы башка ыкмаларды ушул 21, 33, 34, 35 документтеринен тапса болот.
жумшак робототехника тармагында текстилдик жогорку касиеттерин колдонуу үчүн акыркы мамиле, мисалы, токуу, токуу жана токуу ыкмалары21,36,37 салттуу текстилдик өндүрүш ыкмаларын колдонуу менен акылдуу текстиль түзүү үчүн реактивдүү же стимулга жооп жиптерди колдонуу болуп саналат.Материалдын составына жараша реактивдүү жип кездеменин деформациясына алып келген электрдик, жылуулук же басым таасири астында форманын өзгөрүшүн шарттайт.Салттуу текстиль жумшак роботтук системага интеграцияланган бул ыкмада текстилдин формасын өзгөртүү тышкы катмарга эмес, ички катмарга (жипке) болот.Ошентип, акылдуу текстильдер мультимодалдык кыймыл, программалануучу деформация, созулушу жана катуулукту тууралоо мүмкүнчүлүгү жагынан эң сонун иштөөнү сунуштайт.Мисалы, формалык эс тутум эритмелери (SMAs) жана формалык эс тутум полимерлери (SMPs) кездемелерге термикалык стимулдаштыруу аркылуу алардын формасын активдүү башкаруу үчүн киргизилиши мүмкүн, мисалы, hemming38, бырыштарды жок кылуу36,39, тактилдик жана тактилдик пикир40,41, ошондой эле адаптивдик кийүүчү кийим.түзмөктөр 42.Бирок, жылытуу жана муздатуу үчүн жылуулук энергиясын пайдалануу жай жооп берет жана кыйын муздатуу жана башкаруу.Жакында Hiramitsu et al.МакКиббендин майда булчуңдары43,44, пневматикалык жасалма булчуңдар, токуу түзүмүн өзгөртүү жолу менен активдүү текстилдиктердин түрдүү формаларын түзүү үчүн жип катары колдонулат45.Бул ыкма жогорку күчтөрдү камсыз кылганы менен, МакКиббен булчуңунун табиятынан улам, анын кеңейүү ылдамдыгы чектелген (<50%) жана кичине өлчөмүнө жетишүү мүмкүн эмес (диаметри < 0,9 мм).Мындан тышкары, курч бурчтарды талап кылган токуу ыкмаларынан акылдуу текстилдик үлгүлөрдү түзүү кыйын болду.акылдуу текстиль кенен спектрин түзүү үчүн, Maziz et al.Электроактивдүү кийүүчү текстиль электр сезгич полимер жиптерин токуу жана токуу жолу менен иштелип чыккан46.
Акыркы жылдарда өтө ийкемдүү, кымбат эмес полимердик жипчелерден жасалган термосезгимдуу жасалма булчуңдун жаңы түрү пайда болду47,48.Бул жипчелер коммерциялык жактан жеткиликтүү жана жеткиликтүү акылдуу кийимдерди өндүрүү үчүн токуу же токууга оңой кошулат.Ийгиликтерге карабастан, бул жаңы ысыкка сезгич текстильдер жылытуу жана муздатуу муктаждыгынан (мисалы, температура башкарылуучу текстиль) же керектүү деформацияларды жана кыймылдарды түзүү үчүн программаланган татаал трикотаж жана токулган үлгүлөрдү жасоонун кыйынчылыгынан улам чектелген жооп берүү убактысына ээ. .Мисалдар радиалдык кеңейүүнү, 2Dден 3D форматка өзгөртүүнү же эки багыттуу кеңейүүнү камтыйт, биз бул жерде сунуштайбыз.
Жогоруда айтылган көйгөйлөрдү жеңүү үчүн, бул макалада жакында эле киргизилген жумшак жасалма булчуң жипчелеринен (AMF) жасалган жаңы суюктук менен башкарылган акылдуу текстил сунушталат49,50,51.AMFs өтө ийкемдүү, масштабдуу жана диаметри 0,8 мм жана чоң узундукка (кеминде 5000 мм) чейин кыскартылышы мүмкүн, тараптардын жогорку катышын (узундуктан диаметрге), ошондой эле жогорку узартууну (кеминде 245%), жогорку энергияны сунуштайт. натыйжалуулугу, 20 Гцден аз тез жооп).Акылдуу текстильдерди түзүү үчүн, биз токуу жана токуу ыкмалары аркылуу 2D активдүү булчуң катмарларын түзүү үчүн жигердүү жип катары AMF колдонобуз.Биз бул "акылдуу" ткандардын кеңейүү ылдамдыгын жана жыйрылуу күчүн суюктуктун көлөмү жана жеткирилген басымы боюнча сандык жактан изилдедик.Аналитикалык моделдер трикотаж жана токулган барактар ​​үчүн узартуу күчүн аныктоо үчүн иштелип чыккан.Биз ошондой эле мультимодалдык кыймыл үчүн акылдуу текстиль үчүн бир нече механикалык программалоо ыкмаларын, анын ичинде эки багыттуу узартууну, ийүүнү, радиалдык кеңейүүнү жана 2Dден 3Dге өтүү мүмкүнчүлүгүн сүрөттөп беребиз.Биздин мамилебиздин күчтүүлүгүн көрсөтүү үчүн, биз ошондой эле AMFти коммерциялык кездемелерге же текстильдерге интеграциялайбыз, алардын конфигурациясын пассивдүү структурадан активдүү түзүлүшкө өзгөртөбүз, алар ар кандай деформацияларды жаратат.Биз ошондой эле бул концепцияны бир нече эксперименталдык стенддерде көрсөттүк, анын ичинде каалаган тамгаларды чыгаруу үчүн жиптердин программалануучу ийилиши жана көпөлөктөр, төрт буттуу түзүлүштөр жана гүлдөр сыяктуу объекттердин формасына форманы өзгөртүүчү биологиялык структуралар.
Текстиль жиптер, жиптер жана жиптер сыяктуу өз ара токулган бир өлчөмдүү жиптерден түзүлгөн ийкемдүү эки өлчөмдүү структуралар.Текстиль адамзаттын эң эски технологияларынын бири жана ыңгайлуулугу, ыңгайлашуусу, дем алуусу, эстетикасы жана коргоосу үчүн жашоонун бардык тармагында кеңири колдонулат.Акылдуу текстиль (ошондой эле акылдуу кийимдер же робот кездемелер деп аталат) роботтук тиркемелердеги чоң потенциалынан улам изилдөөдө барган сайын көбүрөөк колдонулуп жатат20,52.Акылдуу текстиль адамдын жумшак нерселер менен өз ара аракеттенүү тажрыйбасын өркүндөтүүгө убада берип, конкреттүү тапшырмаларды аткаруу үчүн жука, ийкемдүү кездеменин кыймылын жана күчтөрүн башкара турган чөйрөдө парадигмалардын жылышына алып келет.Бул макалада биз акыркы AMF49 негизинде акылдуу текстиль өндүрүшүнүн эки ыкмасын изилдейбиз: (1) салттуу текстилдик өндүрүш технологияларын колдонуу менен акылдуу текстильдерди түзүү үчүн AMFти жигердүү жип катары колдонуу;(2) каалаган кыймылды жана деформацияны стимулдаштыруу үчүн AMFти түздөн-түз салттуу кездемелерге киргизиңиз.
AMF гидравликалык энергия менен камсыз кылуу үчүн ички силикон түтүктөн жана анын радиалдык кеңейүүсүн чектөө үчүн тышкы спиралдан турат.Ошентип, AMFs басым колдонулганда узунунан узартылат жана андан кийин басым бошогондо баштапкы узундугуна кайтып келүү үчүн жыйрылуучу күчтөрдү көрсөтөт.Алар ийкемдүүлүк, кичинекей диаметри жана узун узундугу, анын ичинде салттуу жипчелерге окшош касиеттерге ээ.Бирок, AMF кадимки кесиптештерине караганда кыймыл жана күч жагынан активдүү жана көзөмөлдөнөт.Акылдуу текстильдеги акыркы тез жетишкендиктерден шыктанган бул жерде биз көптөн бери калыптанып калган кездеме өндүрүү технологиясына AMF колдонуу аркылуу акылдуу текстиль өндүрүүнүн төрт негизги ыкмасын сунуштайбыз (1-сүрөт).
Биринчи жолу - токуу.Биз гидравликалык иштеткенде бир багытта ачылуучу реактивдүү трикотаж кездемесин өндүрүү үчүн токуу технологиясын колдонобуз.Трикотаж барактар ​​абдан чоюлгуч жана чоюлуп, бирок токулган барактарга караганда оңой ачылат.Башкаруу ыкмасына жараша AMF жеке катарларды же толук продуктуларды түзө алат.Жалпак барактардан тышкары, труба трикотаж үлгүлөрү да AMF көңдөй конструкцияларын өндүрүү үчүн ылайыктуу.Экинчи ыкма токуу болуп саналат, мында биз эки багытта өз алдынча кеңейе турган тик бурчтуу токулган баракты түзүү үчүн эки АМФти өрүү жана өрүү катары колдонобуз.Токулган барактар ​​трикотаж барактарына караганда көбүрөөк башкарууну (эки багытта) камсыз кылат.Биз ошондой эле бир багытта гана чечүүгө мүмкүн болгон жөнөкөй токулган баракты жасоо үчүн салттуу жиптен AMF токтук.Үчүнчү ыкма – радиалдык кеңейүү – токуу техникасынын варианты, мында АМПтер тик бурчтукта эмес, спиральда жайгашкан, ал эми жиптер радиалдык чектөөнү камсыз кылат.Бул учурда, өрүү кириш басымы астында радиалдык кеңейет.Төртүнчү ыкма - бул AMFти пассивдүү кездеменин баракка жабыштырып, каалаган багытта ийилүүчү кыймылды түзүү.Биз пассивдүү бөлүү тактасын AMFти анын четинде иштетип, аны активдүү бөлүштүрүүчү тактага кайра конфигурацияладык.AMFтин бул программалануучу табияты пассивдүү объекттерди активдүү объекттерге айландыра турган био-шыктандыруучу форманы өзгөртүүчү жумшак структуралар үчүн сансыз мүмкүнчүлүктөрдү ачат.Бул ыкма жөнөкөй, жеңил жана тез, бирок прототиптин узак мөөнөттүүлүгүнө доо кетириши мүмкүн.Окурман ар бир кыртыш касиетинин күчтүү жана алсыз жактарын майда-чүйдөсүнө чейин баяндаган адабияттагы башка ыкмаларга кайрылат21,33,34,35.
Салттуу кездемелерди жасоо үчүн колдонулган жиптердин же жиптердин көбү пассивдүү түзүлүштөрдү камтыйт.Бул иште биз кеңири диапазон үчүн акылдуу жана активдүү кездемелерди түзүү үчүн салттуу пассивдүү текстилдик жиптерди AFM менен алмаштыруу үчүн метр узундукка жана субмиллиметрдик диаметрге жете турган мурда иштелип чыккан AMF колдонобуз.Кийинки бөлүмдөр акылдуу текстилдик прототиптерди жасоонун деталдуу ыкмаларын сүрөттөйт жана алардын негизги функцияларын жана жүрүм-турумун көрсөтөт.
Токума токуу ыкмасын колдонуп, биз үч AMF трикотажын колго жасадык (сүрөт 2А).Материалды тандоо жана AMFs жана прототиптер үчүн деталдуу мүнөздөмөлөрдү Методдор бөлүмүнөн тапса болот.Ар бир AMF симметриялуу циклди түзгөн ийримдүү жолду (маршрут деп да аташат) ээрчийт.Ар бир катардын илмектери алардын үстүндө жана астынан катарлардын илмектери менен бекитилет.Курска перпендикуляр болгон бир мамычанын шакекчелери валга бириктирилет.Биздин трикотаж прототиби ар бир катардагы жети тигиштен (же жети тиктен) үч катардан турат.Үстүнкү жана астыңкы шакекчелери бекитилбегендиктен, аларды тиешелүү металл таякчаларга байлап алабыз.Кадимки жиптерге салыштырмалуу AMFтин катуулугу жогору болгондуктан, токулган прототиптер кадимки трикотаж кездемелерге караганда оңой ачылат.Ошондуктан, биз жанаша катарлардын илмектерин ичке ийкемдүү жиптер менен байладык.
Ар кандай акылдуу текстилдик прототиптери ар кандай AMF конфигурациялары менен ишке ашырылууда.(A) Үч AMFтен жасалган трикотаж барак.(B) эки AMFs эки багыттуу токулган барак.(C) AMF жана акрил жиптен жасалган бир багыттуу токулган барак 500 г жүктү көтөрө алат, бул анын салмагынан 192 эсе көп (2,6 г).(D) радиалдык чектөө катары бир AMF жана пахта жип менен радиалдык кеңейүүчү структура.Толук мүнөздөмөлөрдү Методдор бөлүмүнөн тапса болот.
Трикотаждын зигзаг илмектери ар кандай багыттарга созулушу мүмкүн болсо да, биздин прототибибиз жүрүү багытындагы чектөөлөрдөн улам басым астында илмек багытында кеңейет.Ар бир AMF узартуу трикотаж барактын жалпы аянтынын кеңейишине өбөлгө түзөт.Конкреттүү талаптарга жараша, биз үч түрдүү суюктук булактарынан көз карандысыз үч AMF башкара алабыз (Figure 2A) же бир эле учурда бир суюктук булагынан 1-3 суюктук бөлүштүргүч аркылуу.fig боюнча.2А трикотаж прототибинин мисалын көрсөтөт, анын баштапкы аянты үч AMPге (1,2 МПа) басым жасоодо 35% га көбөйгөн.Белгилей кетчү нерсе, AMF өзүнүн баштапкы узундугунан 250% кем эмес жогорку узартууга жетишет49, андыктан трикотаж барактары азыркы версиялардан да көбүрөөк созулушу мүмкүн.
Биз ошондой эле жөнөкөй токуу ыкмасын колдонуу менен эки AMFs түзүлгөн эки багыттуу токуу барактарды жараткан (Figure 2B).AMF ийри жана өрүм тик бурчта чырмалышып, жөнөкөй кайчылаш үлгүсүн түзөт.Биздин прототиби токулган жип тең салмактуу жөнөкөй токуу катары классификацияланган, анткени өрүү жана өрүү жиптери бирдей жиптин өлчөмүнөн жасалган (маалымат үчүн Методдор бөлүмүн караңыз).Кадимки жиптерден айырмаланып, курч бүктөмөлөрдү түзө алат, колдонулган AMF токуу үлгүсүнүн башка жипине кайтууда белгилүү бир ийилүүчү радиусту талап кылат.Ошондуктан, AMP жасалган токулган барактар ​​кадимки токулган кездемелерге салыштырмалуу азыраак тыгыздыкка ээ.AMF-түрү S (тышкы диаметри 1,49 мм) 1,5 мм минималдуу ийилүүчү радиуска ээ.Мисалы, биз бул макалада токулган прототиби 7×7 жип үлгүсүнө ээ, мында ар бир кесилиш ичке ийкемдүү жиптин түйүнү менен турукташкан.Ошол эле токуу техникасын колдонуу менен, сиз көбүрөөк жиптерди ала аласыз.
Тиешелүү AMF суюктуктун басымын алганда, токулган барактын аянтын өрүү же өрүү багытында кеңейтет.Ошондуктан, биз эки AMP үчүн колдонулган кирүү басымынын көлөмүн өз алдынча өзгөртүү менен өрүлгөн барактын өлчөмдөрүн (узундугу жана туурасы) көзөмөлдөп алдык.fig боюнча.2B бир AMP (1,3 МПа) басымды колдонуу менен баштапкы аянтынын 44% чейин кеңейген токулган прототибин көрсөтөт.Эки AMFке басымдын бир эле учурда аракети менен аянт 108% га өстү.
Биз ошондой эле бир AMFтен бир багыттуу токулган баракты өрүм катары чечүүчү жана акрил жиптери менен жасадык (сүрөт 2C).AMFs жети зигзаг катар тизилген жана жиптер кездемеден тик бурчтуу баракты түзүү үчүн AMFs бул катарларды бирге токушат.Бул токулган прототиби 2B-сүрөткө караганда тыгызыраак болгон, анткени жумшак акрил жиптери баракты оңой толтурган.Биз бир гана АМФти бурма катары колдонгондуктан, токулган барак басым астында гана ийилген тарапка кеңейе алат.2C-сүрөттө токулган прототиптин мисалы көрсөтүлгөн, анын баштапкы аянты басымдын жогорулашы менен (1,3 МПа) 65% га көбөйөт.Мындан тышкары, бул өрүлгөн кесим (салмагы 2,6 грамм) 500 грамм жүктү көтөрө алат, бул анын массасынан 192 эсе көп.
Тик бурчтуу токулган баракты түзүү үчүн AMFти зигзаг формасында уюштуруунун ордуна, биз AMFтин жалпак спираль формасын жасадык, ал андан кийин тегерек токулган баракты түзүү үчүн пахта жиптери менен радиалдык жактан чектелди (Figure 2D).AMFтин жогорку катуулугу анын плитанын эң борбордук бөлүгүн толтуруусун чектейт.Бирок, бул толтургуч ийкемдүү жиптерден же ийкемдүү кездемелерден жасалышы мүмкүн.Гидравликалык басымды алгандан кийин, AMP анын узунунан узундугун барактын радиалдык кеңейүүсүнө айлантат.Спиралдык форманын сырткы жана ички диаметрлери жиптердин радиалдык чектөөсүнөн улам чоңойгондугун да белгилей кетүү керек.2D-сүрөттө 1 МПа колдонулган гидравликалык басымда тегерек барактын формасы баштапкы аянтынын 25% га чейин кеңейе турганын көрсөтүп турат.
Биз бул жерде акылдуу текстиль жасоонун экинчи ыкмасын сунуштайбыз, мында биз AMFти жалпак кездемеге жабыштырып, аны пассивдүү түзүлүштөн активдүү башкарылган структурага кайра конфигурациялайбыз.Ийүүчү дисктин конструкциялык схемасы 2-сүрөттө көрсөтүлгөн.3A, бул жерде AMP ортосунан бүктөлүп, эки жактуу скотчту жабышчаак катары колдонуу менен узартылбаган кездемеден (пахта муслин кездеме) жабыштырылган.Мөөр басылгандан кийин, AMFтин үстү эркин узартылат, ал эми түбү лента жана кездеме менен чектелип, тилкенин кездемеге ийилишине алып келет.Биз ийилүүчү кыймылдаткычтын каалаган бөлүгүн жөн гана лентаны чаптоо менен каалаган жерден өчүрө алабыз.Өчүрүлгөн сегмент кыймылдай албайт жана пассивдүү сегментке айланат.
Кездемелер AMF салттуу кездемелерге жабыштырып кайра конфигурацияланат.(A) Бүктөлгөн AMF жабыштыруу жолу менен жасалган ийилүүчү дисктин концепциясы.(B) Жүргүзүүчү механизмдин прототипинин ийилиши.(C) Төрт бурчтуу кездемени активдүү төрт буттуу роботко кайра конфигурациялоо.ийкемсиз кездеме: кебез трикотаж.Стреч кездеме: полиэстер.Толук мүнөздөмөлөрдү Методдор бөлүмүнөн тапса болот.
Биз ар кандай узундуктагы бир нече прототиби ийилүүчү кыймылдаткычтарды жасап, ийилген кыймылды түзүү үчүн аларга гидравлика менен басым жасадык (3B-сүрөт).Маанилүү нерсе, AMF түз сызыкта жайгаштырылып же бүктөлүп, бир нече жипти пайда кылып, андан кийин жиптердин тиешелүү саны менен ийилген дискти түзүү үчүн кездемеге жабыштырылышы мүмкүн.Биз ошондой эле жигердүү tetrapod структурасы (Figure 3C) салып пассивдүү кыртыш барагын айландырылат, биз AMF тик бурчтуу үлүш кыртыштын (кебез муслин кездеме) чектерин багыттоо үчүн колдонулат.AMP кездемеге эки тараптуу скотч менен бекитилет.Ар бир четинин ортосу пассивдүү болуш үчүн скотч менен чапталат, ал эми төрт бурчу активдүү бойдон калат.Stretch кездемеден үстүнкү жабуу (полиэстер) милдеттүү эмес.Кездеменин төрт бурчу басылганда ийилет (бутуна окшош).
Биз иштелип чыккан акылдуу текстильдердин касиеттерин сандык жактан изилдөө үчүн сыноо стенди курдук (Усулдар бөлүмүн жана Кошумча S1 ​​сүрөтүн караңыз).Бардык үлгүлөр AMFтен жасалгандыктан, эксперименттин натыйжаларынын жалпы тенденциясы (4-сүрөт) AMFтин негизги мүнөздөмөлөрүнө туура келет, тактап айтканда, кириш басымы чыгуунун узундугуна түз пропорционалдуу жана кысуу күчүнө тескери пропорционалдуу.Бирок, бул акылдуу кездемелер өзгөчө конфигурацияларын чагылдырган уникалдуу мүнөздөмөлөргө ээ.
Акылдуу текстилдик конфигурацияларды камтыйт.(A, B) Токулган барактар ​​үчүн кирүү басымы жана чыгуу узундугу жана күч үчүн гистерезис ийри сызыктары.(C) токулган барактын аянтын кеңейтүү.(D, E) Трикотаж үчүн кирүү басымы менен чыгуунун узартылышы жана күчүнүн ортосундагы байланыш.(F) Радиалдуу кеңейүүчү структуралардын аянтын кеңейтүү.(G) Ийүүчү дисктердин үч түрдүү узундуктагы ийилүүчү бурчтары.
Токулган барактын ар бир AMF болжол менен 30% узартуу үчүн 1 МПа кириш басымына дуушар болгон (сүрөт 4A).Биз бир нече себептерден улам бүт эксперимент үчүн бул босогону тандап алдык: (1) алардын гистерезис ийри сызыгын баса белгилөө үчүн олуттуу узартуу (болжол менен 30%) түзүү, (2) ар кандай эксперименттерден жана кайра колдонула турган прототиптерден велосипед тебүүнү болтурбоо үчүн, кокусунан бузулуп же бузулушуна алып келет..жогорку суюктук басымы астында.Өлүк зонасы даана көрүнүп турат, ал эми өрүү кириш басымы 0,3 МПа жеткенге чейин кыймылсыз турат.Басым узартуу гистерезисинин сюжети насостук жана бошотуу фазаларынын ортосундагы чоң боштукту көрсөтүп, токулган барак кеңейүүдөн жыйрылышына чейин кыймылын өзгөрткөндө энергиянын олуттуу жоготуусу бар экенин көрсөтүп турат.(4А-сүрөт).1 МПа кирүү басымын алгандан кийин, токулган барак 5,6 Н жыйрылуу күчүн көрсөтө алган (сүрөт 4В).Басым күчүнүн гистерезис графиги ошондой эле баштапкы абалга келтирүү ийри сызыгы басымдын өсүү ийри сызыгы менен дээрлик дал келерин көрсөтөт.токулган барактын аянты кеңейүү 3D беттик участогу (Figure 4C) көрсөтүлгөндөй, эки AMFs ар бирине колдонулган басымдын өлчөмүнө жараша болгон.Тажрыйбалар ошондой эле токулган барак анын өрүү жана өрүү AMFs бир эле учурда 1 МПа гидравликалык басымга дуушар болгондо аянтты 66% кеңейте аларын көрсөтүп турат.
Трикотаж барактын эксперименталдык натыйжалары токулган баракка окшош үлгүнү көрсөтөт, анын ичинде чыңалуу-басым диаграммасындагы кең гистерезис ажырымы жана басым-күчтүн ийри сызыгы.токулган барак 30% узартуу көрсөткөн, андан кийин кысуу күчү 1 МПа кириш басымда 9 Н болгон (сүрөт 4D, E).
тегерек токулган барактын учурда, анын баштапкы аянты 1 МПа суюк басымынын таасири кийин баштапкы аянтына салыштырмалуу 25% га көбөйгөн (сүрөт. 4F).Үлгү кеңейе баштаганга чейин, 0,7 МПа чейин чоң кириш басымы өлүк зонасы бар.Бул чоң өлүк аймак күтүлгөн эле, анткени үлгүлөр чоңураак AMFтерден жасалган, алар баштапкы стрессти жеңүү үчүн жогорку басымды талап кылат.fig боюнча.4F ошондой эле релиз ийри сызыгы басымдын жогорулашынын ийри сызыгына дээрлик дал келерин көрсөтүп турат, бул диск кыймылы которулганда энергиянын аз чыгымын көрсөтөт.
Үч ийилүүчү кыймылдаткычтар үчүн эксперименталдык натыйжалар (тканды кайра конфигурациялоо) алардын гистерезис ийри сызыктары окшош үлгүгө ээ экенин көрсөтүп турат (4G-сүрөт), мында алар көтөрүүдөн мурун 0,2 МПа чейин кириш басымынын өлүк зонасын баштан өткөрүшөт.Ошол эле көлөмдөгү суюктукту (0,035 мл) үч ийилүүчү дискке (L20, L30 жана L50 мм) колдондук.Бирок, ар бир кыймылдаткыч ар кандай басымдын чокусуна туш болуп, ар кандай ийилүүчү бурчтарды иштеп чыккан.L20 жана L30 мм кыймылдаткычтары 0,72 жана 0,67 МПа кириш басымына туш болуп, 167° жана 194° ийилүүчү бурчка жеткен.Эң узун ийилген диск (узундугу 50 мм) 0,61 МПа басымга туруштук берип, 236° эң жогорку ийилген бурчка жеткен.Басым бурчу гистерезис сюжеттери да бардык үч ийилүүчү дисктер үчүн кысым жана бошотуу ийри сызыктарынын ортосундагы салыштырмалуу чоң боштуктарды ачып берди.
Жогорудагы акылдуу текстилдик конфигурациялар үчүн киргизүү көлөмү жана чыгаруу касиеттери (узартуу, күч, аянттын кеңейиши, ийилүүчү бурч) ортосундагы байланышты кошумча S2 сүрөттө тапса болот.
Мурунку бөлүмдөгү эксперименттик натыйжалар AMF үлгүлөрүнүн колдонулган кириш басымы менен чыгуунун узундугунун ортосундагы пропорционалдык байланышты ачык көрсөтүп турат.АМБ канчалык күчтүү чыңалуу болсо, ошончолук узундугу чоңоёт жана ошончолук серпилгичтүү энергия топтолот.Демек, анын кысуу күчү ошончолук чоң болот.Натыйжалар ошондой эле кирүү басымы толугу менен алынып салынганда үлгүлөр максималдуу кысуу күчүнө жеткенин көрсөттү.Бул бөлүм аналитикалык моделдөө жана эксперименталдык текшерүү аркылуу токулган жана токулган барактардын узундугу менен максималдуу кичирейүү күчү ортосунда түз байланышты түзүүгө багытталган.
Бир AMFтин максималдуу жыйрылуу күчү Fout (киргизүү басымында P = 0) 49-рефетте берилген жана төмөндөгүдөй кайра киргизилген:
Алардын арасында, α, E жана A0, тиешелүүлүгүнө жараша, созулган фактор, Янгдын модулу жана силикон түтүктүн кесилишинин аянты;k – спиралдык катушканын катуулук коэффициенти;x жана li офсеттик жана баштапкы узундук.AMP, тиешелүүлүгүнө жараша.
туура теңдеме.(1) Мисал катары токулган жана токулган барактарды алалы (сүрөт 5А, В).Трикотаж буюмунун Fkv жана токулган буюмдун Fwh кичирейтүү күчтөрү тиешелүүлүгүнө жараша (2) жана (3) теңдеме менен туюнтулган.
мында mk – илмектердин саны, φp – инъекция учурундагы трикотаж кездемесинин илмек бурчу (5А-сүрөт), mh – жиптердин саны, θhp – инъекция учурундагы трикотаж кездеменин кирүү бурчу (5В-сүрөт), εkv εwh – трикотаж баракты жана токулган барактын деформациясы, F0 – спиралдык катушканын баштапкы чыңалуусу.Теңдеменин деталдуу чыгарылышы.(2) жана (3) кошумча маалыматтан тапса болот.
Узартуу-күч байланышынын аналитикалык моделин түзүңүз.(A,B) Трикотаж жана токулган барактар ​​үчүн аналитикалык моделдин иллюстрациялары.(C,D) Трикотаж жана токулган барактардын аналитикалык моделдерин жана эксперименталдык маалыматтарды салыштыруу.RMSE Root мааниси квадраттык ката.
Иштелип чыккан моделди сынап көрүү үчүн 2А-сүрөттөгү трикотаж үлгүлөрүн жана 2Б-сүрөттөгү өрүлгөн үлгүлөрдү колдонуу менен узартуу боюнча эксперименттерди жүргүздүк.Жыйыруу күчү ар бир кулпуланган кеңейтүү үчүн 0%дан 50%ке чейин 5% кадам менен өлчөнгөн.Беш сыноонун орточо жана стандарттык четтөөсү 5C (трикотаж) жана 5D (трикотаж) сүрөтүндө берилген.Аналитикалык моделдин ийри сызыктары теңдемелер менен сүрөттөлөт.Параметрлер (2) жана (3) таблицада келтирилген.1. Натыйжалар аналитикалык модель трикотаж үчүн 0,34 Н, токулган AMF H (горизонталдуу багыт) үчүн 0,21 Н жана 0,17 Н түпкү орточо квадраттык катасы (RMSE) менен бүткүл узартуу диапазонундагы эксперименттик маалыматтар менен жакшы шайкеш келерин көрсөтүп турат. токулган AMF үчүн.V (вертикалдуу багыт).
Негизги кыймылдардан тышкары, сунушталган акылдуу текстильди S-бүктөм, радиалдык жыйрылуу жана 2Dден 3D деформациясы сыяктуу татаал кыймылдарды камсыз кылуу үчүн механикалык түрдө программаланган болушу мүмкүн.Биз бул жерде жалпак акылдуу текстильди каалаган структураларга программалоонун бир нече ыкмаларын сунуштайбыз.
сызыктуу багытта доменди кеңейтүү тышкары, бир багыттуу токулган барактарды механикалык multimodal кыймылын түзүү үчүн программаланган болот (сүрөт. 6A).Биз өрүлгөн барактын узартылышын ийилүүчү кыймыл катары кайра конфигурациялайбыз, анын бир жүзүн (үстүнөн же астынан) тигүү жиби менен чектейбиз.барактар ​​басым астында чектеш бетине карай ийилип калышат.fig боюнча.6А жарымы үстү жагында, экинчи жарымы ылдый жагынан тар болгондо S түрүндөгү токулган панелдердин эки мисалын көрсөтөт.Же болбосо, бүт бети гана чектелген тегерек ийилген кыймылды түзө аласыз.Бир багыттуу өрүлгөн барак, анын эки учун түтүктүү түзүлүшкө туташтыруу жолу менен кысуу жеңин да жасоого болот (сүрөт 6В).Жең адамдын сөөмөйүнүн үстүнө кийилип, кысуу, ооруну басаңдатуу же кан айланууну жакшыртуу үчүн массаж терапиясынын бир түрү.Ал кол, жамбаш жана буттар сыяктуу дененин башка бөлүктөрүнө ылайыкташтырылышы мүмкүн.
Барактарды бир багытта токуу мүмкүнчүлүгү.А) Тигүү жиптеринин формасынын программаланышынан улам деформациялануучу конструкцияларды түзүү.(B) Манжа менен кысуу жеңи.(C) Өрүлгөн барактын дагы бир версиясы жана аны билек кысуу жеңи катары ишке ашыруу.(D) AMF түрү M, акрил жип жана Velcro кайыштан жасалган дагы бир кысуу жең прототиби.Толук мүнөздөмөлөрдү Методдор бөлүмүнөн тапса болот.
Сүрөт 6C бир AMF жана пахта жиптен жасалган бир багыттуу токулган барактын дагы бир мисалын көрсөтөт.Барак аянты 45% га кеңейиши мүмкүн (1,2 МПа) же басым астында тегерек кыймылды жаратат.Биз ошондой эле барактын учуна магниттик кайыштарды тагып, билектин кысуу жеңин түзүү үчүн баракты киргиздик.Дагы бир прототиби билек кысуу жеңи 6D-сүрөттө көрсөтүлгөн, анда күчтүү кысуу күчтөрүн түзүү үчүн M тибиндеги AMF (методдорду караңыз) жана акрил жиптеринен бир багыттуу өрүлгөн барактар ​​жасалган.Биз барактардын учтарын оңой бекитүү үчүн жана колдун ар кандай өлчөмдөрү үчүн Velcro кайыштары менен жабдык.
Сызыктуу узартууну ийүү кыймылына айландырган чектөө техникасы эки багыттуу токулган барактарга да тиешелүү.Кебез жиптерин өрмөнүн бир жагына токуп, токулган барактарды кеңейбей тургандай кылып токуйбуз (7А-сүрөт).Ошентип, эки АМФ бири-биринен көз карандысыз гидравликалык басымды алганда, барак эки багыттуу ийилген кыймылга дуушар болуп, эркин үч өлчөмдүү түзүлүштү түзөт.Башка ыкмада биз эки багыттуу токулган барактардын бир багытын чектөө үчүн созулгус жиптерди колдонобуз (Figure 7B).Ошентип, барак тиешелүү AMF басым астында турганда өз алдынча ийилип жана созулган кыймылдарды жасай алат.fig боюнча.7B эки багыттуу өрүлгөн барак адамдын манжасынын үчтөн экисин ийүү кыймылы менен ороп, андан кийин анын узундугун сунуу кыймылы менен жабуу үчүн башкарылган мисалды көрсөтөт.барактардын эки тараптуу кыймылы мода дизайн же акылдуу кийим өнүктүрүү үчүн пайдалуу болушу мүмкүн.
Би-багыттуу токулган барак, трикотаж барак жана радиалдык кеңейүүчү дизайн мүмкүнчүлүктөрү.(A) Би-багыттуу ийилген түзүү үчүн эки багыттуу өрүлгөн панелдер.(B) Бир багыттуу чектелген эки багыттуу өрүлгөн панелдер ийилүүнү жана узартууну жаратат.(C) Жогорку ийкемдүү трикотаж барак, ал ар кандай беттик ийриликке ылайык келет, ал тургай түтүктүү структураларды түзө алат.(D) гиперболикалык параболикалык форманы түзүүчү радиалдык кеңейүүчү структуранын борбордук сызыгын чектөө (картошка чипсы).
Токулган тетиктин үстүнкү жана астыңкы катарларынын эки жанаша илмектерин ал ачылбашы үчүн тигүү жиптери менен бириктирдик (7С-сүрөт).Ошентип, токулган барак толугу менен ийкемдүү жана адамдын колунун жана колунун тери бети сыяктуу ар кандай беттик ийри сызыктарга жакшы ыңгайлашат.Биз ошондой эле трикотаждык тетиктин учтарын жүрүү багытында бириктирип, түтүктүү түзүлүштү (жеңин) жасадык.Жең адамдын сөөмөйүн жакшы ороп алат (7С-сүрөт).Токулган кездеменин ийкемдүүлүгү эң сонун шайкештикти жана деформацияланууну камсыздайт, аны акылдуу кийүүдө (мээлейлер, компрессиялык жеңдер) колдонууну жеңилдетет, комфортту (кирүү аркылуу) жана терапиялык эффектти (кысуу аркылуу) камсыз кылат.
Бир нече багытта 2D радиалдык кеңейүүдөн тышкары, тегерек токулган барактарды да 3D структураларын түзүү үчүн программалоого болот.Биз тегерек өрүлгөн орто сызыгын акрил жип менен чектеп, анын бир калыпта радиалдык кеңейүүсүнө жолтоо болдук.Натыйжада, тегерек токулган барактын баштапкы жалпак формасы басымдан кийин гиперболикалык параболикалык формага (же картөшкө чипсы) айланган (сүрөт 7D).Бул форманы өзгөртүү жөндөмдүүлүгү көтөрүү механизми, оптикалык линза, мобилдик робот буттары катары ишке ашырылышы мүмкүн же мода дизайнында жана бионикалык роботтордо пайдалуу болушу мүмкүн.
Биз AMFти созулбаган кездемеден жасалган тилкеге ​​жабыштырып, ийкемдүү дисктерди түзүүнүн жөнөкөй ыкмасын иштеп чыктык (3-сүрөт).Биз бул концепцияны формада программалануучу жиптерди түзүү үчүн колдонобуз, анда биз каалаган фигураларды түзүү үчүн бир AMFте бир нече активдүү жана пассивдүү бөлүмдөрдү стратегиялык түрдө бөлүштүрө алабыз.Биз түздөн тамгага (UNSW) формасын өзгөртө ала турган төрт жигердүү жипти жасап, программалаганбыз, алар басым жогорулаган сайын (кошумча S4 сүрөт).Бул жөнөкөй ыкма AMFтин деформацияланышына 1D сызыктарды 2D фигураларына жана, балким, 3D структураларына айлантууга мүмкүндүк берет.
Окшош ыкма менен, биз жигердүү тетрапод (сүрөт. 8A) салып пассивдүү нормалдуу кыртыштын бир бөлүгүн кайра конфигурациялоо үчүн бир AMF колдонгон.Маршрутизация жана программалоо түшүнүктөрү 3С-сүрөттө көрсөтүлгөндөй.Бирок тик бурчтуу шейшептин ордуна төрт буттуу оюмдагы кездемелерди (ташбака, кебез муслин) колдоно башташты.Демек, буттары узун жана түзүмүн жогору көтөрүүгө болот.Анын буттары жерге перпендикуляр болгонго чейин структуранын бийиктиги акырындык менен басым астында өсөт.Кире турган басым жогорулай берсе, буттар түзүмдүн бийиктигин төмөндөтүп, ичине ийилип калат.Тетраподдор кыймылды аткара алат, эгерде алардын буттары бир багыттуу схемалар менен жабдылган же кыймыл манипуляциясы стратегиялары менен бир нече AMF колдонсо.Жумшак кыймылдуу роботтор ар кандай тапшырмаларды аткаруу үчүн керек, анын ичинде токой өртүнөн, кулаган имараттардан же кооптуу чөйрөдөн куткаруу жана дары-дармектерди медициналык жеткирүү роботтору.
Кездеме форманы өзгөртүүчү структураларды түзүү үчүн кайра конфигурацияланган.(A) AMFти пассивдүү кездеме барактын чегине чаптап, аны башкарылуучу төрт буттуу түзүлүшкө айлантыңыз.(BD) Пассивдүү көпөлөктөрдү жана гүлдөрдү активдүүгө айландырган ткандарды кайра конфигурациялоонун дагы эки мисалы.Чоюлбаган кездеме: жөнөкөй пахта муслин.
Биз ошондой эле ткандарды кайра конфигурациялоо ыкмасынын жөнөкөйлүгүнөн жана ар тараптуулугунан пайдаланып, форманы өзгөртүү үчүн эки кошумча биоинстихиялык структураны киргизебиз (Figure 8B-D).Багытталган AMF менен бул форма-деформациялануучу структуралар пассивдүү ткандардын барактарынан активдүү жана башкарылуучу структураларга чейин конфигурацияланат.Монарх көпөлөктүн шыктандыруусу менен биз көпөлөк сымал кездемеден (кебез муслин) жана анын канаттарынын астына тыгылган AMFтин узун бөлүгүн колдонуп, өзгөрүүчү көпөлөк структурасын жасадык.AMF басым астында болгондо, канаттар бүктөлөт.Монарх көпөлөк сыяктуу, Бабочка роботунун сол жана оң канаттары бирдей кагышат, анткени экөө тең AMF тарабынан башкарылат.Бабочка клапандар көрсөтүү максатында гана.Ал Smart Bird (Festo Corp., АКШ) сыяктуу уча албайт.Ошондой эле ар бири беш желекчеден турган эки катмардан турган кездеме гүлүн (8D-сүрөт) жасадык.Биз желекчелердин сырткы четинен кийин ар бир катмардын астына AMF койду.Адегенде гүлдөр толугу менен гүлдөп, бардык желекчелери толук ачылат.Басым астында AMF желекчелердин ийилген кыймылын пайда кылып, алардын жабылышына алып келет.Эки AMF эки катмардын кыймылын өз алдынча башкарат, ал эми бир катмардын беш желекчеси бир убакта ийилип турат.