ჭკვიანი ქსოვილები სითხეზე მომუშავე ხელოვნური კუნთების ბოჭკოების გამოყენებით

გმადლობთ Nature.com-ის მონახულებისთვის.თქვენ იყენებთ ბრაუზერის ვერსიას შეზღუდული CSS მხარდაჭერით.საუკეთესო გამოცდილებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში).გარდა ამისა, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ ვაჩვენებთ საიტს სტილის და JavaScript-ის გარეშე.
აჩვენებს კარუსელს სამი სლაიდისგან ერთდროულად.გამოიყენეთ წინა და შემდეგი ღილაკები ერთდროულად სამ სლაიდში გადასაადგილებლად, ან გამოიყენეთ სლაიდერის ღილაკები ბოლოს, რომ გადაადგილდეთ სამ სლაიდზე ერთდროულად.
ტექსტილისა და ხელოვნური კუნთების გაერთიანება ჭკვიანი ტექსტილის შესაქმნელად, დიდ ყურადღებას იპყრობს როგორც სამეცნიერო, ასევე ინდუსტრიული საზოგადოებისგან.ჭკვიანი ტექსტილი გვთავაზობს ბევრ სარგებელს, მათ შორის ადაპტაციურ კომფორტს და ობიექტებთან შესაბამისობის მაღალ ხარისხს და უზრუნველყოფს აქტიურ აქტივაციას სასურველი მოძრაობისა და სიძლიერისთვის.ეს სტატია წარმოგიდგენთ პროგრამირებადი ჭკვიანი ქსოვილების ახალ კლასს, რომელიც დამზადებულია სითხეზე მომუშავე ხელოვნური კუნთოვანი ბოჭკოების ქსოვის, ქსოვის და წებოვნების სხვადასხვა მეთოდების გამოყენებით.შემუშავდა მათემატიკური მოდელი ნაქსოვი და ნაქსოვი ტექსტილის ფურცლების დრეკადობის ძალის თანაფარდობის აღსაწერად, შემდეგ კი მისი ვალიდობა ექსპერიმენტულად შემოწმდა.ახალ "ჭკვიან" ტექსტილს აქვს მაღალი მოქნილობა, შესაბამისობა და მექანიკური პროგრამირება, რაც საშუალებას აძლევს მრავალმოდალურ მოძრაობას და დეფორმაციის შესაძლებლობებს აპლიკაციების ფართო სპექტრისთვის.ექსპერიმენტული შემოწმების შედეგად შეიქმნა სხვადასხვა ჭკვიანი ტექსტილის პროტოტიპები, მათ შორის ფორმის შეცვლის სხვადასხვა შემთხვევები, როგორიცაა დრეკადობა (65%-მდე), ფართობის გაფართოება (108%), რადიალური გაფართოება (25%) და მოღუნვის მოძრაობა.ასევე შესწავლილია პასიური ტრადიციული ქსოვილების რეკონფიგურაციის კონცეფცია აქტიურ სტრუქტურებად ბიომიმეტური ფორმის სტრუქტურებისთვის.მოსალოდნელია, რომ შემოთავაზებული ჭკვიანი ტექსტილი ხელს შეუწყობს ჭკვიანი ტარების მოწყობილობების, ჰაპტიკური სისტემების, ბიომიმეტური რბილი რობოტებისა და ტარების ელექტრონიკის განვითარებას.
ხისტი რობოტები ეფექტურია სტრუქტურირებულ გარემოში მუშაობისას, მაგრამ აქვთ პრობლემები გარემოს ცვალებადობის უცნობ კონტექსტთან, რაც ზღუდავს მათ გამოყენებას ძიებაში ან ძიებისას.ბუნება აგრძელებს გაოცებას მრავალი გამომგონებელი სტრატეგიით გარე ფაქტორებთან და მრავალფეროვნებასთან გამკლავების მიზნით.მაგალითად, მცოცავი მცენარეების ღეროები ასრულებენ მულტიმოდალურ მოძრაობებს, როგორიცაა მოხრა და სპირალური მოძრაობა, უცნობი გარემოს შესასწავლად შესაფერისი საყრდენის მოსაძებნად1.ვენერას მფრინავ ხაფანგს (Dionaea muscipula) ფოთლებზე აქვს მგრძნობიარე თმები, რომლებიც, გააქტიურებისას, ადგილზე იკეცება მტაცებლის დასაჭერად2.ბოლო წლებში სხეულების დეფორმაცია ან დეფორმაცია ორგანზომილებიანი (2D) ზედაპირებიდან სამგანზომილებიან (3D) ფორმებამდე, რომლებიც ასახავს ბიოლოგიურ სტრუქტურებს, გახდა საინტერესო კვლევის თემა3,4.ეს რბილი რობოტული კონფიგურაციები ცვლის ფორმას, რათა მოერგოს ცვალებად გარემოს, ჩართოს მულტიმოდალური მოძრაობა და გამოიყენოს ძალები მექანიკური სამუშაოების შესასრულებლად.მათი წვდომა გაფართოვდა რობოტიკის აპლიკაციების ფართო სპექტრზე, მათ შორისაა განლაგებული5, ხელახალი კონფიგურირებადი და თვითდაკეცვის რობოტები6,7, ბიოსამედიცინო მოწყობილობები8, მანქანები9,10 და გაფართოებადი ელექტრონიკა11.
ბევრი კვლევა ჩატარდა პროგრამირებადი ბრტყელი ფირფიტების შესაქმნელად, რომლებიც გააქტიურებისას გარდაიქმნება რთულ სამგანზომილებიან სტრუქტურებად3.დეფორმირებადი სტრუქტურების შესაქმნელად მარტივი იდეაა სხვადასხვა მასალის ფენების გაერთიანება, რომლებიც იხსნება და ნაოჭდება სტიმულის ზემოქმედებისას12,13.ჯანბაზმა და სხვ.14 და Li et al.15-მა განახორციელეს ეს კონცეფცია სითბოსადმი მგრძნობიარე მულტიმოდალური დეფორმირებადი რობოტების შესაქმნელად.ორიგამიზე დაფუძნებული სტრუქტურები, რომლებიც აერთიანებენ სტიმულზე რეაგირების ელემენტებს, გამოყენებული იქნა რთული სამგანზომილებიანი სტრუქტურების შესაქმნელად16,17,18.ბიოლოგიური სტრუქტურების მორფოგენეზით შთაგონებული ემანუელი და სხვ.ფორმის დეფორმირებადი ელასტომერები იქმნება ჰაერის არხების ორგანიზებით რეზინის ზედაპირზე, რომლებიც წნევის ქვეშ გარდაიქმნება რთულ, თვითნებურ სამგანზომილებიან ფორმებად.
ტექსტილის ან ქსოვილის ინტეგრაცია დეფორმირებად რბილ რობოტებში კიდევ ერთი ახალი კონცეფციის პროექტია, რომელმაც ფართო ინტერესი გამოიწვია.ტექსტილი არის რბილი და ელასტიური მასალა, რომელიც დამზადებულია ძაფისგან ქსოვის ტექნიკით, როგორიცაა ქსოვა, ქსოვა, წნული ან კვანძის ქსოვა.ქსოვილების გასაოცარი თვისებები, მათ შორის მოქნილობა, მორგება, ელასტიურობა და სუნთქვა, მათ ძალიან პოპულარულს ხდის ყველაფერში, ტანსაცმლისგან სამედიცინო აპლიკაციებამდე20.არსებობს სამი ფართო მიდგომა ტექსტილის რობოტიკაში ჩართვისთვის21.პირველი მიდგომა არის ტექსტილის გამოყენება, როგორც პასიური საყრდენი ან ბაზა სხვა კომპონენტებისთვის.ამ შემთხვევაში, პასიური ტექსტილი უზრუნველყოფს მომხმარებლისთვის კომფორტულ მორგებას ხისტი კომპონენტების (ძრავები, სენსორები, ელექტრომომარაგება) ტარებისას.რბილი ტარებადი რობოტების ან რბილი ეგზოჩონჩხების უმეტესობა ამ მიდგომას ექვემდებარება.მაგალითად, რბილი ტარებადი ეგზოჩონჩხები სიარულისთვის 22 და იდაყვის დამხმარე საშუალებები 23, 24, 25, რბილი ტარებადი ხელთათმანები 26 ხელისა და თითების დამხმარე საშუალებებისთვის და ბიონიკური რბილი რობოტები 27.
მეორე მიდგომა არის ტექსტილის გამოყენება, როგორც რბილი რობოტული მოწყობილობების პასიური და შეზღუდული კომპონენტები.ტექსტილის დაფუძნებული აქტივატორები მიეკუთვნება ამ კატეგორიას, სადაც ქსოვილი, როგორც წესი, აგებულია როგორც გარე კონტეინერი, რომელიც შეიცავს შიდა შლანგს ან კამერას, აყალიბებს რბილ ბოჭკოვან გაძლიერებულ ამძრავს.როდესაც ექვემდებარება გარე პნევმატურ ან ჰიდრავლიკურ წყაროს, ეს რბილი ამძრავები განიცდიან ცვლილებებს ფორმაში, მათ შორის დრეკადობის, მოხრის ან გრეხილის ჩათვლით, რაც დამოკიდებულია მათი თავდაპირველი შემადგენლობისა და კონფიგურაციის მიხედვით.მაგალითად, ტალმანი და სხვ.ორთოპედიული ტერფის ტანსაცმელი, რომელიც შედგება ქსოვილის ჯიბეებისგან, დაინერგა პლანტარული მოქცევის გასაადვილებლად სიარულის აღსადგენად28.სხვადასხვა გაფართოების ტექსტილის ფენები შეიძლება გაერთიანდეს ანიზოტროპული მოძრაობის შესაქმნელად 29 .OmniSkins – რბილი რობოტული ტყავი, რომელიც დამზადებულია სხვადასხვა რბილი აქტივატორებისა და სუბსტრატის მასალებისგან, შეუძლია პასიური ობიექტების გარდაქმნა მრავალფუნქციურ აქტიურ რობოტებად, რომლებსაც შეუძლიათ შეასრულონ მრავალმოდალური მოძრაობები და დეფორმაციები სხვადასხვა აპლიკაციებისთვის.ჟუ და სხვ.შექმნეს თხევადი ქსოვილის კუნთოვანი ფურცელი31, რომელსაც შეუძლია დრეკადობის, მოხრისა და სხვადასხვა დეფორმაციის მოძრაობების წარმოქმნა.ბაკნერი და სხვ.ფუნქციური ბოჭკოების ინტეგრირება ჩვეულებრივ ქსოვილებში, რათა შეიქმნას რობოტული ქსოვილები მრავალი ფუნქციით, როგორიცაა გააქტიურება, ზონდირება და ცვლადი სიმტკიცე32.ამ კატეგორიის სხვა მეთოდები შეგიძლიათ იხილოთ ამ ნაშრომებში 21, 33, 34, 35.
რბილი რობოტიკის სფეროში ტექსტილის უმაღლესი თვისებების გამოყენების უახლესი მიდგომა არის რეაქტიული ან სტიმულზე პასუხისმგებელი ძაფების გამოყენება ჭკვიანი ტექსტილის შესაქმნელად ტექსტილის წარმოების ტრადიციული მეთოდების გამოყენებით, როგორიცაა ქსოვა, ქსოვა და ქსოვის მეთოდები21,36,37.მასალის შემადგენლობიდან გამომდინარე, რეაქტიული ნართი იწვევს ფორმის ცვლილებას ელექტრული, თერმული ან წნევის მოქმედების დროს, რაც იწვევს ქსოვილის დეფორმაციას.ამ მიდგომით, სადაც ტრადიციული ქსოვილები ინტეგრირებულია რბილ რობოტულ სისტემაში, ტექსტილის გადაფორმება ხდება შიდა ფენაზე (ნართი) და არა გარე ფენაზე.როგორც ასეთი, ჭკვიანი ტექსტილი გვთავაზობს შესანიშნავ მართვას მულტიმოდალური მოძრაობის, პროგრამირებადი დეფორმაციის, გაჭიმვისა და სიხისტის რეგულირების შესაძლებლობის თვალსაზრისით.მაგალითად, ფორმის მეხსიერების შენადნობები (SMAs) და ფორმის მეხსიერების პოლიმერები (SMPs) შეიძლება იყოს ჩართული ქსოვილებში, რათა აქტიურად აკონტროლონ მათი ფორმა თერმული სტიმულაციის გზით, როგორიცაა ჰემინგი38, ნაოჭების მოცილება36,39, ტაქტილური და ტაქტილური უკუკავშირი40,41, ასევე ადაპტაციური. ჩასაცმელი ტანსაცმელი.მოწყობილობები 42 .თუმცა, გათბობისა და გაგრილებისთვის თერმული ენერგიის გამოყენება იწვევს ნელ რეაგირებას და რთულ გაგრილებას და კონტროლს.ცოტა ხნის წინ, ჰირამიცუ და სხვ.მაკიბენის წვრილი კუნთები43,44, პნევმატური ხელოვნური კუნთები, გამოიყენება ძაფების სახით, ქსოვის სტრუქტურის შეცვლით აქტიური ქსოვილის სხვადასხვა ფორმის შესაქმნელად45.მიუხედავად იმისა, რომ ეს მიდგომა უზრუნველყოფს მაღალ ძალებს, მაკიბენის კუნთის ბუნების გამო, მისი გაფართოების სიჩქარე შეზღუდულია (< 50%) და მცირე ზომის მიღწევა შეუძლებელია (დიამეტრი <0,9 მმ).გარდა ამისა, რთული იყო გონიერი ტექსტილის ნიმუშების ჩამოყალიბება ქსოვის მეთოდებიდან, რომლებიც საჭიროებენ მკვეთრ კუთხეებს.ჭკვიანი ტექსტილის უფრო ფართო ასორტიმენტის შესაქმნელად, Maziz et al.ელექტროაქტიური ტარებადი ქსოვილები შემუშავებულია ელექტრომგრძნობიარე პოლიმერული ძაფების ქსოვისა და ქსოვის გზით46.
ბოლო წლებში გაჩნდა ახალი ტიპის თერმომგრძნობიარე ხელოვნური კუნთი, რომელიც აგებულია უაღრესად გრეხილი, იაფფასიანი პოლიმერული ბოჭკოებისგან47,48.ეს ბოჭკოები კომერციულად ხელმისაწვდომია და ადვილად შედის ქსოვაში ან ქსოვაში ხელმისაწვდომ ჭკვიანი ტანსაცმლის წარმოებისთვის.მიღწევების მიუხედავად, ამ ახალ სითბოსმგრძნობიარე ტექსტილს აქვს შეზღუდული რეაგირების დრო გათბობისა და გაგრილების აუცილებლობის გამო (მაგ. ტემპერატურის კონტროლირებადი ტექსტილის) ან რთული ნაქსოვი და ნაქსოვი ნიმუშების დამზადების სირთულის გამო, რომელიც შეიძლება დაპროგრამდეს სასურველი დეფორმაციებისა და მოძრაობების შესაქმნელად. .მაგალითები მოიცავს რადიალურ გაფართოებას, 2D-დან 3D-მდე ფორმის ტრანსფორმაციას ან ორმხრივ გაფართოებას, რომელსაც გთავაზობთ აქ.
ზემოაღნიშნული პრობლემების დასაძლევად, ეს სტატია წარმოგიდგენთ ახალ სითხეზე მომუშავე ჭკვიან ტექსტილს, რომელიც დამზადებულია ახლახან შემოღებული რბილი ხელოვნური კუნთების ბოჭკოებისგან (AMF)49,50,51.AMF არის ძალიან მოქნილი, მასშტაბირებადი და შეიძლება შემცირდეს 0.8 მმ დიამეტრამდე და დიდ სიგრძემდე (მინიმუმ 5000 მმ), გვთავაზობს ასპექტის მაღალ თანაფარდობას (სიგრძე დიამეტრს), ასევე მაღალ დრეკადობას (მინიმუმ 245%), მაღალ ენერგიას. ეფექტურობა, 20 ჰც-ზე ნაკლები სწრაფი რეაგირება).ჭკვიანი ტექსტილის შესაქმნელად, ჩვენ ვიყენებთ AMF-ს, როგორც აქტიურ ძაფს, რათა ჩამოვაყალიბოთ 2D აქტიური კუნთების ფენები ქსოვისა და ქსოვის ტექნიკით.ჩვენ რაოდენობრივად შევისწავლეთ ამ „ჭკვიანი“ ქსოვილების გაფართოების სიჩქარე და შეკუმშვის ძალა მოწოდებული სითხის მოცულობისა და წნევის თვალსაზრისით.შემუშავებულია ანალიტიკური მოდელები ნაქსოვი და ნაქსოვი ფურცლების დრეკადობის ძალის ურთიერთობის დასადგენად.ჩვენ ასევე აღვწერთ რამდენიმე მექანიკურ პროგრამირების ტექნიკას ჭკვიანი ტექსტილისთვის მულტიმოდალური მოძრაობისთვის, მათ შორის ორმხრივი გაფართოება, მოხრა, რადიალური გაფართოება და 2D-დან 3D-ზე გადასვლის შესაძლებლობა.ჩვენი მიდგომის სიძლიერის დემონსტრირებისთვის, ჩვენ ასევე გავაერთიანებთ AMF-ს კომერციულ ქსოვილებში ან ქსოვილებში, რათა შევცვალოთ მათი კონფიგურაცია პასიურიდან აქტიურ სტრუქტურებზე, რომლებიც იწვევს სხვადასხვა დეფორმაციას.ჩვენ ასევე ვაჩვენეთ ეს კონცეფცია რამდენიმე ექსპერიმენტულ საცდელ სკამზე, მათ შორის ძაფების პროგრამირებადი მოხრა სასურველი ასოების წარმოებისთვის და ფორმის შეცვლადი ბიოლოგიური სტრუქტურები ისეთი ობიექტების ფორმაში, როგორიცაა პეპლები, ოთხფეხა სტრუქტურები და ყვავილები.
ტექსტილი არის მოქნილი ორგანზომილებიანი სტრუქტურები, რომლებიც წარმოიქმნება გადახლართული ერთგანზომილებიანი ძაფებისგან, როგორიცაა ძაფები, ძაფები და ბოჭკოები.ტექსტილი კაცობრიობის ერთ-ერთი უძველესი ტექნოლოგიაა და ფართოდ გამოიყენება ცხოვრების ყველა ასპექტში მისი კომფორტის, ადაპტაციის, სუნთქვის, ესთეტიკისა და დაცვის გამო.ჭკვიანი ტექსტილი (ასევე ცნობილი როგორც ჭკვიანი ტანსაცმელი ან რობოტული ქსოვილები) სულ უფრო ხშირად გამოიყენება კვლევებში რობოტ აპლიკაციებში მათი დიდი პოტენციალის გამო20,52.ჭკვიანი ტექსტილი გვპირდება გააუმჯობესებს ადამიანის გამოცდილებას რბილ ობიექტებთან ურთიერთობისას, რაც გამოიწვევს პარადიგმის ცვლილებას სფეროში, სადაც თხელი, მოქნილი ქსოვილის მოძრაობა და ძალები შეიძლება კონტროლდებოდეს კონკრეტული ამოცანების შესასრულებლად.ამ ნაშრომში ჩვენ განვიხილავთ ორი მიდგომას ჭკვიანი ტექსტილის წარმოების მიმართ, რომელიც დაფუძნებულია ჩვენს ბოლოდროინდელ AMF49-ზე: (1) გამოიყენეთ AMF, როგორც აქტიური ნართი, რათა შექმნათ ჭკვიანი ტექსტილი ტექსტილის წარმოების ტრადიციული ტექნოლოგიების გამოყენებით;(2) ჩადეთ AMF პირდაპირ ტრადიციულ ქსოვილებში სასურველი მოძრაობისა და დეფორმაციის სტიმულირებისთვის.
AMF შედგება შიდა სილიკონის მილისგან ჰიდრავლიკური ენერგიის მიწოდებისთვის და გარე ხვეული კოჭისგან მისი რადიალური გაფართოების შესაზღუდად.ამრიგად, AMF-ები გრძივად იწელება, როდესაც ზეწოლა ხდება და შემდგომში ავლენენ კონტრაქტურ ძალებს, რათა დაუბრუნდნენ თავდაპირველ სიგრძეს, როდესაც წნევა განთავისუფლდება.მათ აქვთ ტრადიციული ბოჭკოების მსგავსი თვისებები, მათ შორის მოქნილობა, მცირე დიამეტრი და გრძელი სიგრძე.თუმცა, AMF უფრო აქტიური და კონტროლირებადია მოძრაობისა და სიძლიერის თვალსაზრისით, ვიდრე მისი ჩვეულებრივი კოლეგები.ჭკვიან ტექსტილებში ბოლოდროინდელი სწრაფი მიღწევებით შთაგონებული, აქ წარმოგიდგენთ ჭკვიან ტექსტილის წარმოების ოთხ მთავარ მიდგომას AMF-ის გამოყენებით დიდი ხნის დამკვიდრებული ქსოვილის წარმოების ტექნოლოგიაზე (სურათი 1).
პირველი გზა არის ქსოვა.ჩვენ ვიყენებთ ქსოვილის ქსოვის ტექნოლოგიას რეაქტიული ნაქსოვი ქსოვილის საწარმოებლად, რომელიც იხსნება ერთი მიმართულებით ჰიდრავლიკური მოქმედების დროს.ნაქსოვი ფურცლები ძალიან ელასტიური და ელასტიურია, მაგრამ უფრო ადვილად იშლება, ვიდრე ნაქსოვი ფურცლები.კონტროლის მეთოდიდან გამომდინარე, AMF-ს შეუძლია შექმნას ცალკეული რიგები ან სრული პროდუქტები.ბრტყელი ფურცლების გარდა, ტუბულარული ქსოვის ნიმუშები ასევე შესაფერისია AMF ღრუ სტრუქტურების წარმოებისთვის.მეორე მეთოდი არის ქსოვა, სადაც ჩვენ ვიყენებთ ორ AMF-ს, როგორც დეფორმაციას, რათა ჩამოვაყალიბოთ მართკუთხა ნაქსოვი ფურცელი, რომელიც შეიძლება დამოუკიდებლად გაფართოვდეს ორი მიმართულებით.ნაქსოვი ფურცლები უფრო მეტ კონტროლს იძლევა (ორივე მიმართულებით), ვიდრე ნაქსოვი ფურცლები.ჩვენ ასევე ვაქსოვეთ AMF ტრადიციული ძაფისგან, რათა უფრო მარტივი ნაქსოვი ფურცელი გაგვეკეთებინა, რომელიც მხოლოდ ერთი მიმართულებით შეიძლება გაიხსნას.მესამე მეთოდი - რადიალური გაფართოება - ქსოვის ტექნიკის ვარიანტია, რომლის დროსაც AMP-ები განლაგებულია არა ოთხკუთხედად, არამედ სპირალურად, ხოლო ძაფები უზრუნველყოფს რადიალურ შეზღუდვას.ამ შემთხვევაში, ლენტები ფართოვდება რადიალურად შესასვლელი წნევის ქვეშ.მეოთხე მიდგომა არის AMF-ის დამაგრება პასიური ქსოვილის ფურცელზე, რათა შეიქმნას მოხრილი მოძრაობა სასურველი მიმართულებით.ჩვენ ხელახლა დავაკონფიგურირეთ პასიური გარღვევის დაფა აქტიურ გარღვევის დაფაში AMF-ის გაშვებით მის კიდეზე.AMF-ის ეს პროგრამირებადი ბუნება ხსნის უთვალავ შესაძლებლობებს ბიო-შთაგონებული ფორმის გარდამქმნელი რბილი სტრუქტურებისთვის, სადაც ჩვენ შეგვიძლია ვაქციოთ პასიური ობიექტები აქტიურებად.ეს მეთოდი მარტივი, მარტივი და სწრაფია, მაგრამ შეიძლება ზიანი მიაყენოს პროტოტიპის ხანგრძლივობას.მკითხველი მოხსენიებულია ლიტერატურაში სხვა მიდგომებზე, რომლებიც დეტალურად აღწერს ქსოვილის თითოეული თვისების ძლიერ და სუსტ მხარეებს21,33,34,35.
ტრადიციული ქსოვილების დასამზადებლად გამოყენებული ძაფების ან ძაფების უმეტესობა შეიცავს პასიურ სტრუქტურებს.ამ ნამუშევარში ჩვენ ვიყენებთ ჩვენს ადრე შემუშავებულ AMF-ს, რომელსაც შეუძლია მიაღწიოს მეტრის სიგრძეს და ქვემილიმეტრულ დიამეტრს, ტრადიციული პასიური ტექსტილის ძაფების ჩანაცვლებისთვის AFM-ით, რათა შევქმნათ ინტელექტუალური და აქტიური ქსოვილები ფართო სპექტრისთვის.შემდეგი სექციები აღწერს ჭკვიან ტექსტილის პროტოტიპების დამზადების დეტალურ მეთოდებს და წარმოგიდგენთ მათ ძირითად ფუნქციებსა და ქცევებს.
ჩვენ ხელით დავამზადეთ სამი AMF მაისური ნაქსოვი ქსოვის ტექნიკის გამოყენებით (ნახ. 2A).მასალების შერჩევა და დეტალური სპეციფიკაციები AMF-ებისა და პროტოტიპებისთვის შეგიძლიათ იხილოთ მეთოდების განყოფილებაში.თითოეული AMF მიჰყვება გრაგნილ ბილიკს (ასევე უწოდებენ მარშრუტს), რომელიც ქმნის სიმეტრიულ მარყუჟს.თითოეული რიგის მარყუჟები ფიქსირდება მათ ზემოთ და ქვემოთ რიგების მარყუჟებით.კურსის პერპენდიკულარული ერთი სვეტის რგოლები გაერთიანებულია ლილვში.ჩვენი ნაქსოვი პროტოტიპი შედგება სამი რიგის შვიდი ნაკერისგან (ან შვიდი ნაკერისგან) თითოეულ რიგში.ზედა და ქვედა რგოლები არ ფიქსირდება, ამიტომ შეგვიძლია მივამაგროთ შესაბამისი ლითონის წნელები.ნაქსოვი პროტოტიპები უფრო ადვილად იშლება, ვიდრე ჩვეულებრივი ნაქსოვი ქსოვილები, AMF-ის უფრო მაღალი სიმტკიცის გამო, ჩვეულებრივ ძაფებთან შედარებით.ამიტომ მიმდებარე რიგების მარყუჟები წვრილი ელასტიური ბადეებით მივამაგრეთ.
სხვადასხვა ჭკვიანი ტექსტილის პროტოტიპები დანერგილია სხვადასხვა AMF კონფიგურაციით.(ა) ნაქსოვი ფურცელი დამზადებულია სამი AMF-სგან.(B) ორმხრივი ნაქსოვი ფურცელი ორი AMF-ისგან.(C) ცალმხრივი ნაქსოვი ფურცელი, რომელიც დამზადებულია AMF და აკრილის ძაფისგან, შეუძლია გაუძლოს 500 გ დატვირთვას, რაც 192-ჯერ აღემატება მის წონას (2,6 გ).(D) რადიალურად გაფართოებული სტრუქტურა ერთი AMF და ბამბის ძაფით, როგორც რადიალური შეზღუდვა.დეტალური სპეციფიკაციები შეგიძლიათ იხილოთ მეთოდების განყოფილებაში.
მიუხედავად იმისა, რომ ნაქსოვის ზიგზაგის მარყუჟები შეიძლება გაიჭიმოს სხვადასხვა მიმართულებით, ჩვენი პროტოტიპის ნაქსოვი ძირითადად ფართოვდება მარყუჟის მიმართულებით ზეწოლის ქვეშ მოგზაურობის მიმართულებით შეზღუდვების გამო.თითოეული AMF-ის გახანგრძლივება ხელს უწყობს ნაქსოვი ფურცლის მთლიანი ფართობის გაფართოებას.კონკრეტული მოთხოვნებიდან გამომდინარე, ჩვენ შეგვიძლია ვაკონტროლოთ სამი AMF დამოუკიდებლად სამი სხვადასხვა სითხის წყაროდან (სურათი 2A) ან ერთდროულად ერთი სითხის წყაროდან 1-დან 3-მდე სითხის დისტრიბუტორის მეშვეობით.ნახ.2A გვიჩვენებს ნაქსოვი პროტოტიპის მაგალითს, რომლის საწყისი ფართობი გაიზარდა 35%-ით სამ ამფ-ზე ზეწოლის დროს (1.2 მპა).აღსანიშნავია, რომ AMF აღწევს მაღალ დრეკადობას მისი თავდაპირველი სიგრძის მინიმუმ 250%-ით49, ასე რომ, ნაქსოვი ფურცლები შეიძლება უფრო მეტად გაიჭიმოს, ვიდრე მიმდინარე ვერსიებს.
ჩვენ ასევე შევქმენით ორმხრივი ქსოვის ფურცლები, რომლებიც წარმოიქმნება ორი AMF-ისგან, ჩვეულებრივი ქსოვის ტექნიკის გამოყენებით (სურათი 2B).AMF-ის დეფორმაცია და ქსოვილი გადაჯაჭვულია სწორი კუთხით, რაც ქმნის მარტივ ჯვარედინი ნიმუშს.ჩვენი პროტოტიპის ნაქსოვი კლასიფიცირებული იყო, როგორც დაბალანსებული უბრალო ქსოვილი, რადგან ძაფები და ძაფები მზადდებოდა ერთი და იგივე ზომის ძაფისგან (დეტალებისთვის იხილეთ მეთოდების განყოფილება).ჩვეულებრივი ძაფებისგან განსხვავებით, რომლებსაც შეუძლიათ მკვეთრი ნაკეცების ფორმირება, გამოყენებული AMF მოითხოვს გარკვეულ მოხრის რადიუსს ქსოვის ნიმუშის სხვა ძაფზე დაბრუნებისას.აქედან გამომდინარე, ნაქსოვი ფურცლები, რომლებიც დამზადებულია AMP-სგან, აქვს უფრო დაბალი სიმკვრივე ჩვეულებრივ ნაქსოვი ქსოვილებთან შედარებით.AMF-ის ტიპის S (გარე დიამეტრი 1,49 მმ) აქვს მინიმალური მოსახვევის რადიუსი 1,5 მმ.მაგალითად, ქსოვილის პროტოტიპს, რომელსაც ჩვენ წარმოგიდგენთ ამ სტატიაში, აქვს 7×7 ძაფის ნიმუში, სადაც თითოეული კვეთა სტაბილიზირებულია თხელი ელასტიური ტვინის კვანძით.ქსოვის იგივე ტექნიკის გამოყენებით, შეგიძლიათ მიიღოთ მეტი ღერი.
როდესაც შესაბამისი AMF იღებს სითხის წნევას, ნაქსოვი ფურცელი აფართოებს თავის არეალს მრუდის ან ქსოვილის მიმართულებით.აქედან გამომდინარე, ჩვენ ვაკონტროლებდით წნული ფურცლის ზომებს (სიგრძე და სიგანე) დამოუკიდებლად შეცვლით ორ AMP-ზე გამოყენებული შესასვლელი წნევის ოდენობას.ნახ.2B გვიჩვენებს ნაქსოვი პროტოტიპი, რომელიც გაფართოვდა მისი თავდაპირველი ფართობის 44%-მდე, ხოლო ზეწოლას ახდენს ერთ AMP-ზე (1.3 MPa).ორ AMF-ზე ზეწოლის ერთდროული მოქმედებით ფართობი გაიზარდა 108%-ით.
ჩვენ ასევე დავამზადეთ ცალმხრივი ნაქსოვი ფურცელი ერთი AMF-ისგან, ძაფით და აკრილის ძაფებით (სურათი 2C).AMF-ები განლაგებულია შვიდი ზიგზაგის მწკრივად და ძაფები აერთიანებს AMF-ების ამ რიგებს, რათა შექმნან ქსოვილის მართკუთხა ფურცელი.ეს ნაქსოვი პროტოტიპი უფრო მკვრივი იყო, ვიდრე ნახ. 2B-ზე, რბილი აკრილის ძაფების წყალობით, რომლებიც ადვილად ავსებდნენ მთელ ფურცელს.იმის გამო, რომ ჩვენ ვიყენებთ მხოლოდ ერთ AMF-ს, როგორც დეფორმაციას, ნაქსოვი ფურცელი შეიძლება გაფართოვდეს მხოლოდ ზეწოლის ქვეშ.სურათი 2C გვიჩვენებს ნაქსოვი პროტოტიპის მაგალითს, რომლის საწყისი ფართობი იზრდება 65% -ით გაზრდილი წნევით (1.3 მპა).გარდა ამისა, ამ წნულ ნაჭერს (წონა 2,6 გრამს) შეუძლია აწიოს 500 გრამი ტვირთი, რაც 192-ჯერ აღემატება მის მასას.
იმის ნაცვლად, რომ AMF-ის ზიგზაგის ნიმუშით მოწყობა მართკუთხა ნაქსოვი ფურცლის შესაქმნელად, ჩვენ შევქმენით AMF-ის ბრტყელი სპირალური ფორმა, რომელიც შემდეგ რადიალურად შემოიფარგლა ბამბის ძაფით მრგვალი ნაქსოვი ფურცლის შესაქმნელად (სურათი 2D).AMF-ის მაღალი სიმტკიცე ზღუდავს ფირფიტის ძალიან ცენტრალური რეგიონის შევსებას.თუმცა, ეს ბალიშის დამზადება შესაძლებელია ელასტიური ძაფებისგან ან ელასტიური ქსოვილებისგან.ჰიდრავლიკური წნევის მიღებისას, AMP გარდაქმნის მის გრძივი დრეკადობას ფურცლის რადიალურ გაფართოებად.ასევე აღსანიშნავია, რომ სპირალური ფორმის როგორც გარე, ასევე შიდა დიამეტრი გაიზარდა ძაფების რადიალური შეზღუდვის გამო.სურათი 2D გვიჩვენებს, რომ გამოყენებული ჰიდრავლიკური წნევით 1 მპა, მრგვალი ფურცლის ფორმა ფართოვდება თავდაპირველი ფართობის 25%-მდე.
აქ წარმოგიდგენთ მეორე მიდგომას ჭკვიანი ტექსტილის დასამზადებლად, სადაც ვაწებებთ AMF-ს ბრტყელ ქსოვილზე და ვაკონფიგურირებთ მას პასიურიდან აქტიურად კონტროლირებად სტრუქტურამდე.მოსახვევი დისკის დიზაინის დიაგრამა ნაჩვენებია ნახ.3A, სადაც AMP იკეცება შუაზე და წებოვანია გაუხსნელი ქსოვილის ზოლზე (ბამბის მუსლინის ქსოვილი) ორმხრივი ლენტის გამოყენებით, როგორც წებოვანი.დალუქვის შემდეგ, AMF-ის ზედა ნაწილი თავისუფლად იშლება, ხოლო ქვედა ნაწილი შემოიფარგლება ლენტითა და ქსოვილით, რაც იწვევს ზოლის მოხრილობას ქსოვილისკენ.ჩვენ შეგვიძლია გამორთოთ მოსახვევის ამძრავის ნებისმიერი ნაწილი სადმე, მასზე ლენტის ზოლის დაჭერით.დეაქტივირებული სეგმენტი ვერ მოძრაობს და ხდება პასიურ სეგმენტად.
ქსოვილების ხელახლა კონფიგურაცია ხდება AMF-ის ტრადიციულ ქსოვილებზე დამაგრებით.(A) დიზაინის კონცეფცია მოსახვევი დისკისთვის, რომელიც დამზადებულია დაკეცილი AMF-ის წებოთი გაუწვდომელ ქსოვილზე.(B) ამოძრავების პროტოტიპის მოხრა.(C) მართკუთხა ქსოვილის რეკონფიგურაცია აქტიურ ოთხფეხა რობოტად.არაელასტიური ქსოვილი: ბამბის მაისური.გასაჭიმი ქსოვილი: პოლიესტერი.დეტალური სპეციფიკაციები შეგიძლიათ იხილოთ მეთოდების განყოფილებაში.
ჩვენ დავამზადეთ სხვადასხვა სიგრძის რამდენიმე პროტოტიპის მოსახვევი ამძრავი და მოვახდინეთ მათზე ზეწოლა ჰიდრავლიკით, რათა შეგვექმნა მოხრილი მოძრაობა (სურათი 3B).მნიშვნელოვანია, რომ AMF შეიძლება იყოს დაყენებული სწორი ხაზით ან დაკეცილი, რათა ჩამოყალიბდეს მრავალი ძაფი და შემდეგ წებოვანი იყოს ქსოვილზე, რათა შეიქმნას მოსახვევი დისკი შესაბამისი რაოდენობის ძაფებით.ჩვენ ასევე გადავაქციეთ პასიური ქსოვილის ფურცელი აქტიურ ტეტრაპოდის სტრუქტურად (სურათი 3C), სადაც გამოვიყენეთ AMF მართკუთხა გაუგრძელებელი ქსოვილის საზღვრების გასაშლელად (ბამბის მუსლინის ქსოვილი).AMP მიმაგრებულია ქსოვილზე ორმხრივი ლენტით.თითოეული კიდის შუა ლენტი პასიური ხდება, ხოლო ოთხი კუთხე აქტიური რჩება.გაჭიმვის ქსოვილის ზედა საფარი (პოლიესტერი) არჩევითია.დაჭერისას ქსოვილის ოთხი კუთხე იღუნება (ფეხებს ჰგავს).
ჩვენ ავაშენეთ სატესტო სკამი განვითარებული ჭკვიანი ტექსტილის თვისებების რაოდენობრივად შესასწავლად (იხილეთ მეთოდების განყოფილება და დამატებითი სურათი S1).ვინაიდან ყველა ნიმუში დამზადებულია AMF-ისგან, ექსპერიმენტული შედეგების ზოგადი ტენდენცია (ნახ. 4) შეესაბამება AMF-ის ძირითად მახასიათებლებს, კერძოდ, შესასვლელი წნევა პირდაპირპროპორციულია გამოსასვლელის გახანგრძლივებასთან და უკუპროპორციულია შეკუმშვის ძალასთან.თუმცა, ამ ჭკვიან ქსოვილებს აქვთ უნიკალური მახასიათებლები, რომლებიც ასახავს მათ სპეციფიკურ კონფიგურაციას.
ახასიათებს ჭკვიანი ტექსტილის კონფიგურაციები.(A, B) ჰისტერეზის მრუდები შესასვლელი წნევისა და გამოსასვლელის დრეკადობისთვის და ძალის ნაქსოვი ფურცლებისთვის.(გ) ნაქსოვი ფურცლის ფართობის გაფართოება.(D,E) კავშირი შეყვანის წნევასა და გამომავალ დრეკადობასა და ძალას შორის ტრიკოტაჟისთვის.(F) რადიალურად გაფართოებული სტრუქტურების ფართობის გაფართოება.(G) ღუნვის დისკების სამი სხვადასხვა სიგრძის ღუნვის კუთხეები.
ნაქსოვი ფურცლის თითოეული AMF დაექვემდებარა 1 მპა-ს შემავალ წნევას, რათა წარმოქმნას დაახლოებით 30% დრეკადობა (ნახ. 4A).ჩვენ ავირჩიეთ ეს ზღვარი მთელი ექსპერიმენტისთვის რამდენიმე მიზეზის გამო: (1) მნიშვნელოვანი დრეკადობის შესაქმნელად (დაახლოებით 30%) მათი ჰისტერეზის მრუდების ხაზგასასმელად, (2) ველოსიპედის თავიდან ასაცილებლად სხვადასხვა ექსპერიმენტებიდან და მრავალჯერადი გამოყენების პროტოტიპებიდან, რაც გამოიწვევს შემთხვევით დაზიანებას ან წარუმატებლობას..მაღალი სითხის წნევის ქვეშ.მკვდარი ზონა აშკარად ჩანს და ლენტები უმოძრაოდ რჩება მანამ, სანამ შესასვლელი წნევა არ მიაღწევს 0,3 მპა-ს.წნევის გახანგრძლივების ჰისტერეზის დიაგრამა გვიჩვენებს დიდ უფსკრული ტუმბოსა და გამოშვების ფაზებს შორის, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ენერგიის მნიშვნელოვანი დაკარგვა ხდება, როდესაც ნაქსოვი ფურცელი ცვლის თავის მოძრაობას გაფართოებიდან შეკუმშვამდე.(ნახ. 4A).1 მპა-ს შემავალი წნევის მიღების შემდეგ, ნაქსოვი ფურცელს შეუძლია 5,6 ნ შეკუმშვის ძალა მოახდინოს (ნახ. 4B).წნევა-ძალის ჰისტერეზის დიაგრამა ასევე აჩვენებს, რომ გადატვირთვის მრუდი თითქმის ემთხვევა წნევის მომატების მრუდს.ნაქსოვი ფურცლის ფართობის გაფართოება დამოკიდებული იყო ზეწოლის რაოდენობაზე, რომელიც გამოიყენება თითოეულ ორ AMF-ზე, როგორც ნაჩვენებია 3D ზედაპირის ნახაზზე (სურათი 4C).ექსპერიმენტებმა ასევე აჩვენა, რომ ნაქსოვი ფურცელი შეიძლება გამოიწვიოს ფართობის გაფართოება 66%-ით, როდესაც მისი მრგვალი და ქსოვილი AMF ერთდროულად ექვემდებარება ჰიდრავლიკურ წნევას 1 მპა.
ნაქსოვი ფურცლის ექსპერიმენტული შედეგები აჩვენებს ნაქსოვი ფურცლის მსგავს ნიმუშს, მათ შორის ფართო ჰისტერეზის უფსკრული დაძაბულობის წნევის დიაგრამაში და გადახურვის წნევა-ძალის მოსახვევებში.ნაქსოვი ფურცელი აჩვენებდა დრეკადობას 30%, რის შემდეგაც შეკუმშვის ძალა იყო 9 N შემავალი წნევის 1 მპა (ნახ. 4D, E).
მრგვალი ნაქსოვი ფურცლის შემთხვევაში, მისი საწყისი ფართობი გაიზარდა 25%-ით საწყის ფართობთან შედარებით 1 მპა სითხის წნევის ზემოქმედების შემდეგ (ნახ. 4F).სანამ ნიმუში გაფართოებას დაიწყებს, არის დიდი შესასვლელი წნევის მკვდარი ზონა 0,7 მპა-მდე.ეს დიდი მკვდარი ზონა მოსალოდნელი იყო, რადგან ნიმუშები გაკეთდა უფრო დიდი AMF-სგან, რაც საჭიროებდა უფრო მაღალ წნევას მათი საწყისი სტრესის დასაძლევად.ნახ.4F ასევე აჩვენებს, რომ გამოშვების მრუდი თითქმის ემთხვევა წნევის გაზრდის მრუდს, რაც მიუთითებს ენერგიის მცირე დანაკარგზე დისკის მოძრაობის გადართვისას.
ექსპერიმენტული შედეგები სამი მოღუნვის აქტუატორისთვის (ქსოვილის რეკონფიგურაცია) აჩვენებს, რომ მათი ჰისტერეზის მრუდი აქვს მსგავსი ნიმუში (სურათი 4G), სადაც ისინი განიცდიან შესასვლელი წნევის მკვდარ ზონას 0,2 მპა-მდე აწევამდე.ჩვენ გამოვიყენეთ სითხის იგივე მოცულობა (0,035 მლ) სამ მოსახვევ დისკზე (L20, L30 და L50 მმ).თუმცა, თითოეულ ამძრავს განიცდიდა წნევის სხვადასხვა მწვერვალი და ავითარებდა სხვადასხვა მოხრის კუთხეებს.L20 და L30 მმ ამომყვანები განიცდიდნენ შესასვლელი წნევა 0,72 და 0,67 მპა, მიაღწია მოხრის კუთხეებს შესაბამისად 167° და 194°.ყველაზე გრძელი მოსახვევი ამძრავი (სიგრძე 50 მმ) გაუძლო 0,61 მპა წნევას და მიაღწია მაქსიმალურ მოსახვევ კუთხეს 236°.წნევის კუთხის ჰისტერეზის ნაკვეთებმა ასევე გამოავლინა შედარებით დიდი ხარვეზები წნეხისა და გამოშვების მრუდებს შორის სამივე მოსახვევი დისკისთვის.
კავშირი შეყვანის მოცულობასა და გამომავალ თვისებებს შორის (დრეკადობა, ძალა, ფართობის გაფართოება, დახრის კუთხე) ზემოაღნიშნული ჭკვიანი ტექსტილის კონფიგურაციებისთვის შეგიძლიათ იხილოთ დამატებით სურათზე S2.
წინა განყოფილების ექსპერიმენტული შედეგები ნათლად ასახავს პროპორციულ კავშირს შეყვანის წნევასა და AMF ნიმუშების გამოსასვლელ დრეკადობას შორის.რაც უფრო ძლიერია AMB დაძაბვა, მით უფრო დიდი დრეკადობა ვითარდება და უფრო ელასტიურ ენერგიას აგროვებს.აქედან გამომდინარე, მით უფრო დიდია მისი შეკუმშვის ძალა.შედეგებმა ასევე აჩვენა, რომ ნიმუშებმა მიაღწიეს შეკუმშვის მაქსიმალურ ძალას, როდესაც შემავალი წნევა მთლიანად მოიხსნა.ეს განყოფილება მიზნად ისახავს უშუალო კავშირის დადგენას ნაქსოვი და ნაქსოვი ფურცლების დრეკადობასა და მაქსიმალურ შეკუმშვის ძალას შორის ანალიტიკური მოდელირებისა და ექსპერიმენტული შემოწმების გზით.
ერთი AMF-ის მაქსიმალური შეკუმშვის ძალა Fout (შესასვლელი წნევის დროს P = 0) მოცემულია ref 49-ში და ხელახლა იქნა დანერგილი შემდეგნაირად:
მათ შორის, α, E და A0 არის გაჭიმვის ფაქტორი, იანგის მოდული და სილიკონის მილის განივი ფართობი, შესაბამისად;k არის სპირალური ხვეულის სიხისტის კოეფიციენტი;x და li არის ოფსეტური და საწყისი სიგრძე.AMP, შესაბამისად.
სწორი განტოლება.(1) მაგალითად აიღეთ ნაქსოვი და ნაქსოვი ფურცლები (ნახ. 5A, B).ნაქსოვი პროდუქტის Fkv და ნაქსოვი პროდუქტის Fwh შეკუმშვის ძალები გამოიხატება (2) და (3) განტოლებით, შესაბამისად.
სადაც mk არის მარყუჟების რაოდენობა, φp არის ნაქსოვი ქსოვილის მარყუჟის კუთხე ინექციის დროს (ნახ. 5A), mh არის ძაფების რაოდენობა, θhp არის ნაქსოვი ქსოვილის ჩართვის კუთხე ინექციის დროს (ნახ. 5B), εkv. εwh არის ნაქსოვი ფურცელი და ნაქსოვი ფურცლის დეფორმაცია, F0 არის სპირალური ხვეულის საწყისი დაძაბულობა.განტოლების დეტალური წარმოშობა.(2) და (3) შეგიძლიათ იხილოთ დამხმარე ინფორმაციაში.
შექმენით დრეკადობა-ძალა ურთიერთობის ანალიტიკური მოდელი.(A,B) ანალიტიკური მოდელის ილუსტრაციები ნაქსოვი და ნაქსოვი ფურცლების შესაბამისად.(C,D) ნაქსოვი და ნაქსოვი ფურცლების ანალიტიკური მოდელებისა და ექსპერიმენტული მონაცემების შედარება.RMSE Root საშუალო კვადრატული შეცდომა.
შემუშავებული მოდელის შესამოწმებლად, ჩვენ ჩავატარეთ დრეკადობის ექსპერიმენტები ნაქსოვი შაბლონების გამოყენებით 2A და ნაქსოვი ნიმუშები ნახ. 2B.შეკუმშვის ძალა გაზომილი იყო 5%-იანი მატებით თითოეული ჩაკეტილი გაფართოებისთვის 0%-დან 50%-მდე.ხუთი ცდის საშუალო და სტანდარტული გადახრა წარმოდგენილია სურათზე 5C (ნაქსოვი) და სურათზე 5D (ნაქსოვი).ანალიტიკური მოდელის მრუდები აღწერილია განტოლებებით.პარამეტრები (2) და (3) მოცემულია ცხრილში.1. შედეგები აჩვენებს, რომ ანალიტიკური მოდელი კარგად ემთხვევა ექსპერიმენტულ მონაცემებს მთელი დრეკადობის დიაპაზონში ფესვის საშუალო კვადრატული ცდომილით (RMSE) 0,34 N ნაქსოვი ტანსაცმლისთვის, 0,21 N ნაქსოვი AMF H (ჰორიზონტალური მიმართულება) და 0,17 N. ნაქსოვი AMF-სთვის.V (ვერტიკალური მიმართულება).
ძირითადი მოძრაობების გარდა, შემოთავაზებული ჭკვიანი ტექსტილი შეიძლება იყოს მექანიკურად დაპროგრამებული, რათა უზრუნველყოს უფრო რთული მოძრაობები, როგორიცაა S-bend, რადიალური შეკუმშვა და 2D-დან 3D-მდე დეფორმაცია.აქ წარმოგიდგენთ ბრტყელი ჭკვიანი ტექსტილის სასურველ სტრუქტურებში დაპროგრამების რამდენიმე მეთოდს.
დომენის ხაზოვანი მიმართულებით გაფართოების გარდა, ცალმხრივი ნაქსოვი ფურცლები შეიძლება მექანიკურად დაპროგრამდეს მულტიმოდალური მოძრაობის შესაქმნელად (ნახ. 6A).ჩვენ ხელახლა ვაკონფიგურირებთ წნული ფურცლის გაფართოებას, როგორც მოღუნვის მოძრაობას, ზღუდავს მის ერთ-ერთ სახეს (ზედა ან ქვედა) სამკერვალო ძაფით.ზეწოლის ქვეშ, ფურცლები მიდრეკილია შემოსაზღვრული ზედაპირისკენ.ნახ.6A გვიჩვენებს ნაქსოვი პანელების ორ მაგალითს, რომლებიც S-ის ფორმას იძენს, როდესაც ერთი ნახევარი ზედა მხარეს არის შევიწროებული, ხოლო მეორე ნახევარი ქვედა მხარეს.ალტერნატიულად, შეგიძლიათ შექმნათ წრიული მოხრილი მოძრაობა, სადაც მხოლოდ მთელი სახე არის შეზღუდული.ცალმხრივი ნაწნავი ფურცელი ასევე შეიძლება გადაკეთდეს კომპრესიულ ყდის სახით მისი ორი ბოლო მილაკოვანი სტრუქტურის შეერთებით (ნახ. 6B).ყდის ატარებენ ადამიანის საჩვენებელ თითს, რათა უზრუნველყოს შეკუმშვა, მასაჟის თერაპიის ფორმა ტკივილის შესამსუბუქებლად ან სისხლის მიმოქცევის გასაუმჯობესებლად.მისი მასშტაბირება შესაძლებელია სხეულის სხვა ნაწილებზე, როგორიცაა მკლავები, თეძოები და ფეხები.
ფურცლების ერთი მიმართულებით ქსოვის უნარი.(ა) დეფორმირებადი სტრუქტურების შექმნა სამკერვალო ძაფების ფორმის პროგრამირებადობის გამო.(B) თითის შეკუმშვის ყდის.(C) შეკრული ფურცლის კიდევ ერთი ვერსია და მისი განხორციელება, როგორც წინამხრის შეკუმშვის ყდის.(D) კიდევ ერთი შეკუმშვის ყდის პროტოტიპი, რომელიც დამზადებულია AMF ტიპის M-ისგან, აკრილის ძაფისგან და ველკროს თასმებისგან.დეტალური სპეციფიკაციები შეგიძლიათ იხილოთ მეთოდების განყოფილებაში.
სურათი 6C გვიჩვენებს ცალმხრივი ნაქსოვი ფურცლის სხვა მაგალითს, რომელიც დამზადებულია ერთი AMF და ბამბის ძაფისგან.ფურცელს შეუძლია ფართობის 45%-ით გაფართოება (1,2 მპა-ზე) ან გამოიწვიოს წრიული მოძრაობა წნევის ქვეშ.ჩვენ ასევე ჩავრთეთ ფურცელი წინამხრის შეკუმშვის ყდის შესაქმნელად ფურცლის ბოლოზე მაგნიტური თასმების მიმაგრებით.წინამხრის შეკუმშვის ყდის სხვა პროტოტიპი ნაჩვენებია ნახაზზე 6D, რომელშიც ცალმხრივი შეკრული ფურცლები დამზადდა M ტიპის AMF-ისგან (იხ. მეთოდები) და აკრილის ძაფებისგან უფრო ძლიერი შეკუმშვის ძალების წარმოქმნის მიზნით.ჩვენ მოვამზადეთ ფურცლების ბოლოები Velcro თასმებით მარტივი დასამაგრებლად და სხვადასხვა ზომის ხელისთვის.
შეზღუდვის ტექნიკა, რომელიც გარდაქმნის ხაზოვან გაფართოებას მრუდის მოძრაობად, ასევე გამოიყენება ორმხრივი ნაქსოვი ფურცლებზე.ბამბის ძაფებს ვქსოვთ ნაქსოვი ფურცლების ერთ მხარეს, რათა არ გაფართოვდეს (სურ. 7A).ამრიგად, როდესაც ორი AMF იღებს ჰიდრავლიკურ წნევას ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, ფურცელი ექვემდებარება ორმხრივ ღუნვის მოძრაობას, რათა შექმნას თვითნებური სამგანზომილებიანი სტრუქტურა.სხვა მიდგომით, ჩვენ ვიყენებთ გაუწელვებელ ძაფებს ორმხრივი ნაქსოვი ფურცლების ერთი მიმართულების შესაზღუდად (სურათი 7B).ამრიგად, ფურცელს შეუძლია მოახდინოს დამოუკიდებელი მოხრა და გაჭიმვა მოძრაობები, როდესაც შესაბამისი AMF ზეწოლის ქვეშ იმყოფება.ნახ.7B გვიჩვენებს მაგალითს, რომელშიც ორმხრივი წნული ფურცელი აკონტროლებს ადამიანის თითის ორ მესამედს მოხრილი მოძრაობით შემოხვევას და შემდეგ გააგრძელებს მის სიგრძეს, რომ დანარჩენი დაფაროს გაჭიმვის მოძრაობით.ფურცლების ორმხრივი მოძრაობა შეიძლება სასარგებლო იყოს მოდის დიზაინის ან ჭკვიანი ტანსაცმლის განვითარებისთვის.
ორმხრივი ნაქსოვი ფურცელი, ნაქსოვი ფურცელი და რადიალურად გაფართოებადი დიზაინის შესაძლებლობები.(A) ორმხრივი შეკრული ორმხრივი ნაქსოვი პანელები ორმხრივი მოსახვევის შესაქმნელად.(B) ცალმხრივად შეზღუდული ორმხრივი ნაქსოვი პანელები წარმოქმნიან მოქნილობას და დრეკადობას.(C) მაღალი ელასტიური ნაქსოვი ფურცელი, რომელსაც შეუძლია შეესაბამებოდეს სხვადასხვა ზედაპირის გამრუდებას და წარმოქმნას კიდეც მილისებური სტრუქტურები.(დ) რადიალურად გაფართოებული სტრუქტურის ცენტრის ხაზის დელიმიტაცია, რომელიც ქმნის ჰიპერბოლურ პარაბოლურ ფორმას (კარტოფილის ჩიფსები).
ნაქსოვი ნაწილის ზედა და ქვედა რიგების ორი მომიჯნავე მარყუჟი სამკერვალო ძაფით დავაკავშირეთ, რომ არ ამოეშალა (სურ. 7C).ამრიგად, ნაქსოვი ფურცელი არის სრულად მოქნილი და კარგად ეგუება სხვადასხვა ზედაპირის მოსახვევებს, როგორიცაა ადამიანის ხელებისა და მკლავების კანის ზედაპირი.ასევე შევქმენით მილისებური კონსტრუქცია (მკლავი) ნაქსოვი ნაწილის ბოლოების შეერთებით მოგზაურობის მიმართულებით.ყდის კარგად ეხვევა პირის საჩვენებელ თითს (სურ. 7C).ნაქსოვი ქსოვილის სისუსტე უზრუნველყოფს შესანიშნავ მორგებასა და დეფორმაციულობას, რაც აადვილებს მის გამოყენებას ჭკვიან სამოსში (ხელთათმანები, კომპრესიული სამაჯურები), უზრუნველყოფს კომფორტს (მორგების საშუალებით) და თერაპიულ ეფექტს (შეკუმშვის გზით).
2D რადიალური გაფართოების გარდა მრავალი მიმართულებით, წრიული ნაქსოვი ფურცლები ასევე შეიძლება დაპროგრამდეს 3D სტრუქტურების შესაქმნელად.ჩვენ შევზღუდეთ მრგვალი ლენტის ცენტრალური ხაზი აკრილის ძაფით, რათა დავარღვიოთ მისი ერთგვაროვანი რადიალური გაფართოება.შედეგად, მრგვალი ნაქსოვი ფურცლის ორიგინალური ბრტყელი ფორმა ზეწოლის შემდეგ გადაკეთდა ჰიპერბოლურ პარაბოლურ ფორმად (ან კარტოფილის ჩიფსად) (ნახ. 7D).ფორმის შეცვლის ეს უნარი შეიძლება განხორციელდეს როგორც ამწევი მექანიზმი, ოპტიკური ლინზა, მობილური რობოტის ფეხები, ან შეიძლება იყოს გამოსადეგი მოდის დიზაინში და ბიონიკურ რობოტებში.
ჩვენ შევიმუშავეთ მარტივი ტექნიკა მოქნილი დისკების შესაქმნელად AMF-ის დაწებებით არაგაჭიმვის ქსოვილის ზოლზე (სურათი 3).ჩვენ ვიყენებთ ამ კონცეფციას ფორმის პროგრამირებადი ძაფების შესაქმნელად, სადაც შეგვიძლია სტრატეგიულად გავანაწილოთ მრავალი აქტიური და პასიური განყოფილება ერთ AMF-ში სასურველი ფორმების შესაქმნელად.ჩვენ შევქმენით და დავაპროგრამეთ ოთხი აქტიური ძაფები, რომლებსაც შეეძლოთ შეეცვალათ მათი ფორმა სწორიდან ასოზე (UNSW) წნევის მატებასთან ერთად (დამატებითი სურ. S4).ეს მარტივი მეთოდი საშუალებას აძლევს AMF-ის დეფორმაციულობას გადააქციოს 1D ხაზები 2D ფორმებად და შესაძლოა 3D სტრუქტურებადაც კი.
ანალოგიური მიდგომით, ჩვენ გამოვიყენეთ ერთი AMF პასიური ნორმალური ქსოვილის ნაწილის ხელახლა კონფიგურაციისთვის აქტიურ ტეტრაპოდში (ნახ. 8A).მარშრუტიზაციისა და პროგრამირების კონცეფციები მსგავსია სურათზე 3C.თუმცა, მართკუთხა ფურცლების ნაცვლად, მათ დაიწყეს ქსოვილების გამოყენება ოთხფეხა ნიმუშით (კუ, ბამბის მუსლინი).ამიტომ, ფეხები უფრო გრძელია და სტრუქტურა შეიძლება მაღლა აიწიოს.სტრუქტურის სიმაღლე თანდათან იზრდება წნევის ქვეშ, სანამ მისი ფეხები მიწაზე პერპენდიკულარული იქნება.თუ შემავალი წნევა განაგრძობს მატებას, ფეხები შიგნიდან დაიძვრება, რაც ამცირებს სტრუქტურის სიმაღლეს.ტეტრაპოდებს შეუძლიათ განახორციელონ მოძრაობა, თუ მათი ფეხები აღჭურვილია ცალმხრივი შაბლონებით ან იყენებენ მრავალ AMF-ს მოძრაობის მანიპულირების სტრატეგიებით.რბილი მოძრაობის რობოტები საჭიროა სხვადასხვა ამოცანებისთვის, მათ შორის ტყის ხანძრისგან, ჩამონგრეული შენობების ან სახიფათო გარემოდან გადარჩენისა და სამედიცინო წამლების მიმწოდებელი რობოტების ჩათვლით.
ქსოვილი ხელახლა არის კონფიგურირებული, რათა შეიქმნას ფორმის შეცვლადი სტრუქტურები.(A) წებოს AMF პასიური ქსოვილის ფურცლის საზღვარზე, გადააქციეთ იგი სამართავ ოთხფეხა სტრუქტურად.(BD) ქსოვილის რეკონფიგურაციის ორი სხვა მაგალითი, პასიური პეპლებისა და ყვავილების აქტიურებად გადაქცევა.არაგაჭიმვის ქსოვილი: უბრალო ბამბის მუსლინი.
ჩვენ ასევე ვიყენებთ ქსოვილის რეკონფიგურაციის ამ ტექნიკის სიმარტივესა და მრავალფეროვნებას, შემოგთავაზებთ ორი დამატებითი ბიოინსპირირებული სტრუქტურის გადაფორმებისთვის (სურათები 8B-D).მარშრუტირებადი AMF-ით, ეს ფორმა-დეფორმირებადი სტრუქტურები ხელახლა კონფიგურებულია პასიური ქსოვილის ფურცლებიდან აქტიურ და მართვად სტრუქტურებამდე.მონარქის პეპელას შთაგონებით, ჩვენ შევქმენით გარდამტეხი პეპლის სტრუქტურა პეპლის ფორმის ქსოვილის (ბამბის მუსლინი) და ფრთების ქვეშ ჩარჩენილი AMF-ის გრძელი ნაწილის გამოყენებით.როდესაც AMF ზეწოლის ქვეშ იმყოფება, ფრთები იკეცება.Monarch Butterfly-ის მსგავსად, პეპელა რობოტის მარცხენა და მარჯვენა ფრთები ერთნაირად აფრიალებს, რადგან ორივეს აკონტროლებს AMF.პეპლის ფლაპები მხოლოდ საჩვენებელი მიზნებისთვისაა.მას არ შეუძლია ფრენა Smart Bird-ის მსგავსად (Festo Corp., აშშ).ჩვენ ასევე გავაკეთეთ ქსოვილის ყვავილი (სურათი 8D), რომელიც შედგება ხუთი ფურცლის ორი ფენისგან.ჩვენ მოვათავსეთ AMF თითოეული ფენის ქვემოთ ფურცლების გარე კიდის შემდეგ.თავდაპირველად, ყვავილები სრულად აყვავებულია, ყველა ფურცელი მთლიანად ღიაა.ზეწოლის ქვეშ, AMF იწვევს ფურცლების მოხრილ მოძრაობას, რაც იწვევს მათ დახურვას.ორი AMF დამოუკიდებლად აკონტროლებს ორი ფენის მოძრაობას, ხოლო ერთი ფენის ხუთი ფურცელი ერთდროულად იკეცება.