유체구동 인공근육섬유를 이용한 스마트 섬유

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섬유와 인공 근육을 결합해 스마트 섬유를 만드는 것은 과학계와 산업계 모두로부터 많은 관심을 받고 있습니다.스마트 직물은 원하는 움직임과 강도에 대한 능동적인 작동을 제공하는 동시에 적응성 편안함과 물체에 대한 높은 수준의 적합성을 포함하여 많은 이점을 제공합니다.이 기사에서는 유체 구동 인공 근육 섬유를 직조, 직조 및 접착하는 다양한 방법을 사용하여 만들어진 새로운 종류의 프로그래밍 가능한 스마트 직물을 제시합니다.편직물과 직조물 시트의 신장력 비율을 설명하기 위해 수학적 모델을 개발한 후 그 타당성을 실험적으로 테스트했습니다.새로운 "스마트" 직물은 높은 유연성, 등각성 및 기계적 프로그래밍을 특징으로 하여 더 넓은 범위의 응용 분야에 대한 다중 모드 이동 및 변형 기능을 가능하게 합니다.신율(최대 65%), 면적 확장(108%), 방사형 확장(25%), 굽힘 동작 등 다양한 형태 변화 사례를 포함해 실험적 검증을 통해 다양한 스마트 텍스타일 프로토타입이 제작됐다.생체모방 구조를 형성하기 위해 수동적 전통 조직을 활성 구조로 재구성하는 개념도 탐구되고 있습니다.제안된 스마트 직물은 스마트 웨어러블, 햅틱 시스템, 생체모방 소프트 로봇, 웨어러블 전자제품의 개발을 촉진할 것으로 예상됩니다.
강성 로봇은 구조화된 환경에서 작업할 때 효과적이지만, 변화하는 환경의 알 수 없는 맥락에 문제가 있어 검색이나 탐색에 사용이 제한됩니다.자연은 외부 요인과 다양성을 다루기 위한 수많은 창의적인 전략으로 우리를 계속해서 놀라게 합니다.예를 들어, 덩굴 식물의 덩굴손은 구부러지거나 나선형으로 움직이는 등 다양한 모드의 움직임을 수행하여 적절한 지지대를 찾아 미지의 환경을 탐색합니다1.파리지옥풀(Dionaea muscipula)은 잎에 민감한 털을 가지고 있는데, 이 털이 촉발되면 찰칵 소리를 내며 먹이를 잡습니다2.최근에는 2차원(2D) 표면에서 생물학적 구조를 모방한 3차원(3D) 형상으로 신체를 변형하거나 변형하는 것이 흥미로운 연구 주제가 되었습니다3,4.이러한 소프트 로봇 구성은 변화하는 환경에 적응하고, 다중 모드 이동을 가능하게 하며, 기계 작업을 수행하기 위해 힘을 가하기 위해 모양을 변경합니다.그들의 범위는 배치 가능5, 재구성 가능 및 자동 접이식 로봇6,7, 생체 의학 장치8, 차량9,10 및 확장 가능한 전자 장치11를 포함하여 광범위한 로봇 공학 애플리케이션으로 확장되었습니다.
활성화되면 복잡한 3차원 구조로 변환되는 프로그래밍 가능한 평판을 개발하기 위해 많은 연구가 수행되었습니다3.변형 가능한 구조를 만들기 위한 간단한 아이디어는 자극에 노출될 때 구부러지고 주름지는 다양한 재료의 레이어를 결합하는 것입니다12,13.Janbazet al.14 및 Li et al.15명은 열에 민감한 다중 모드 변형 로봇을 만들기 위해 이 개념을 구현했습니다.자극 반응 요소를 통합한 종이접기 기반 구조는 복잡한 3차원 구조를 만드는 데 사용되었습니다.생물학적 구조의 형태형성에서 영감을 얻은 Emmanuel et al.모양 변형이 가능한 엘라스토머는 압력을 가할 때 복잡하고 임의적인 3차원 모양으로 변형되는 고무 표면 내에 공기 채널을 구성하여 생성됩니다.
변형 가능한 소프트 로봇에 직물이나 직물을 통합하는 것은 광범위한 관심을 불러일으킨 또 다른 새로운 개념의 프로젝트입니다.직물은 편직, 직조, 편조 또는 매듭 직조와 같은 직조 기술을 통해 실로 만든 부드럽고 탄력 있는 소재입니다.유연성, 핏, 탄력성 및 통기성을 포함한 직물의 놀라운 특성으로 인해 의류에서 의료 응용 분야에 이르기까지 모든 분야에서 매우 인기가 있습니다20.섬유를 로봇 공학에 통합하는 데는 세 가지 광범위한 접근 방식이 있습니다21.첫 번째 접근 방식은 직물을 다른 구성 요소의 패시브 백킹 또는 베이스로 사용하는 것입니다.이 경우 패시브 직물은 견고한 구성 요소(모터, 센서, 전원 공급 장치)를 운반할 때 사용자에게 편안한 착용감을 제공합니다.대부분의 소프트 웨어러블 로봇이나 소프트 외골격은 이 접근 방식에 속합니다.예를 들어, 보행 보조기(22) 및 팔꿈치 보조기(23, 24, 25)용 소프트 웨어러블 외골격, 손 및 손가락 보조기용 소프트 웨어러블 장갑(26), 생체공학 소프트 로봇(27)이 있습니다.
두 번째 접근 방식은 직물을 소프트 로봇 장치의 수동적이고 제한된 구성 요소로 사용하는 것입니다.직물 기반 액추에이터는 이 범주에 속하며, 직물은 일반적으로 내부 호스 또는 챔버를 포함하는 외부 컨테이너로 구성되어 부드러운 섬유 강화 액추에이터를 형성합니다.외부 공압 또는 유압 소스의 영향을 받으면 이러한 소프트 액추에이터는 원래 구성 및 구성에 따라 신장, 굽힘 또는 비틀림을 포함한 모양 변화를 겪습니다.예를 들어, Talman et al.일련의 천 주머니로 구성된 정형외과용 발목 의복은 보행 복원을 위한 발바닥 굴곡을 촉진하기 위해 도입되었습니다28.다양한 신장성을 지닌 직물 레이어를 결합하여 이방성 움직임을 생성할 수 있습니다. 29 .OmniSkins – 다양한 소프트 액추에이터와 기판 재료로 만들어진 소프트 로봇 스킨은 수동 물체를 다양한 응용 분야에 대해 다중 모드 이동과 변형을 수행할 수 있는 다기능 능동 로봇으로 변환할 수 있습니다.Zhu et al.신장, 굽힘 및 다양한 변형 동작을 생성할 수 있는 액체 조직 근육 시트31를 개발했습니다.Buckneret al.기능성 섬유를 기존 조직에 통합하여 작동, 감지 및 가변 강성32과 같은 다양한 기능을 갖춘 로봇 조직을 만듭니다.이 범주의 다른 방법은 이 논문 21, 33, 34, 35에서 찾을 수 있습니다.
소프트 로봇 공학 분야에서 직물의 우수한 특성을 활용하는 최근 접근 방식은 반응성 또는 자극 반응성 필라멘트를 사용하여 직조, 편직 및 직조 방법과 같은 전통적인 직물 제조 방법을 사용하여 스마트 직물을 만드는 것입니다.소재의 구성에 따라 반응성 실은 전기적, 열적, 압력 작용을 받을 때 형태 변화를 일으켜 직물의 변형을 일으킵니다.전통적인 직물이 소프트 로봇 시스템에 통합되는 이 접근 방식에서는 직물의 재형성이 외부 레이어가 아닌 내부 레이어(원사)에서 발생합니다.따라서 스마트 직물은 다중 모드 움직임, 프로그래밍 가능한 변형, 신축성 및 강성 조정 기능 측면에서 탁월한 핸들링을 제공합니다.예를 들어, 형상기억합금(SMA) 및 형상기억폴리머(SMP)를 직물에 통합하여 감김38, 주름 제거36,39, 촉각 및 촉각 피드백40,41과 같은 열 자극을 통해 형상을 능동적으로 제어할 수 있습니다. 착용 가능한 의류.장치 42.그러나 열 에너지를 가열 및 냉각에 사용하면 응답 속도가 느려지고 냉각 및 제어가 어려워집니다.최근에는 Hiramitsu et al.McKibben의 미세 근육43,44, 공압 인공 근육은 날실로 사용되어 직조 구조를 변화시켜 다양한 형태의 활성 직물을 만듭니다45.이 접근 방식은 높은 힘을 제공하지만 McKibben 근육의 특성으로 인해 확장 속도가 제한되고(< 50%) 작은 크기를 달성할 수 없습니다(직경 < 0.9mm).또한, 날카로운 모서리를 요구하는 직조 방식으로는 스마트한 직물 패턴을 형성하는 것이 어려웠다.더 넓은 범위의 스마트 직물을 형성하기 위해 Maziz et al.전기활성 웨어러블 직물은 전기감응성 폴리머 실46을 편직하고 직조하여 개발되었습니다.
최근 몇 년 동안 매우 꼬이고 저렴한 고분자 섬유로 구성된 새로운 유형의 감열성 인공 근육이 등장했습니다.이러한 섬유는 시중에서 구입할 수 있으며 직조 또는 직조에 쉽게 통합되어 저렴한 스마트 의류를 생산할 수 있습니다.발전에도 불구하고 이러한 새로운 열에 민감한 직물은 가열 및 냉각(예: 온도 조절 직물)이 필요하거나 원하는 변형과 움직임을 생성하도록 프로그래밍할 수 있는 복잡한 편직 및 직조 패턴을 만드는 어려움으로 인해 응답 시간이 제한되어 있습니다. .예를 들어 방사형 확장, 2D에서 3D로의 형상 변환 또는 양방향 확장이 여기에 제공됩니다.
앞서 언급한 문제를 극복하기 위해 이 기사에서는 최근 출시된 연질 인공 근육 섬유(AMF)49,50,51로 만든 새로운 유체 구동 스마트 직물을 제시합니다.AMF는 매우 유연하고 확장 가능하며 직경 0.8mm와 큰 길이(최소 5000mm)로 축소할 수 있어 높은 종횡비(길이 대 직경)뿐만 아니라 높은 연신율(최소 245%), 고에너지를 제공합니다. 효율성, 20Hz 미만의 빠른 응답).스마트 섬유를 만들기 위해 AMF를 활성 원사로 사용하여 편직 및 직조 기술을 통해 2D 활성 근육층을 형성합니다.우리는 전달되는 유체량과 압력 측면에서 이러한 "스마트" 조직의 팽창률과 수축력을 정량적으로 연구했습니다.편직 시트와 직조 시트의 신장력 관계를 확립하기 위해 분석 모델이 개발되었습니다.또한 양방향 확장, 굽힘, 방사형 확장 및 2D에서 3D로의 전환 기능을 포함하여 다중 모드 이동을 위한 스마트 직물을 위한 여러 가지 기계 프로그래밍 기술에 대해 설명합니다.우리 접근 방식의 강점을 입증하기 위해 AMF를 상업용 직물이나 직물에 통합하여 다양한 변형을 일으키는 수동 구조에서 능동 구조로 구성을 변경할 것입니다.우리는 또한 원하는 글자를 생성하기 위한 프로그래밍 가능한 실의 구부림과 나비, 사족보행 구조 및 꽃과 같은 물체의 모양으로의 형태 변화 생물학적 구조를 포함하여 여러 실험 테스트 벤치에서 이 개념을 시연했습니다.
직물은 원사, 실, 섬유 등의 1차원 실을 직조하여 형성된 유연한 2차원 구조입니다.섬유는 인류의 가장 오래된 기술 중 하나이며 편안함, 적응성, 통기성, 심미성 및 보호 기능으로 인해 삶의 모든 측면에서 널리 사용됩니다.스마트 직물(스마트 옷 또는 로봇 직물이라고도 함)은 로봇 응용 분야에서의 큰 잠재력으로 인해 연구에 점점 더 많이 사용되고 있습니다20,52.스마트 직물은 부드러운 물체와 상호 작용하는 인간의 경험을 향상시켜 얇고 유연한 직물의 움직임과 힘을 제어하여 특정 작업을 수행할 수 있는 분야의 패러다임 전환을 가져올 것을 약속합니다.본 논문에서는 최근 AMF49를 기반으로 한 스마트 직물 생산에 대한 두 가지 접근 방식을 탐구합니다. (1) AMF를 활성 원사로 사용하여 전통적인 직물 제조 기술을 사용하여 스마트 직물을 만듭니다.(2) AMF를 기존 직물에 직접 삽입하여 원하는 움직임과 변형을 자극합니다.
AMF는 유압 동력을 공급하는 내부 실리콘 튜브와 반경 방향 팽창을 제한하는 외부 나선형 코일로 구성됩니다.따라서 AMF는 압력이 가해지면 길이 방향으로 늘어나고 압력이 해제되면 원래 길이로 돌아가는 수축력을 나타냅니다.유연성, 작은 직경, 긴 길이 등 기존 섬유와 유사한 특성을 가지고 있습니다.그러나 AMF는 기존의 AMF보다 움직임과 힘 측면에서 더 활동적이고 제어됩니다.최근 스마트 직물의 급속한 발전에 영감을 받아 여기에서는 오랫동안 확립된 직물 제조 기술에 AMF를 적용하여 스마트 직물을 생산하는 네 가지 주요 접근 방식을 제시합니다(그림 1).
첫 번째 방법은 직조입니다.우리는 위편 기술을 사용하여 유압 작동 시 한 방향으로 펼쳐지는 반응성 편직물을 생산합니다.니트 시트는 신축성이 매우 뛰어나지만 직조 시트보다 쉽게 ​​풀리는 경향이 있습니다.제어 방법에 따라 AMF는 개별 행을 형성할 수도 있고 완제품을 형성할 수도 있습니다.플랫 시트 외에도 관형 편직 패턴도 AMF 중공 구조의 제조에 적합합니다.두 번째 방법은 직조로, 두 개의 AMF를 날실과 위사로 사용하여 두 방향으로 독립적으로 확장할 수 있는 직사각형 직조 시트를 형성합니다.직조 시트는 편직 시트보다 양방향으로 더 많은 제어 기능을 제공합니다.우리는 또한 한 방향으로만 풀 수 있는 단순한 직조 시트를 만들기 위해 전통적인 실에서 AMF를 엮었습니다.세 번째 방법인 방사형 확장은 직조 기술의 변형으로, AMP가 직사각형이 아닌 나선형으로 위치하고 스레드가 방사형 구속을 제공합니다.이 경우 브레이드는 입구 압력에 따라 반경 방향으로 팽창합니다.네 번째 접근 방식은 AMF를 수동 직물 시트에 부착하여 원하는 방향으로 굽힘 동작을 생성하는 것입니다.가장자리 주변에서 AMF를 실행하여 패시브 브레이크아웃 보드를 액티브 브레이크아웃 보드로 재구성했습니다.AMF의 이러한 프로그래밍 가능 특성은 수동 물체를 활성 물체로 바꿀 수 있는 생체 영감의 형태 변형 소프트 구조에 대한 수많은 가능성을 열어줍니다.이 방법은 간단하고 쉬우며 빠르지만 프로토타입의 수명이 저하될 수 있습니다.독자는 각 조직 특성의 강점과 약점을 자세히 설명하는 문헌의 다른 접근법을 참조합니다.
전통적인 직물을 만드는 데 사용되는 대부분의 실이나 실에는 수동적 구조가 포함되어 있습니다.이 작업에서 우리는 미터 길이와 밀리미터 미만 직경에 도달할 수 있는 이전에 개발된 AMF를 사용하여 기존 수동 직물 원사를 AFM으로 대체하여 더 넓은 범위의 응용 분야에 사용할 수 있는 지능적이고 활성 직물을 만듭니다.다음 섹션에서는 스마트 섬유 프로토타입을 만드는 자세한 방법을 설명하고 주요 기능과 동작을 제시합니다.
우리는 위편직 기술을 사용하여 세 개의 AMF 저지를 손으로 제작했습니다(그림 2A).AMF 및 프로토타입에 대한 재료 선택 및 세부 사양은 방법 섹션에서 확인할 수 있습니다.각 AMF는 대칭 루프를 형성하는 구불구불한 경로(경로라고도 함)를 따릅니다.각 행의 루프는 위아래 행의 루프로 고정됩니다.코스에 수직인 한 기둥의 링은 샤프트로 결합됩니다.우리의 니트 프로토타입은 각 줄에 7바늘(또는 7바늘)이 3줄로 구성되어 있습니다.상단 및 하단 링은 고정되어 있지 않으므로 해당 금속 막대에 부착할 수 있습니다.니트 프로토타입은 기존 원사에 비해 AMF의 강성이 더 높기 때문에 기존 니트 직물보다 더 쉽게 풀렸습니다.따라서 우리는 얇은 고무줄로 인접한 줄의 고리를 묶었습니다.
다양한 스마트 섬유 프로토타입이 다양한 AMF 구성으로 구현되고 있습니다.(A) 3개의 AMF로 만든 니트 시트.(B) 두 개의 AMF로 구성된 양방향 직조 시트.(다) AMF와 아크릴사로 만든 단방향 직조 시트는 무게(2.6g)의 192배인 500g의 하중을 견딜 수 있다.(D) 하나의 AMF와 면사를 방사형 구속조건으로 사용하여 방사형으로 확장되는 구조.자세한 사양은 방법 섹션에서 확인할 수 있습니다.
니트의 지그재그 루프는 다양한 방향으로 늘어날 수 있지만, 우리의 프로토타입 니트는 이동 방향의 제한으로 인해 주로 압력을 받는 루프 방향으로 팽창합니다.각 AMF의 신장은 편성 시트의 전체 면적의 확장에 기여합니다.특정 요구 사항에 따라 세 개의 서로 다른 유체 소스(그림 2A)에서 독립적으로 세 개의 AMF를 제어하거나 1-3 유체 분배기를 통해 하나의 유체 소스에서 동시에 제어할 수 있습니다.그림에.도 2A는 3개의 AMP(1.2MPa)에 압력을 가하면서 초기 면적이 35% 증가한 니트 프로토타입의 예를 보여준다.특히, AMF는 원래 길이의 최소 250%에 달하는 높은 신율을 달성하므로49 니트 시트는 현재 버전보다 훨씬 더 늘어날 수 있습니다.
또한 평직 기술을 사용하여 두 개의 AMF로 형성된 양방향 직조 시트를 만들었습니다(그림 2B).AMF 날실과 위사가 직각으로 얽혀 단순한 십자형 패턴을 형성합니다.우리의 프로토타입 직조는 날실과 위사 모두 동일한 원사 크기로 만들어졌기 때문에 균형잡힌 평직으로 분류되었습니다(자세한 내용은 방법 섹션 참조).날카로운 접힘을 형성할 수 있는 일반 실과 달리 적용된 AMF는 직조 패턴의 다른 실로 돌아갈 때 일정한 굽힘 반경이 필요합니다.따라서 AMP로 만든 직조 시트는 기존 직조 직물에 비해 밀도가 낮습니다.AMF 유형 S(외경 1.49mm)의 최소 굽힘 반경은 1.5mm입니다.예를 들어, 이 기사에 제시된 프로토타입 직물은 7×7 스레드 패턴을 가지며 각 교차점은 얇은 탄성 코드 매듭으로 안정화됩니다.동일한 직조 기술을 사용하면 더 많은 가닥을 얻을 수 있습니다.
해당 AMF가 유체 압력을 받으면 직조 시트가 날실 또는 위사 방향으로 면적을 확장합니다.따라서 우리는 두 개의 AMP에 적용되는 입구 압력의 양을 독립적으로 변경하여 편조 시트의 치수(길이와 너비)를 제어했습니다.그림에.그림 2B는 하나의 AMP(1.3 MPa)에 압력을 가하면서 원래 면적의 44%까지 팽창한 직조 프로토타입을 보여줍니다.두 개의 AMF에 대한 동시 압력 작용으로 면적이 108% 증가했습니다.
또한 날실과 아크릴 실을 씨실로 사용하여 단일 AMF로 단방향 직조 시트를 만들었습니다(그림 2C).AMF는 7개의 지그재그 행으로 배열되어 있으며 실은 이러한 AMF 행을 함께 엮어 직사각형 천 시트를 형성합니다.이 직조 프로토타입은 전체 시트를 쉽게 채울 수 있는 부드러운 아크릴 실 덕분에 그림 2B보다 밀도가 더 높았습니다.날실로 하나의 AMF만 사용하기 때문에 직조 시트는 압력을 가할 때 날실 방향으로만 팽창할 수 있습니다.그림 2C는 압력(1.3 MPa)이 증가함에 따라 초기 면적이 65% 증가하는 직조 프로토타입의 예를 보여줍니다.또한 이 땋은 부분(무게 2.6g)은 질량의 192배인 500g의 하중을 들어 올릴 수 있습니다.
AMF를 지그재그 패턴으로 배열하여 직사각형 직조 시트를 만드는 대신 AMF의 평평한 나선형 모양을 제작한 다음 면사로 방사형으로 구속하여 둥근 직조 시트를 만들었습니다(그림 2D).AMF의 높은 강성은 플레이트의 중앙 영역을 채우는 것을 제한합니다.그러나 이 패딩은 탄성 실이나 탄성 직물로 만들 수 있습니다.유압을 받으면 AMP는 세로 방향 신장을 시트의 반경 방향 확장으로 변환합니다.필라멘트의 반경방향 제한으로 인해 나선형 모양의 외부 및 내부 직경이 모두 증가한다는 점도 주목할 가치가 있습니다.그림 2D는 1 MPa의 유압이 가해지면 원형 시트의 모양이 원래 면적의 25%까지 확장되는 것을 보여줍니다.
우리는 여기서 AMF를 평평한 직물 조각에 접착하고 이를 수동적 구조에서 능동적으로 제어되는 구조로 재구성하는 스마트 직물을 만드는 두 번째 접근 방식을 제시합니다.벤딩 드라이브의 설계 다이어그램이 그림에 나와 있습니다.3A에서는 AMP가 가운데로 접혀 있고 양면 테이프를 접착제로 사용하여 신축성이 없는 천(면 모슬린 천) 조각에 접착되어 있습니다.일단 밀봉되면 AMF의 상단은 자유롭게 확장되는 반면 하단은 테이프와 천으로 제한되어 스트립이 천 쪽으로 구부러집니다.간단히 테이프를 붙이기만 하면 벤드 액츄에이터의 모든 부분을 비활성화할 수 있습니다.비활성화된 세그먼트는 이동할 수 없으며 수동 세그먼트가 됩니다.
AMF를 기존 원단에 붙여서 원단을 재구성합니다.(A) 접힌 AMF를 신장할 수 없는 직물에 접착하여 만든 벤딩 드라이브의 설계 개념.(B)액추에이터 프로토타입의 굽힘.(C)직사각형 천을 활성 4다리 로봇으로 재구성합니다.신축성이 없는 원단: 면 저지.신축성 있는 원단: 폴리에스터.자세한 사양은 방법 섹션에서 확인할 수 있습니다.
우리는 다양한 길이의 여러 프로토타입 벤딩 액추에이터를 만들고 유압 장치로 가압하여 벤딩 동작을 생성했습니다(그림 3B).중요한 것은 AMF를 직선으로 배치하거나 접어서 여러 개의 실을 형성한 다음 천에 접착하여 적절한 수의 실로 벤딩 드라이브를 만들 수 있다는 것입니다.우리는 또한 수동 티슈 시트를 활성 테트라포드 구조(그림 3C)로 변환했으며, 여기서 AMF를 사용하여 직사각형 비확장 조직(면 모슬린 직물)의 경계를 라우팅했습니다.AMP는 양면 테이프로 천에 부착됩니다.각 모서리의 중앙은 테이프 처리되어 패시브 상태가 되고 네 모서리는 액티브 상태로 유지됩니다.신축성 있는 직물 상단 커버(폴리에스테르)는 선택 사항입니다.누르면 천의 네 모서리가 구부러집니다(다리처럼 보임).
우리는 개발된 스마트 텍스타일의 특성을 정량적으로 연구하기 위해 테스트 벤치를 구축했습니다(방법 섹션 및 보충 그림 S1 참조).모든 샘플이 AMF로 만들어졌기 때문에 실험 결과(그림 4)의 일반적인 추세는 AMF의 주요 특성과 일치합니다. 즉, 입구 압력은 출구 신장에 정비례하고 압축력에 반비례합니다.그러나 이러한 스마트 직물은 특정 구성을 반영하는 고유한 특성을 가지고 있습니다.
스마트한 직물 구성이 특징입니다.(A, B) 직조 시트의 입구 압력과 출구 신장 및 힘에 대한 히스테리시스 곡선.(C) 직조 시트의 면적 확장.(D,E) 니트웨어의 입력 압력과 출력 신율 및 힘 사이의 관계.(F) 방사형으로 확장되는 구조물의 면적 확장.(G)세 가지 길이의 굽힘 드라이브의 굽힘 각도.
직조 시트의 각 AMF에 1MPa의 입구 압력을 가하여 약 30%의 연신율을 생성했습니다(그림 4A).우리는 여러 가지 이유로 전체 실험에 ​​대해 이 임계값을 선택했습니다. (1) 히스테리시스 곡선을 강조하기 위해 상당한 신장률(약 30%)을 생성하고, (2) 다양한 실험 및 재사용 가능한 프로토타입의 순환을 방지하여 우발적인 손상이나 고장을 초래합니다..높은 유체 압력 하에서.데드존이 명확하게 보이고, 브레이드는 입구 압력이 0.3MPa에 도달할 때까지 움직이지 않습니다.압력 신장 히스테리시스 플롯은 펌핑 단계와 방출 단계 사이에 큰 간격을 보여주며, 이는 직조 시트가 팽창에서 수축으로 동작을 변경할 때 상당한 에너지 손실이 있음을 나타냅니다.(그림 4A).1MPa의 입구 압력을 얻은 후 직조 시트는 5.6N의 수축력을 발휘할 수 있었습니다(그림 4B).압력-힘 히스테리시스 플롯은 또한 재설정 곡선이 압력 형성 곡선과 거의 겹치는 것을 보여줍니다.3D 표면 플롯(그림 4C)에 표시된 것처럼 직조 시트의 면적 확장은 두 AMF 각각에 적용되는 압력의 양에 따라 달라졌습니다.또한 실험에 따르면 직조 시트는 경사 및 위사 AMF에 동시에 1MPa의 수압을 가할 때 66%의 면적 확장이 가능합니다.
편직 시트에 대한 실험 결과는 인장-압력 다이어그램의 넓은 히스테리시스 간격과 중첩되는 압력-력 곡선을 포함하여 직조 시트와 유사한 패턴을 보여줍니다.니트 시트는 30%의 신율을 보였으며, 이후 압축력은 1MPa의 입구 압력에서 9N이었습니다(그림 4D, E).
원형 직조 시트의 경우, 1 MPa의 액체 압력에 노출된 후 초기 면적에 비해 초기 면적이 25% 증가했습니다(그림 4F).샘플이 팽창하기 시작하기 전에 최대 0.7MPa에 달하는 큰 입구 압력 불감대가 있습니다.이 큰 데드존은 샘플이 초기 응력을 극복하기 위해 더 높은 압력이 필요한 더 큰 AMF로 만들어졌기 때문에 예상되었습니다.그림에.4F는 또한 해제 곡선이 압력 증가 곡선과 거의 일치함을 보여 주며 이는 디스크 이동이 전환될 때 에너지 손실이 거의 없음을 나타냅니다.
3개의 벤딩 액츄에이터(조직 재구성)에 대한 실험 결과는 히스테리시스 곡선이 유사한 패턴(그림4G)을 가지며, 리프팅 전에 최대 0.2MPa의 입구 압력 데드 존을 경험한다는 것을 보여줍니다.세 개의 벤딩 드라이브(L20, L30 및 L50mm)에 동일한 양의 액체(0.035ml)를 적용했습니다.그러나 각 액추에이터는 서로 다른 압력 피크를 경험하고 서로 다른 굽힘 각도를 발생시켰습니다.L20 및 L30 mm 액추에이터는 0.72 및 0.67MPa의 입구 압력을 경험했으며 각각 167° 및 194°의 굽힘 각도에 도달했습니다.가장 긴 굽힘 드라이브(길이 50mm)는 0.61MPa의 압력을 견디고 최대 굽힘 각도 236°에 도달했습니다.압력각 히스테리시스 플롯은 또한 세 가지 굽힘 드라이브 모두에 ​​대한 가압 곡선과 방출 곡선 사이에 상대적으로 큰 간격이 있음을 나타냅니다.
위의 스마트 텍스타일 구성에 대한 입력량과 출력 특성(신율, 힘, 면적 확장, 굽힘 각도) 간의 관계는 보충 그림 S2에서 확인할 수 있습니다.
이전 섹션의 실험 결과는 AMF 샘플의 적용된 입구 압력과 출구 신장 사이의 비례 관계를 명확하게 보여줍니다.AMB가 더 강하게 변형될수록 더 큰 신율이 발생하고 더 많은 탄성 에너지가 축적됩니다.따라서 더 큰 압축력이 작용합니다.또한, 실험 결과는 입구 압력이 완전히 제거되었을 때 시편이 최대 압축력에 도달한 것으로 나타났습니다.이 섹션에서는 분석 모델링과 실험적 검증을 통해 니트 및 직조 시트의 신장률과 최대 수축력 간의 직접적인 관계를 확립하는 것을 목표로 합니다.
단일 AMF의 최대 수축력 Fout(입구 압력 P = 0에서)은 참조 49에 제공되었으며 다음과 같이 다시 도입되었습니다.
그 중 α, E, A0는 각각 실리콘 튜브의 신축 계수, 영률, 단면적입니다.k는 나선형 코일의 강성 계수입니다.x와 li는 오프셋과 초기 길이입니다.각각 AMP.
올바른 방정식.(1) 편직 시트와 직조 시트를 예로 들어 보겠습니다(그림 5A, B).편물 Fkv 및 직물 Fwh의 수축력은 각각 식(2) 및 식(3)으로 표현된다.
여기서 mk는 루프 수, Φp는 주입 중 편물의 루프 각도(그림 5A), mh는 실 수, θhp는 주입 중 편물의 맞물림 각도(그림 5B), εkv εwh는 편물 시트와 직조 시트의 변형이고, F0는 나선형 코일의 초기 장력입니다.방정식의 상세한 유도.(2)와 (3)은 지원 정보에서 확인할 수 있습니다.
신장력 관계에 대한 분석 모델을 만듭니다.(A, B) 편직 시트와 직조 시트에 대한 분석 모델 예시.(C,D) 니트 및 직조 시트에 대한 분석 모델 및 실험 데이터 비교.RMSE 루트 평균 제곱 오류입니다.
개발된 모델을 테스트하기 위해 그림 2A의 편직 패턴과 그림 2B의 편조 샘플을 사용하여 신장 실험을 수행했습니다.수축력은 0%에서 50%까지 잠긴 각 확장에 대해 5% 증분으로 측정되었습니다.5개 시험의 평균 및 표준 편차는 그림 5C(니트) 및 그림 5D(니트)에 표시되어 있습니다.해석 모델의 곡선은 방정식으로 설명됩니다.매개변수 (2)와 (3)은 표에 나와 있습니다.1. 결과는 분석 모델이 니트웨어의 경우 0.34N, 직조 AMF H(수평 방향)의 경우 0.21N, 0.17N의 평균 제곱근 오차(RMSE)로 전체 신장 범위에 걸쳐 실험 데이터와 잘 일치함을 보여줍니다. 직조 AMF용.V(수직 방향).
기본적인 움직임 외에도 제안된 스마트 직물은 S-벤드, 방사상 수축, 2D에서 3D로의 변형과 같은 보다 복잡한 움직임을 제공하도록 기계적으로 프로그래밍될 수 있습니다.여기서는 평평한 스마트 직물을 원하는 구조로 프로그래밍하는 몇 가지 방법을 제시합니다.
선형 방향으로 영역을 확장하는 것 외에도 단방향 직조 시트를 기계적으로 프로그래밍하여 다중 모드 움직임을 생성할 수 있습니다(그림 6A).우리는 편조 시트의 연장을 굽힘 동작으로 재구성하여 재봉사로 면(상단 또는 하단) 중 하나를 구속합니다.시트는 압력을 받으면 경계 표면 쪽으로 구부러지는 경향이 있습니다.그림에.도 6A는 절반이 윗면에서 빡빡하고 나머지 절반이 아랫면에서 빡빡할 때 S자 모양이 되는 직조 패널의 두 가지 예를 보여줍니다.또는 전체 면만 구속되는 원형 굽힘 동작을 생성할 수 있습니다.단방향 편조 시트는 두 끝을 관형 구조로 연결하여 압축 슬리브로 만들 수도 있습니다(그림 6B).슬리브는 통증을 완화하거나 혈액 순환을 개선하기 위한 마사지 요법의 한 형태인 압축을 제공하기 위해 사람의 검지 위에 착용됩니다.팔, 엉덩이, 다리 등 다른 신체 부위에 맞게 크기를 조정할 수 있습니다.
시트를 한 방향으로 짜는 능력.(A) 재봉사 모양의 프로그래밍 가능성으로 인해 변형 가능한 구조가 생성됩니다.(B) 손가락 압축 슬리브.(C) 편조 시트의 또 다른 버전과 팔뚝 압축 슬리브로 구현됩니다.(D) AMF 유형 M, 아크릴 원사 및 벨크로 스트랩으로 만든 또 다른 압축 슬리브 프로토타입.자세한 사양은 방법 섹션에서 확인할 수 있습니다.
그림 6C는 단일 AMF와 면사로 만들어진 단방향 직조 시트의 또 다른 예를 보여줍니다.시트는 면적(1.2MPa에서)이 45%까지 확장되거나 압력을 가해 원형 운동을 일으킬 수 있습니다.또한 시트 끝에 자석 스트랩을 부착하여 팔뚝 압축 슬리브를 만드는 시트를 통합했습니다.또 다른 프로토타입 팔뚝 압축 슬리브가 그림 6D에 표시되어 있으며, 더 강한 압축력을 생성하기 위해 Type M AMF(방법 참조)와 아크릴 원사로 단방향 편조 시트를 만들었습니다.쉽게 부착할 수 있고 다양한 손 크기에 맞게 시트 끝 부분에 벨크로 스트랩이 장착되어 있습니다.
선형 확장을 굽힘 동작으로 변환하는 구속 기술은 양방향 직조 시트에도 적용할 수 있습니다.날실과 위사로 짠 시트의 한쪽 면에 면사를 짜서 팽창하지 않도록 한다(그림 7A).따라서 두 개의 AMF가 서로 독립적으로 수압을 받으면 시트는 양방향 굽힘 동작을 거쳐 임의의 3차원 구조를 형성합니다.또 다른 접근 방식에서는 신장할 수 없는 원사를 사용하여 양방향 직조 시트의 한 방향을 제한합니다(그림 7B).따라서 시트는 해당 AMF가 압력을 받을 때 독립적인 굽힘 및 신장 운동을 할 수 있습니다.그림에.도 7b는 양방향 편조 시트를 제어하여 굽힘 동작으로 사람 손가락의 2/3를 감싸고, 신장 동작으로 길이를 늘려 나머지 부분을 덮도록 제어하는 ​​예를 보여준다.시트의 양방향 이동은 패션 디자인이나 스마트 의류 개발에 유용할 수 있습니다.
양방향 직조 시트, 편직 시트 및 방사형으로 확장 가능한 디자인 기능.(A) 양방향 굽힘을 생성하기 위한 양방향 접착 양방향 고리버들 패널.(B) 단방향으로 제한된 양방향 고리버들 패널은 굴곡과 신장을 생성합니다.(C) 다양한 표면 곡률에 부합하고 심지어 관형 구조를 형성할 수 있는 고탄성 니트 시트.(D) 쌍곡선 포물선 모양(감자칩)을 형성하는 방사상 확장 구조의 중심선 경계.
우리는 뜨개질 부분의 위쪽과 아래쪽 행의 인접한 두 루프를 재봉사로 연결하여 풀리지 않도록했습니다 (그림 7C).따라서 직조 시트는 완전히 유연하며 인간의 손과 팔의 피부 표면과 같은 다양한 표면 곡선에 잘 적응합니다.니트 부분의 끝부분을 진행 방향으로 연결하여 관형 구조(슬리브)도 만들었습니다.소매는 검지 손가락을 잘 감싸줍니다(그림 7C).직조된 원단의 굴곡이 뛰어난 핏과 변형성을 제공하여 스마트웨어(장갑, 압축슬리브)에 사용이 용이하며, 편안함(핏을 통해)과 치료효과(압축을 통해)를 제공합니다.
여러 방향으로의 2D 방사형 확장 외에도 원형 직조 시트를 프로그래밍하여 3D 구조를 형성할 수도 있습니다.우리는 균일한 방사형 확장을 방해하기 위해 아크릴 원사로 둥근 편조의 중심선을 제한했습니다.그 결과, 원형 직조 시트의 원래 평면 형상은 가압 후 쌍곡선 포물선 형상(또는 감자칩)으로 변형되었다(도 7D).이러한 형태 변화 능력은 리프트 메커니즘, 광학 렌즈, 이동식 로봇 다리로 구현될 수 있거나 패션 디자인 및 생체공학 로봇에 유용할 수 있습니다.
우리는 신축성이 없는 직물 스트립에 AMF를 접착하여 굴곡 드라이브를 생성하는 간단한 기술을 개발했습니다(그림 3).우리는 이 개념을 사용하여 하나의 AMF에 여러 활성 및 수동 섹션을 전략적으로 배포하여 원하는 모양을 만들 수 있는 모양 프로그래밍 가능 스레드를 만듭니다.우리는 압력이 증가함에 따라 모양이 직선에서 문자(UNSW)로 바뀔 수 있는 4개의 활성 필라멘트를 제작하고 프로그래밍했습니다(보충 그림 S4).이 간단한 방법을 통해 AMF의 변형 가능성을 통해 1D 선을 2D 모양으로 변환하고 심지어 3D 구조까지 변환할 수 있습니다.
유사한 접근법에서 우리는 단일 AMF를 사용하여 수동 정상 조직 조각을 활성 네발동물로 재구성했습니다(그림 8A).라우팅 및 프로그래밍 개념은 그림 3C에 표시된 것과 유사합니다.그러나 직사각형 시트 대신 4족 패턴의 직물(거북이, 면 모슬린)을 사용하기 시작했습니다.따라서 다리가 길어지고 구조도 더 높게 올라갈 수 있습니다.구조물의 높이는 다리가 지면과 수직이 될 때까지 압력을 받아 점차 증가합니다.입구 압력이 계속 상승하면 다리가 안쪽으로 처져 구조물의 높이가 낮아집니다.네발동물은 다리에 단방향 패턴이 장착되어 있거나 모션 조작 전략이 있는 다중 AMF를 사용하는 경우 이동을 수행할 수 있습니다.산불, 건물 붕괴, 위험한 환경에서의 구조, 의료용 약물 전달 로봇 등 다양한 작업에 소프트 이동 로봇이 필요합니다.
직물은 형태를 바꾸는 구조를 만들기 위해 재구성됩니다.(A) AMF를 패시브 패브릭 시트의 테두리에 접착하여 조종 가능한 4개의 다리 구조로 바꿉니다.(BD) 수동적 나비와 꽃을 활성 나비로 바꾸는 조직 재구성의 두 가지 다른 예.신축성이 없는 원단: 일반 면 모슬린.
우리는 또한 재구성을 위한 두 개의 추가 생체 영감 구조를 도입하여 이 조직 재구성 기술의 단순성과 다양성을 활용합니다(그림 8B-D).라우팅 가능한 AMF를 사용하면 이러한 형태 변형 구조가 수동 조직 시트에서 능동 및 조종 가능한 구조로 재구성됩니다.제왕나비에서 영감을 받아 나비 모양의 천 조각(면 모슬린)과 날개 아래에 붙인 긴 AMF 조각을 사용하여 변형 나비 구조를 만들었습니다.AMF에 압력이 가해지면 날개가 접힙니다.Monarch Butterfly와 마찬가지로 Butterfly Robot의 왼쪽 및 오른쪽 날개는 모두 AMF에 의해 제어되기 때문에 같은 방식으로 퍼덕입니다.나비 날개는 전시용으로만 사용됩니다.Smart Bird(Festo Corp., USA)처럼 날 수는 없습니다.또한 각각 5개의 꽃잎으로 구성된 2개의 레이어로 구성된 패브릭 꽃(그림 8D)을 만들었습니다.우리는 꽃잎의 바깥쪽 가장자리 뒤의 각 레이어 아래에 AMF를 배치했습니다.처음에는 꽃이 활짝 피고 꽃잎이 모두 활짝 펴집니다.압력이 가해지면 AMF는 꽃잎을 구부려 닫히게 만듭니다.2개의 AMF는 독립적으로 2개 층의 움직임을 제어하는 ​​반면, 한 층의 5개 꽃잎은 동시에 구부러집니다.