Intelligente Textilien mit Flüssigkeit | Guangzhou Pink Rose Group

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 11067 (2022) Diesen Artikel zitieren

5383 Zugriffe

8 Zitate

256 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die Verbindung von Textilien mit künstlichen Muskeln zur Schaffung intelligenter Textilien erregt große Aufmerksamkeit in Wissenschaft und Industrie. Intelligente Textilien bieten viele Vorteile, darunter adaptiven Komfort und hohe Anpassung an Objekte, während sie gleichzeitig eine aktive Betätigung für die gewünschte Bewegung und Kraft ermöglichen. In diesem Artikel wird eine neue Klasse programmierbarer intelligenter Textilien vorgestellt, die aus verschiedenen Methoden des Strickens, Webens und Klebens flüssigkeitsbetriebener künstlicher Muskelfasern hergestellt werden. Es werden mathematische Modelle entwickelt, um die Dehnungs-Kraft-Beziehung der Strick- und Webtextilien zu beschreiben, gefolgt von Experimenten zur Validierung der Modellwirksamkeit. Die neuen intelligenten Textilien sind hochflexibel, anpassungsfähig und mechanisch programmierbar und ermöglichen multimodale Bewegungen und Formänderungsfähigkeiten für den Einsatz in breiteren Anwendungen. Mit experimentellen Validierungen werden verschiedene Prototypen der intelligenten Textilien erstellt, die verschiedene Formänderungsvorgänge wie Dehnung (bis zu 65 %), Flächenausdehnung (108 %), radiale Ausdehnung (25 %) und Biegebewegung umfassen. Das Konzept der Rekonfiguration passiver konventioneller Stoffe in aktive Strukturen für bioinspirierte formverändernde Strukturen wird ebenfalls untersucht. Es wird erwartet, dass die vorgeschlagenen intelligenten Textilien zur Weiterentwicklung intelligenter tragbarer Geräte, haptischer Systeme, bioinspirierter weicher Robotik und tragbarer Elektronik beitragen.

Starre Roboter sind beim Arbeiten in strukturierten Umgebungen effektiv, stoßen jedoch auf Probleme beim Umgang mit unbekannten Kontexten sich verändernder Umgebungen, wodurch ihre Einsatzmöglichkeiten für die Suche oder Erkundung eingeschränkt werden. Die Natur überrascht uns immer wieder mit zahlreichen intelligenten Strategien zum Umgang mit externen Faktoren und Vielseitigkeiten. Beispielsweise führen die Ranken von Kletterpflanzen multimodale Bewegungen wie Biegung und Spiraldrehung aus, um die unbekannte Umgebung auf der Suche nach geeigneten Stützen zu erkunden1. Die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) ist mit empfindlichen Haaren auf ihren Blättern ausgestattet, die beim Auslösen zuschnappen, um Beute zu fangen2. Formverändernde oder formverändernde Körper von zweidimensionalen (2D) Oberflächen zu dreidimensionalen (3D) Formen, die biologische Strukturen nachahmen, sind in den letzten Jahren zu interessanten Forschungsthemen geworden3,4. Diese weichen Roboterkonfigurationen ändern ihre Form, um sich an vielseitige Umgebungen anzupassen, bieten multimodale Bewegungen und üben Kraft aus, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Ihre Reichweite wurde auf eine breite Palette von Roboteranwendungen ausgeweitet, darunter einsetzbare Strukturen5, rekonfigurierbare und selbstfaltende Roboter6,7, biomedizinische Geräte8, Fortbewegung9,10 und dehnbare Elektronik11.

Es wurden viele Studien durchgeführt, um ein programmierbares planares Blatt zu entwickeln, das sich bei Aktivierung in eine komplexe 3D-Struktur verwandelt3. Eine einfache Idee, formverändernde Strukturen zu erzeugen, besteht darin, Schichten verschiedener Materialien zu kombinieren, die Biege- und Faltenbewegungen erzeugen, wenn sie durch Reize ausgelöst werden12,13. Dieses Konzept wurde von Janbaz et al.14 und Lee et al.15 umgesetzt, um auf Wärme reagierende multimodale Gestaltwandlungsroboter herzustellen. Origami-basierte Strukturen mit auf Reize reagierenden Elementen wurden genutzt, um komplexe 3D-Strukturen zu erstellen16,17,18. Inspiriert von der Morphogenese biologischer Strukturen haben Emmanuel et al. schufen formverändernde Elastomere, indem sie Luftwege innerhalb einer Gummioberfläche anordneten, die sich bei Druckbeaufschlagung in komplexe, willkürliche 3D-Formen verwandeln19.

Die Integration von Textilien oder Stoffen in formverändernde Soft-Roboter ist ein weiteres aufkommendes konzeptionelles Design, das auf großes Interesse stößt. Textilien sind weiche und flexible Materialien, die aus Garnen durch Verflechtungstechniken wie Stricken, Weben, Flechten oder Knüpfen hergestellt werden. Textilien verfügen über erstaunliche Eigenschaften, darunter Flexibilität, Anpassungsfähigkeit, Dehnbarkeit und Atmungsaktivität, was sie in allen Lebensbereichen, von der Kleidung bis hin zu medizinischen Anwendungen, äußerst beliebt macht20. Es gibt drei allgemeine Ansätze zur Integration von Textilien in die Robotik21. Der allererste Ansatz besteht darin, Textilien als passive Substrate oder als Basis für die Unterbringung anderer Komponenten zu verwenden. In diesem Fall bieten passive Textilien den Benutzern einen angenehmen Tragekomfort, während sie starre Komponenten (Motoren, Sensoren, Energieversorger) tragen. Die meisten weichen tragbaren Roboter oder weichen Exoskelette gehören zu diesem Ansatz. Zum Beispiel weiche tragbare Exoskelette zur Gehunterstützung22 und Ellenbogengelenkunterstützung23,24,25, ein weicher tragbarer Handschuh zur Hand- und Fingerunterstützung26 und bioinspirierte weiche Roboter27.

Der zweite Ansatz besteht darin, Textilien als passive und eingeschränkte Komponenten weicher Robotergeräte zu verwenden. Textilbasierte Aktuatoren fallen in diese Kategorie, in der Textilien normalerweise als äußere Behälter konstruiert werden, um weiche Innenschläuche oder Blasen einzuschränken, die weiche, faserverstärkte Aktuatoren bilden. Bei Druckbeaufschlagung durch eine externe pneumatische oder hydraulische Quelle bewirken diese weichen Aktuatoren je nach ihrer ursprünglichen Zusammensetzung und Konfiguration eine Formänderung, entweder Dehnung, Biegung oder Verdrehung. Beispielsweise haben Thalman et al. führte einen Exoanzug mit Knöchel-Fuß-Orthese ein, der aus einer Reihe von Stoffbeuteln besteht, um die Plantarflexion zur Gangrehabilitation zu unterstützen28. Textilschichten mit unterschiedlicher Dehnbarkeit könnten kombiniert werden, um anisotrope Bewegungen zu erzeugen29. OmniSkins – weiche Roboterhäute aus verschiedenen weichen Aktuatoren und Substratmaterialien könnten die Umwandlung passiver Objekte in multifunktionale aktive Roboter ermöglichen, die multimodale Fortbewegung und Verformungen für verschiedene Anwendungen durchführen könnten30. Zhu et al. entwickelten Muskelschichten aus Fluidgewebe, die Dehn-, Biege- und verschiedene Formänderungsbewegungen erzeugten31. Buckner et al. integrierte Funktionsfasern in herkömmliche Stoffe, um Roboterstoffe zu schaffen, die mehrere Funktionen wie Betätigung, Erfassung und variable Steifigkeit hatten32. Weitere Ansätze dieser Kategorie finden sich in diesen Werken21,33,34,35.

Der neueste Ansatz, der hervorragende Textileigenschaften im Bereich der weichen Roboter nutzt, besteht darin, aktive Garne oder auf Reize reagierende Filamente zu verwenden, um intelligente Textilien zu konstruieren, indem traditionelle Textilherstellungsansätze wie Flecht-, Strick- und Webtechniken genutzt werden21,36,37. Abhängig von der Materialzusammensetzung bewirken die aktiven Garne bei Auslösung durch elektrische, thermische oder Druckeinflüsse eine Formänderung, die zu einer Textilverformung führt. Bei diesem Ansatz erfolgt die Formänderung von Textilien auf der inneren Ebene (Garne) und nicht auf der äußeren Ebene, wenn herkömmliche Textilien in weiche Robotersysteme integriert werden. Daher bieten intelligente Textilien eine hervorragende Steuerbarkeit in Bezug auf multimodale Bewegung, programmierbare Formänderung, Dehnbarkeit und Einstellbarkeit der Steifigkeit. Beispielsweise könnten Formgedächtnislegierungen (SMAs) und Formgedächtnispolymere (SMPs) in Stoffe eingearbeitet werden, um deren Formen durch thermische Anregung aktiv zu steuern, z. B. durch einen aufrollbaren Saum38, Faltenerholung36,39, taktiles und haptisches Feedback40,41 usw selbstanpassende Wearables42. Der Einsatz thermischer Erwärmung und Kühlung führte jedoch zu einer langsamen Reaktion sowie einer komplexen Kühlung und Steuerung. Kürzlich haben Hiramitsu et al. implementierten dünne McKibben-Muskeln43,44 (eine Art pneumatischer künstlicher Muskeln) als Ketten, um durch Veränderung gewebter Strukturen mehrere Formen aktiver Textilien zu schaffen45. Obwohl dieser Ansatz eine hohe Kraft bietet, war die Expansionsrate (< 50 %) begrenzt und konnte aufgrund der Beschaffenheit des McKibben-Muskels keine kleine Größe (< 0,9 mm Durchmesser) erreichen. Darüber hinaus stellte es Herausforderungen bei der Bildung intelligenter Textilmuster durch die Strickmethode fest, die einen scharfen Biegewinkel erfordert. Um eine größere Auswahl an intelligenten Textilien zu schaffen, haben Maziz et al. entwickelten elektroaktive Textilien für tragbare Geräte durch Stricken und Weben elektrisch reagierender Polymergarne46.

In den letzten Jahren ist eine neue Klasse thermisch reagierender künstlicher Muskeln entstanden, die aus stark verdrillten, kostengünstigen Polymerfasern bestehen47,48. Diese Fasern sind im Handel erhältlich und lassen sich leicht in maschinengestrickte oder gewebte Stoffe einarbeiten, um erschwingliche, elegante Kleidungsstücke herzustellen. Trotz der Fortschritte weisen diese neuen thermischen intelligenten Textilien nur begrenzte Reaktionszeiten auf, da Heizen und Kühlen erforderlich ist (z. B. thermisch kontrollierte Textilien) oder es schwierig ist, komplexe Strick- und Webmuster herzustellen, die so programmiert werden können, dass sie gewünschte Verformungen und Bewegungen wie Radialbewegungen erzeugen Erweiterung, Formtransformation von 2 auf 3D oder bidirektionale Erweiterung, wie wir hier vorschlagen.

Um diese oben genannten Herausforderungen zu bewältigen, stellt dieses Papier eine neue Klasse flüssigkeitsbetriebener intelligenter Textilien vor, die aus unseren kürzlich weichen künstlichen Muskelfasern (AMFs)49,50,51 bestehen. Die AMFs sind hochflexibel, skalierbar mit Größen, die auf einen Durchmesser von 0,8 mm verkleinert werden können, und haben eine große Länge (mindestens 5000 mm), was ein hohes Seitenverhältnis (Länge pro Durchmesser) sowie eine hohe Dehnung (mindestens) bietet 245 %), hohe Energieeffizienz und schnelle Reaktion (mindestens 20 Hz). Um intelligente Textilien herzustellen, verwenden wir AMFs als aktive Garne, um durch Strick- und Webtechniken 2D-aktive Muskelschichten zu bilden. Wir untersuchen quantitativ das Expansionsverhältnis und die Kontraktionskraft dieser intelligenten Textilien in Bezug auf das angewendete Eingangsflüssigkeitsvolumen und den zugeführten Druck. Es wurden analytische Modelle entwickelt, um die Dehnungs-Kraft-Beziehung von gestrickten und gewebten Laken zu ermitteln. Wir stellen außerdem verschiedene Techniken vor, um die intelligenten Textilien mechanisch zu programmieren, um eine multimodale Bewegung zu erreichen, einschließlich bidirektionaler Dehnung, Biegung, radialer Ausdehnung und Wachstumsfähigkeit von 2 auf 3D. Um die Leistungsfähigkeit unserer Ansätze zu demonstrieren, integrieren wir die AMFs auch in kommerzielle Stoffe oder Textilien, um sie von passiven zu aktiven Strukturen umzukonfigurieren, die unterschiedliche Verformungen hervorrufen können. Wir demonstrieren dieses Konzept auch anhand mehrerer experimenteller Prüfstände, einschließlich programmierbarer Biegefilamente, um gewünschte Buchstaben und bioinspirierte formverändernde Strukturen in Form von Objekten wie einem Schmetterling, vierbeinigen Strukturen und einer Blume mit komplexen Bewegungen zu erhalten.

Ein Textil ist eine flexible zweidimensionale Struktur, die durch das Ineinandergreifen eindimensionaler Filamente wie Garne, Fäden und Fasern entsteht. Textilien gehören zu den ältesten Technologien der Menschheit und werden aufgrund ihres Komforts, ihrer Anpassungsfähigkeit, Atmungsaktivität, ihres Aussehens und ihres Schutzes in allen Lebensbereichen weit verbreitet. Intelligente Textilien (auch als intelligente Kleidungsstücke oder Roboterstoffe bekannt) werden aufgrund ihres enormen Potenzials für Roboteranwendungen zunehmend in Forschungsstudien eingesetzt20,52. Von intelligenten Textilien wird erwartet, dass sie die menschlichen Erfahrungen bei der Interaktion mit weichen Körpern verbessern und einen Paradigmenwechsel in dem Bereich einleiten, in dem ein dünnes und flexibles Stück Stoff in Bewegung und Kraft gesteuert werden kann, um bestimmte Aufgaben auszuführen. In dieser Arbeit untersuchen wir zwei Methoden zur Herstellung intelligenter Textilien auf der Grundlage unserer jüngsten AMFs:49 (1) Verwendung der AMFs als aktive Garne zur Herstellung intelligenter Textilien durch traditionelle Textilherstellungstechniken; (2) direktes Einkleben der AMFs in herkömmliche Stoffe, um die gewünschte Bewegung und Verformung hervorzurufen.

Die AMFs bestehen aus einem inneren Silikonschlauch zur Aufnahme hydraulischer Energie und einer äußeren Spiralspule zur Begrenzung der radialen Ausdehnung. Daher erzeugen AMFs bei Druckbeaufschlagung eine Längsdehnung und üben anschließend beim Nachlassen des Drucks eine Kontraktionskraft aus, um auf die ursprüngliche Länge zurückzukehren. Sie besitzen ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche Fasern, einschließlich Flexibilität, kleinem Durchmesser und großer Länge. Allerdings übertreffen die AMFs ihre herkömmlichen Pendants dadurch, dass sie in Bezug auf Bewegung und Kraft aktiv und kontrollierbar sind. Motiviert durch die jüngsten rasanten Entwicklungen im Bereich der intelligenten Textilien stellen wir hier vier Hauptansätze zur Herstellung intelligenter Textilien vor, indem wir die AMFs in seit langem etablierte Stoffherstellungstechniken implementieren (Abb. 1).

Verschiedene Ansätze zur Herstellung intelligenter Textilien aus künstlichen Muskelfasern.

Der erste Ansatz ist das Stricken. Wir nutzen die Schussstricktechnik, um eine aktive Stricklage herzustellen, die sich bei hydraulischer Druckbeaufschlagung in eine Richtung ausdehnen kann. Stricklaken sind hochelastisch und dehnbar, neigen jedoch eher zum Auflösen als Weblaken. Ein AMF kann je nach Steuerungsansätzen eine einzelne Reihe oder eine ganze Strickbahn bilden. Neben der ebenen Folie sind auch Schlauchstrickmuster für AMF zur Herstellung hohler Strukturen anwendbar. Der zweite Ansatz ist das Weben, bei dem wir zwei AMFs als Kette und Schuss nutzen, um eine rechteckige Webbahn zu bilden, die unabhängig voneinander eine bidirektionale Ausdehnung ausüben kann. Webbögen bieten im Vergleich zu Strickbögen ein höheres Maß an Kontrolle (zwei Richtungen). Wir weben auch ein einzelnes AMF mit herkömmlichen Garnen, um eine einfachere Webbahn herzustellen, die sich nur in eine Richtung ausdehnen kann. Der dritte Ansatz ist die radiale Expansion – eine Variante der Webtechnik, bei der die AMF nicht rechteckig angeordnet, sondern spiralförmig ausgerichtet ist, wobei die Garne für eine radiale Beschränkung sorgen. In diesem Fall dehnt sich die Webbahn bei Aufnahme des Eingangsdrucks radial aus. Der vierte Ansatz besteht darin, die AMFs auf eine passive Stoffbahn zu kleben, um Biegebewegungen in die gewünschten Richtungen zu erzeugen. Wir rekonfigurieren ein passives Stoffblatt in ein aktives, indem wir ein AMF um seine Grenze herumführen. Diese programmierbare Eigenschaft des AMF eröffnet zahlreiche Möglichkeiten für bioinspirierte formverändernde weiche Strukturen, mit denen wir passive Objekte in aktive verwandeln können. Dieser Ansatz ist einfach, leicht und schnell, kann jedoch die Haltbarkeit der Prototypen beeinträchtigen. Leser können auf andere Ansätze aus der Literatur verweisen, die die Vor- und Nachteile der Leistung jedes Textiltyps detailliert beschreiben21,33,34,35.

Die meisten Filamente oder Garne, aus denen herkömmliche Textilien hergestellt werden, weisen eine passive Struktur auf. In dieser Arbeit nutzen wir die Vorteile unserer zuvor entwickelten AMFs, die meterlang und mit Durchmessern im Submillimeterbereich hergestellt werden können und die herkömmlichen Filamente der passiven Textilien durch die AFMs ersetzen, um intelligente und aktive Textilien für breitere Anwendungen zu bilden. In den folgenden Abschnitten werden detaillierte Herstellungsmethoden zur Herstellung intelligenter Textilprototypen beschrieben und deren grundlegende Eigenschaften und Verhaltensweisen vorgestellt.

Wir haben aus drei AMFs manuell ein Strickblatt mit der Schussstricktechnik hergestellt (Abb. 2A). Materialauswahlen und detaillierte Spezifikationen von AMFs und Prototypen finden Sie im Abschnitt „Methoden“. Jede AMF folgte einem mäandernden Pfad (auch Kurs genannt), der symmetrische Schleifen bildete. Die Schlaufen jeder Bahn wurden mit den Schlaufen der Bahnen direkt darüber und darunter gesichert. Schlingen derselben Säule, die senkrecht zum Verlauf verliefen, wurden zu einem Maschenstäbchen zusammengefasst. Unser Strickprototyp bestand aus drei Reihen mit sieben Maschen pro Reihe (oder sieben Maschenstäbchen). Die Schlaufen der Ober- und Unterschicht waren nicht so gesichert, dass wir sie mit entsprechenden Metallstangen verbinden konnten. Der Strickprototyp war aufgrund der höheren Steifigkeit von AMFs im Vergleich zu herkömmlichen Garnen anfälliger für das Auflösen als herkömmliche Strickware. Deshalb haben wir die Schlaufen benachbarter Lagen durch eine dünne elastische Schnur begrenzt.

Durch unterschiedliche AMF-Konfigurationen werden unterschiedliche Prototypen intelligenter Textilien erzielt. (A) Strickblatt aus drei AMFs. (B) Bidirektionales Webblatt aus zwei AMFs. (C) Eine unidirektionale Webbahn aus einem AMF und Acrylgarnen könnte eine Last von 500 g heben, was 192-mal schwerer ist als ihre Masse (2,6 g). (D) Radiale Expansionsstruktur aus einem einzelnen AMF und Baumwollgarnen als radiale Einschränkungen. Detaillierte Spezifikationen finden Sie im Abschnitt „Methoden“.

Obwohl die mäanderförmigen Maschen der Stricklage in verschiedene Richtungen gedehnt werden konnten, dehnte sich unser Strickprototyp bei Druckbeaufschlagung aufgrund der Einschränkung in der Maschenrichtung hauptsächlich in Maschenstäbchenrichtung aus. Die Dehnung jedes AMF trug zur Gesamtflächenausdehnung der Stricklage bei. Abhängig von den spezifischen Anforderungen könnten wir drei AMFs unabhängig von drei verschiedenen Flüssigkeitsquellen (Abb. 2A) oder gleichzeitig von einer einzigen Flüssigkeitsquelle über einen 1-zu-3-Flüssigkeitsverteiler steuern. Abbildung 2A zeigt ein Beispiel des Strickprototyps, der sich bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung (1,2 MPa) von drei AMFs um 35 % seiner ursprünglichen Fläche vergrößerte. Es wird darauf hingewiesen, dass die AMF eine hohe Dehnung von mindestens 250 % ihrer ursprünglichen Länge49 erreichte und daher das Ausdehnungsverhältnis der Stricklage höher als bei der aktuellen Version gestaltet werden kann.

Wir haben auch ein bidirektionales Webblatt aus zwei AMFs mithilfe der Leinwandbindungstechnik erstellt (Abb. 2B). Die Kett- und Schuss-AMFs wurden im rechten Winkel verflochten, um ein einfaches Kreuzmuster zu bilden. Unser Webprototyp wurde als ausgewogene Leinwandbindung klassifiziert, da sowohl Kette als auch Schuss aus Filamenten gleicher Größe bestanden (detaillierte Spezifikationen finden Sie im Abschnitt „Methoden“). Im Gegensatz zu herkömmlichen Garnen, die scharfe Falten erzeugen können, erfordern die verwendeten AMFs einen bestimmten Biegeradius beim Zurückdrehen für eine andere Linie des Webmusters. Dadurch ist die aus den AMFs hergestellte Webbahn im Vergleich zu herkömmlichen Webtextilien weniger dicht. Der minimale Biegeradius der AMFs Typ S (Außendurchmesser 1,49 mm) beträgt 1,5 mm. Zur Veranschaulichung hatte unser in diesem Artikel vorgestellter Webprototyp ein Muster aus 7 × 7 Linien, wobei jedes Kreuz durch einen Knoten aus einer dünnen elastischen Schnur stabilisiert wurde. Mit der gleichen Webtechnik lässt sich eine höhere Linienzahl erzielen.

Die Webbahn dehnte ihre Fläche in Kett- oder Schussrichtung aus, wenn die entsprechende AMF Flüssigkeitsdruck aufnahm. Daher haben wir die Abmessungen des Webblatts (Länge und Breite) gesteuert, indem wir die Amplitude des auf die beiden AMFs ausgeübten Eingangsdrucks unabhängig voneinander variiert haben. Abbildung 2B zeigt den Webprototyp, der sich um 44 % seiner ursprünglichen Fläche vergrößerte, wenn jeweils ein AMF unter Druck gesetzt wurde (1,3 MPa). Bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung der beiden AMFs wurde eine Flächenvergrößerung von 108 % erreicht.

Wir haben auch eine unidirektionale Webbahn hergestellt, die aus einem einzigen AMF als Kette und Acrylgarnen als Schuss besteht (Abb. 2C). Das AMF war in einem Zickzackmuster mit sieben Linien angeordnet, während die Garne diese AMF-Linien miteinander verschränkten, um eine rechteckige Textilschicht zu bilden. Dieser Webprototyp war dank der weichen Acrylgarne, die problemlos das gesamte Blatt ausfüllten, dichter als der in Abb. 2B. Da wir nur ein AMF als Kette verwendet haben, kann sich die Webbahn bei Druckbeaufschlagung nur in Kettrichtung ausdehnen. Abbildung 2C zeigt ein Beispiel des Webprototyps, der sich bei Druckbeaufschlagung (1,3 MPa) um 65 % seiner ursprünglichen Fläche ausdehnte. Darüber hinaus konnte dieses Webblatt (das 2,6 g wog) eine Last von 500 g heben, was 192-mal schwerer ist als seine Masse.

Anstatt ein AMF in einem Zickzack-Layout anzuordnen, um ein rechteckiges Webblatt zu erzeugen, haben wir eine planare Spiralform eines AMF hergestellt und es dann radial mit Baumwollgarnen eingespannt, um ein kreisförmiges Webblatt zu erzeugen (Abb. 2D). Die hohe Steifigkeit des AMF verhinderte, dass es den mittleren Bereich der kreisförmigen Platte ausfüllte. Diese Füllung kann jedoch mit elastischen Garnen oder dehnbaren Stoffen erfolgen. Bei der Aufnahme von hydraulischem Druck wandelte die AMF ihre Längsdehnung in die radiale Ausdehnung des Blechs um. Es ist auch erwähnenswert, dass sowohl der Außen- als auch der Innendurchmesser der Spiralform aufgrund der radialen Beschränkung der Garne erweitert werden. Abbildung 2D zeigt die Form der kreisförmigen Platte, die sich unter einem hydraulischen Druck von 1 MPa um 25 % ihrer ursprünglichen Fläche ausdehnte.

Wir stellen hier die zweite Methode zur Herstellung intelligenter Textilien vor, bei der wir ein AMF auf ein Stück ebenen Stoff kleben, um es von einer passiven in eine aktive, kontrollierbare Struktur umzukonfigurieren. Das Designkonzept eines Biegeaktuators ist in Abb. 3A dargestellt, wo ein AMF in der Mitte gefaltet und mit doppelseitigem Klebeband als Klebeelement auf einen Streifen aus nicht dehnbarem Stoff (Baumwoll-Musselin-Stoff) geklebt wird. Bei Druckbeaufschlagung dehnt sich der obere Teil des AMF frei aus, während der untere Teil durch das Band und den Stoff eingeschränkt wird, was zu einer Biegebewegung des Streifens zur Stoffseite hin führt. Wir können jedes Segment an jeder Stelle des Biegeaktuators deaktivieren, indem wir einfach ein Stück Klebeband darüber kleben. Die deaktivierten Segmente können keine Bewegung mehr ausüben und werden zu passiven Segmenten.

Stoffrekonfiguration durch Aufkleben von AMFs auf herkömmliche Stoffe. (A) Designkonzept von Biegeaktoren, die durch Aufkleben eines faltbaren AMF auf einen nicht dehnbaren Stoff hergestellt werden. (B) Prototyp eines Biegeaktuators. (C) Neukonfiguration eines rechteckigen Stoffs in einen aktiven vierbeinigen Roboter. Nicht dehnbarer Stoff: Baumwoll-Musselin in Leinwandbindung; dehnbarer Stoff: Polyester. Detaillierte Spezifikationen finden Sie im Abschnitt „Methoden“.

Wir haben mehrere Biegeaktuator-Prototypen mit unterschiedlichen Längen hergestellt und sie hydraulisch unter Druck gesetzt, um die Biegebewegung zu erzeugen (Abb. 3B). Es ist zu beachten, dass der AMF in einer geraden Linie angeordnet oder zu mehreren Linien gefaltet werden kann, bevor er auf den Stoff geklebt wird, um einen Biegeaktuator mit der entsprechenden Anzahl von Linien zu erzeugen. Wir haben auch eine passive Stoffbahn in eine aktive vierbeinige Struktur umgestaltet (Abb. 3C), wobei wir die Grenzen eines rechteckigen, nicht dehnbaren Stoffes (Baumwoll-Musselin-Stoff) mit einem AMF verlegt haben. Der AMF wurde mit Hilfe eines doppelseitigen Klebebandes auf den Stoff geklebt. Die mittleren Segmente jeder Kante wurden mit Klebeband versehen, um passiv zu werden, während vier Ecken aktiv blieben. Ein Oberbezug aus dehnbarem Stoff (Polyester) war optional. Die vier Ecken des Stoffes wurden unter Druck nach unten gebogen (sahen aus wie Beine).

Wir haben eine Testplattform aufgebaut, um die Eigenschaften der entwickelten intelligenten Textilien quantitativ zu untersuchen (siehe Abschnitt „Methoden“ und ergänzende Abbildung S1). Da alle Proben aus AMFs hergestellt wurden, stimmt der Gesamttrend der experimentellen Ergebnisse (Abb. 4) mit der grundlegenden Charakteristik des AMF überein, bei der der Eingangsdruck eine proportionale Beziehung zur Ausgangsdehnung und eine umgekehrt proportionale Beziehung zur Kontraktionskraft aufweist. Diese intelligenten Textilien haben jedoch ihre eigenen Besonderheiten, die ihre besondere Konfiguration widerspiegeln.

Eigenschaften intelligenter Textilkonfigurationen. (A,B) Hystereseprofile des Eingangsdrucks und der Ausgangsdehnung und -kraft des Webblatts. (C) Flächenausdehnung des Webblatts. (D,E) Zusammenhang zwischen Eingangsdruck und Ausgangsdehnung und -kraft der Stricklage. (F) Flächenausdehnung der radialen Expansionsstruktur. (G) Biegewinkel von drei verschiedenen Längen von Biegeaktoren.

Jede AMF des Webblatts erhielt einen Eingangsdruck von 1 MPa, um eine Dehnung von etwa 30 % zu erzeugen (Abb. 4A). Wir haben diesen Schwellenwert für das gesamte Experiment aus mehreren Gründen ausgewählt: (1) um eine erhebliche Dehnung (ca. 30 %) zu erzeugen, um ihr Hystereseprofil hervorzuheben, (2) um unerwartete Schäden oder Fehlfunktionen aufgrund zyklischer Bewegungen und wiederverwendbarer Prototypen für verschiedene Experimente zu verhindern unter hohem Flüssigkeitsdruck. Es war deutlich eine Totzone zu erkennen, in der die Webbahn statisch blieb, bis der Eingangsdruck 0,3 MPa erreichte. Das Druck-Dehnungs-Hysterese-Diagramm zeigte eine große Lücke zwischen der Druckbeaufschlagungs- und der Entspannungsphase, was auf einen erheblichen Energieverlust hinweist, wenn die Webbahn ihre Bewegung von Expansion zu Kontraktion ändert. (Abb. 4A). Das Webblatt konnte eine Kontraktionskraft von 5,6 N ausüben, nachdem es einem Eingangsdruck von 1 MPa ausgesetzt war (Abb. 4B). Das Druck-Kraft-Hysteresediagramm zeigte auch, dass die Freigabekurve die Druckkurve fast überlappte. Die Flächenausdehnung des Webblatts hängt von den Druckamplituden ab, die jedem der beiden AMFs zugeführt werden und im dreidimensionalen Oberflächendiagramm dargestellt sind (Abb. 4C). Experimente zeigten auch, dass die Webbahn eine Flächenausdehnung von 66 % erzeugen konnte, wenn ihre Kett- und Schuss-AMFs gleichzeitig einem hydraulischen Druck von 1 MPa ausgesetzt waren.

Die experimentellen Ergebnisse des Strickblatts weisen ein ähnliches Muster wie das Webblatt auf, einschließlich der großen Hystereselücke im Druck-Dehnungs-Diagramm und der überlappenden Kurven im Druck-Kraft-Verhältnis. Das Strickblatt erzeugte eine Dehnung von 30 % und übte anschließend eine Kontraktionskraft von 9 N aus, wenn es einem Eingangsdruck von 1 MPa ausgesetzt war (Abb. 4D, E).

Im Fall der kreisförmigen Webbahn kam es zu einer Ausdehnung der ursprünglichen Fläche auf 25 %, nachdem sie einem Flüssigkeitsdruck von 1 MPa ausgesetzt wurde (Abb. 4F). Es gab eine beträchtliche tote Zone des Eingangsdrucks bis 0,7 MPa, bevor sich die Probe auszudehnen begann. Diese große Totzone ist zu erwarten, da die Probe aus einem größeren AMF bestand, das einen höheren Druck erforderte, um seine Anfangsspannung zu überwinden. Abbildung 4F zeigte auch, dass die Freigabekurven die Druckkurven fast überlappten, was auf einen unbeträchtlichen Energieverlust beim Umschalten der kreisförmigen Blattbewegungen hinweist.

Experimentelle Ergebnisse für drei Biegeaktuatoren (Gewebe-Rekonfiguration) zeigten, dass ihre Hystereseprofile ähnliche Muster aufweisen (Abb. 4G), in denen sie eine tote Zone des Eingangsdrucks bis zu 0,2 MPa durchliefen, bevor sie anstiegen. Wir haben den drei Biegeaktoren (L20, L30 und L50 mm) das gleiche Flüssigkeitsvolumen (0,035 ml) zugeführt. Allerdings erfuhr jeder Aktuator unterschiedliche Druckspitzen und erzeugte unterschiedliche Biegewinkel. Die L20- und L30-mm-Aktuatoren erfuhren einen Eingangsdruck von 0,72 bzw. 0,67 MPa, um einen Biegewinkel von 167° bzw. 194° zu erreichen. Der längste Biegeaktuator (L 50 mm) erfuhr einen Druck von 0,61 MPa, um den größten Biegewinkel von 236° zu erreichen. Das Druckwinkel-Hysteresediagramm zeigte auch eine relativ große Lücke zwischen den Druckbeaufschlagungs- und Freigabekurven aller drei Biegeaktuatoren.

Die Beziehung zwischen Eingangsvolumen und Ausgangseigenschaften (Dehnung, Kraft, Flächenausdehnung, Biegewinkel) der oben genannten intelligenten Textilkonfigurationen ist in der ergänzenden Abbildung S2 zu finden.

Die experimentellen Ergebnisse im vorherigen Abschnitt zeigten deutlich den proportionalen Zusammenhang zwischen dem angelegten Eingangsdruck und der Ausgangsdehnung von Proben aus AMFs. Je mehr Druck der AMF erhält, desto mehr Dehnung erzeugt er und desto mehr elastische Energie sammelt er. Je mehr Kontraktionskraft es ausübt, desto größer ist die Kontraktionskraft. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Proben ihre maximale Kontraktionskraft erreichten, wenn der Eingangsdruck vollständig zurückgenommen wurde. Ziel dieses Abschnitts ist es, den direkten Zusammenhang zwischen Dehnung und maximaler Kontraktionskraft von Strick- und Webbögen sowohl durch analytische Modelle als auch durch experimentelle Validierung festzustellen.

Die maximale Kontraktionskraft Fout eines einzelnen AMF (bei Eingangsdruck P = 0) wurde in Referenz 49 angegeben, die wie folgt wieder eingeführt wird:

wobei α, E, A0 das Streckverhältnis, den Elastizitätsmodul bzw. die Querschnittsfläche des Silikonschlauchs darstellen; k ist der Steifigkeitskoeffizient der Spirale; x und li sind die Verschiebung bzw. die Anfangslänge des AMF.

Anpassen von Gl. (1) auf den Fall von Strick- und Webbögen (Abb. 5A,B). Die Kontraktionskraft einer Strickbahn Fkv und einer Webbahn Fwh wird durch die Gleichungen ausgedrückt. (2) bzw. (3).

wobei mk die Anzahl der Maschenstäbchen und φp der Schlingenwinkel in der Druckphase der Stricklage ist (Abb. 5A); mh ist die Anzahl der Linien und θhp ist der Verriegelungswinkel in der Druckphase der Webbahn (Abb. 5B); εkv und εwh sind die Dehnungen der Strickbahn bzw. der Webbahn; F0 ist die Anfangsspannung der Spirale. Detaillierte Ableitungen der Gleichungen. (2) und (3) finden Sie in den Hintergrundinformationen.

Analytische Modelle zur Ermittlung der Dehnungs-Kraft-Beziehung. (A,B) Analytische Modelldarstellung für Strick- bzw. Webbögen. (C,D) Vergleich zwischen analytischen Modellen und experimentellen Daten für Strick- bzw. Webbögen. RMSE-Root-Mean-Square-Fehler.

Um die entwickelten Modelle zu validieren, führten wir Dehnungskraftexperimente mit der Strickprobe in Abb. 2A und der Webprobe in Abb. 2B durch. Die Kontraktionskraft wurde bei jeder blockierten Dehnung von 0 bis 50 % in Schritten von 5 % erfasst. Mittelwerte und Standardabweichung von fünf Versuchen sind in Abb. 5C (für das Stricken) und Abb. 5D (für das Weben) dargestellt. Die analytische Modellkurve wurde durch die Gleichungen bestimmt. (2) und (3) mit den in Tabelle 1 gezeigten Parametern. Die Ergebnisse zeigen, dass die analytischen Modelle den experimentellen Daten für den gesamten Dehnungsbereich mit einem quadratischen Mittelfehler (RMSE) von 0,34 N beim Stricken und 0,21 N beim Weben genau folgten AMF H (horizontale Richtung) und 0,17 N für das Weben AMF V (vertikale Richtung).

Zusätzlich zu den Grundbewegungen können die vorgeschlagenen intelligenten Textilien mechanisch programmiert werden, um komplexere Bewegungen wie S-förmige Biegung, radiale Kompression und Formänderung von 2 in 3D bereitzustellen. Wir stellen hier verschiedene Techniken vor, um ein planares intelligentes Textil in gewünschte Strukturen zu programmieren.

Neben der Flächenausdehnung in gerader Richtung können unidirektionale Webblätter mechanisch so programmiert werden, dass sie eine multimodale Bewegung erzeugen (Abb. 6A). Wir haben die Dehnung des Webblatts in eine Biegebewegung umkonfiguriert, indem wir seine eine Seite (oben oder unten) mit Nähgarn eingeschränkt haben. Bei Druckbeaufschlagung neigt das Blech dazu, sich in Richtung der Begrenzungsfläche zu biegen. Abbildung 6A zeigt zwei Beispiele des Webblatts, bei dem es sich in eine S-Form verwandelte, wenn eine Hälfte an der Oberseite und die andere Hälfte an der Unterseite eingeschränkt wurde. Alternativ könnte bei der Einschränkung nur einer gesamten Fläche eine Schleifenbiegebewegung erzeugt werden. Das unidirektionale Webblatt kann auch als Kompressionshülse ausgeführt werden, indem seine beiden Enden zu einer röhrenförmigen Struktur vereint werden (Abb. 6B). Die Manschette könnte den menschlichen Zeigefinger umschließen und eine Kompressionskraft bereitstellen, bei der es sich um eine Massagetherapie zur Schmerzlinderung oder Verbesserung der Blutzirkulation handelt. Es kann an andere Körperteile wie Arme, Oberschenkel und Beine angepasst werden.

Möglichkeiten unidirektionaler Webbahnen. (A) Formprogrammierbarkeit durch Nähgarn zur Herstellung formverändernder Strukturen. (B) Kompressionshülse für einen Finger. (C) Eine weitere Ausführungsform des Webblatts und seine Umsetzung als Unterarm-Kompressionsmanschette. (D) Ein weiterer Prototyp einer Kompressionshülse, hergestellt aus einem AMF Typ M, Acrylgarnen und einem Klettverschluss. Detaillierte Spezifikationen finden Sie im Abschnitt „Methoden“.

Abbildung 6C zeigt eine weitere Ausführungsform der unidirektionalen Webblätter aus einem einzelnen AMF und Baumwollgarnen. Die Folie könnte eine Flächenausdehnung von 45 % (bei 1,2 MPa) erzeugen oder bei Druckbeaufschlagung eine Schleifenbewegung induzieren. Wir haben das Laken auch dazu verwendet, eine Kompressionsmanschette für den Unterarm zu schaffen, indem wir an den Enden des Lakens einen Magnetgurt befestigt haben. Ein weiterer Prototyp einer Kompressionshülse für den Unterarm ist in Abb. 6D dargestellt, wo die unidirektionale Webbahn aus einem AMF-Typ M (siehe Abschnitt „Methoden“) und Acrylgarnen hergestellt wurde, um eine stärkere Kompressionskraft zu erzeugen. Zur leichteren Befestigung und Anpassung an verschiedene Armgrößen haben wir die Enden des Lakens mit Klettbändern ausgestattet.

Die Zwangstechnik zur Umwandlung einer geraden Dehnung in eine Biegebewegung ist auch auf das bidirektionale Webblatt anwendbar. Wir haben Baumwollgarne in Kett- und Schussrichtung auf einer Seite der Webbahn verflochten, um deren Ausdehnung zu verhindern (Abb. 7A). Wenn also zwei AMFs unabhängig voneinander hydraulischen Druck erhielten, übte die Platte eine bidirektionale Biegebewegung aus und bildete beliebige 3D-Strukturen. Beim anderen Ansatz verwendeten wir nicht dehnbare Garne, um eine Richtung der bidirektionalen Webbahn einzuschränken (Abb. 7B). Dadurch könnte das Blech beim Unterdrucksetzen der entsprechenden AMFs eine unabhängige Biege- und Dehnbewegung erzeugen. Abbildung 7B zeigt einen Fall, in dem die bidirektionale Webbahn so gesteuert wurde, dass sie durch Biegebewegung zwei Drittel des menschlichen Fingers umhüllt und dann durch Dehnungsbewegung ihre Länge ausdehnt, um den Rest abzudecken. Die bidirektionale Bewegung des Blattes kann dem Modedesign oder der Entwicklung intelligenter Kleidungsstücke zugute kommen.

Fähigkeiten einer bidirektionalen Webbahn, Strickbahn und radialen Expansionsstruktur. (A) Bidirektionales Einschränken eines bidirektionalen Webblatts, um eine bidirektionale Biegung zu erzeugen. (B) Unidirektionales Einschränken eines bidirektionalen Webblatts, um Biegung und Dehnung zu erzeugen. (C) Äußerst anpassungsfähiges Strickblatt, das sich an verschiedene Oberflächenkrümmungen anpassen oder sogar eine röhrenförmige Struktur bilden kann. (D) Einschränken der Mittellinie einer radialen Expansionsstruktur, um eine hyperbolische Paraboloidform (einen Kartoffelchip) zu bilden.

Wir haben zwei benachbarte Maschen der oberen und unteren Maschenreihe des Strickblatts durch Nähgarn miteinander verbunden, um es vor dem Ausfransen zu schützen (Abb. 7C). Folglich ist die Stricklage völlig flexibel und passt sich verschiedenen Oberflächenkrümmungen, wie etwa den Hautoberflächen der menschlichen Hand und des Arms, hervorragend an. Außerdem haben wir eine röhrenförmige Struktur (Ärmel) geschaffen, indem wir zwei Enden der Strickplatte in Maschenreihenrichtung zusammengefügt haben. Der Ärmel umschloss den menschlichen Zeigefinger gut (Abb. 7C). Die mäanderförmigen Eigenschaften des Strickblatts bieten eine hervorragende Anpassungsfähigkeit und Verformbarkeit und erleichtern den Einsatz in eleganten Kleidungsstücken (Handschuhe, Kompressionsärmel), die den Trägern Komfort (durch Anpassungsfähigkeit) und therapeutische Wirkung (durch Kompressionskraft) bieten.

Neben der zweidimensionalen radialen Ausdehnung in mehrere Richtungen kann das kreisförmige Webblatt auch so programmiert werden, dass es eine 3D-Struktur bildet. Wir haben die Mittellinie der kreisförmigen Webbahn mit Acrylgarnen eingeschränkt, um ihre gleichmäßige radiale Ausdehnung zu stören. Infolgedessen verwandelte sich die ursprüngliche ebene Form des kreisförmigen Webblatts bei Druckbeaufschlagung in eine hyperbolische paraboloidartige Form (oder einen Kartoffelchip) (Abb. 7D). Diese Fähigkeit zur Formänderung kann als Hebemechanismus, optische Linse, Beine für Fortbewegungsroboter oder möglicherweise für Modedesign und bionachahmende Roboter eingesetzt werden.

Wir haben eine einfache Technik zur Herstellung eines Biegeaktuators entwickelt – indem wir einen AMF auf einen Streifen aus nicht dehnbarem Stoff kleben (Abb. 3). Wir haben dieses Konzept genutzt, um formprogrammierbare Filamente zu entwickeln, bei denen wir mehrere aktive und passive Segmente in einem einzigen AMF strategisch zuordnen können, um die gewünschte Form zu erzeugen. Wir haben vier aktive Filamente hergestellt und programmiert, die bei Druckbeaufschlagung ihre Form von geraden Linien in Buchstaben (UNSW) umwandeln können (ergänzende Abbildung S4). Diese einfache Technik ermöglicht die Formänderungsfähigkeit von AMFs, um 1D-Linien in 2D-Formen und möglicherweise 3D-Strukturen umzuwandeln.

In einem ähnlichen Ansatz verwendeten wir einen einzelnen AMF, um ein Stück passiven, herkömmlichen Stoffs in eine aktive vierbeinige Struktur umzugestalten (Abb. 8A). Das Routing- und Programmierkonzept ähnelte dem in Abb. 3C. Allerdings begannen wir mit einem Stoff in Form eines Vierbeinmusters (Schildkrötenform, Baumwoll-Musselin-Stoff), anstatt ein rechteckiges Tuch zu verwenden. Dadurch waren die Beine länger und konnten die Struktur höher anheben. Durch die Druckbeaufschlagung vergrößerte sich die Höhe der Struktur allmählich, bis ihre Beine senkrecht zum Boden standen. Wenn der Eingangsdruck weiter anstieg, würden sich die Beine nach innen biegen und die Höhe der Struktur verringern. Die vierbeinige Struktur kann Fortbewegung ausüben, wenn ihre Füße mit unidirektionalen Mustern ausgestattet sind oder mehrere AMFs mit Fortbewegungsbetriebsstrategien verwenden. Soft-Fortbewegungsroboter werden für verschiedene Aufgaben benötigt, darunter Rettungsmissionen vor Buschbränden, eingestürzten Gebäuden oder gefährlichen Umgebungen sowie Roboter zur Medikamentenverabreichung für medizinische Anwendungen.

Stoffrekonfiguration, um formverändernde Strukturen zu erzeugen. (A) Kleben eines AMF an die Grenzen des passiven Stoffblatts, um daraus eine kontrollierbare vierbeinige Struktur zu machen. (B–D) Weitere zwei Beispiele für Stoffrekonfigurationen, die den passiven Stoff Schmetterling und die Blume in aktive verwandeln. Nicht dehnbarer Stoff: Baumwoll-Musselin in Leinwandbindung.

Wir nutzen auch die Einfachheit und Vielseitigkeit dieser Geweberekonfigurationstechnik, indem wir zwei weitere bioinspirierte formverändernde Strukturen einführen (Abb. 8B–D). Diese formverändernden Strukturen wurden mit Hilfe von Routing-AMFs von passiven Stoffbahnen in aktive und steuerbare umkonfiguriert. Inspiriert vom Monarchfalter haben wir aus einem Stück schmetterlingsförmigem Stoff (Baumwoll-Musselin-Stoff) und einem langen AMF, der unter seine Flügel geklebt wurde, eine schmetterlingsverwandelnde Struktur hergestellt. Die Flügel biegen sich nach oben, wenn der AMF unter Druck gesetzt wird. Wie beim Monarchfalter schlugen sowohl der linke als auch der rechte Flügel des Schmetterlingsroboters auf die gleiche Weise, da sie von einem einzigen AMF gesteuert wurden. Der Schmetterling flatterte nur zur Demonstration. Es konnte nicht wie der Smart Bird (Festo Corp., USA) fliegen. Wir haben auch eine Stoffblume hergestellt (Abb. 8D), die aus zwei Lagen Blütenblättern bestand, jeweils fünf Blütenblättern. Wir haben unter jede Schicht ein einzelnes AMF geklebt und dabei den äußeren Grenzen der Blütenblätter gefolgt. Zu Beginn befand sich die Blüte in voller Blüte, wobei alle Blütenblätter vollständig geöffnet waren. Bei Druckbeaufschlagung bewirkte die AMF eine Biegebewegung der Blütenblätter, wodurch sie sich schlossen. Zwei AMFs steuerten unabhängig voneinander die Bewegung von zwei Schichten, während fünf Blütenblätter in derselben Schicht gleichzeitig gebogen wurden.

Dank der schnellen Reaktionscharakteristik von AMFs könnten diese formverändernden Strukturen mit einer vergleichbaren Geschwindigkeit (2 Hz für die vierbeinige Struktur und 1 Hz für den Schmetterling und die Blume) und hoher Haltbarkeit oder Wiederholbarkeit (über 1000 Zyklen) arbeiten.

Der textilbasierte Roboterbereich durchläuft einen Paradigmenwechsel von der Verwendung von Textilien als passive Substrate hin zu programmierbaren intelligenten Textilien, deren Zusammensetzung aus auf Reize reagierenden Garnen besteht. Unsere kürzlich entwickelten weichen Aktuatoren (Soft Actuators, AMFs), die in ihrer Flexibilität und ihrem hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis konventionellen passiven Garnen ähneln, können sich unter hydraulischem Druck hin und her dehnen und sind hervorragende Kandidaten für die Herstellung intelligenter und aktiver Textilien. Wir haben zwei Ansätze zur Herstellung AMF-basierter intelligenter Textilien vorgestellt: (1) Stricken und Weben von AMFs; und (2) Anbringen von AMFs an herkömmlichen passiven Stoffen.

Im ersten Ansatz haben wir traditionelle Strick- und Webtechniken angepasst, um eine AMF-basierte Strickplatte, eine bidirektionale Webplatte, eine unidirektionale Webplatte und eine kreisförmige Webplatte zu konstruieren. In ihren aktuellen experimentellen Konfigurationen könnten diese intelligenten Textilien eine Flächenvergrößerung von 35 %, 108 %, 65 % bzw. 25 % erzeugen. Unsere Ergebnisse sind mit denen in der Literatur vergleichbar, beispielsweise erreichten die gestrickten Textilien aus elektroaktiven Polymeren eine Dehnung von weniger als 5 %46, die aktiven Textilien aus McKibben-Muskeln übten ein maximales Kontraktionsverhältnis von 7,1 % aus45, die gestrickte SMA-Handgelenkmanschette erreichte 36 % Kontraktion42. Im Allgemeinen hat der AMF (der flüssigkeitsbetrieben ist) eine schnellere Reaktionszeit im Vergleich zu thermisch reagierenden Filamenten. Darüber hinaus kann die Dehnungsrate dieser intelligenten Textilien einen höheren Wert von mindestens 250 % erreichen, was der Dehnungsgrenze des AMF entspricht, wie in unserer jüngsten Arbeit gezeigt49.

In den Druck-Dehnungs-Hystereseprofilen trat eine Hystereselücke auf, die ein inhärentes Merkmal der AMFs ist. Es spiegelt den Energieverlust beim Übergang von der Druckaufbauphase zur Entlastungsphase wider. Experimentelle Daten zeigten, dass die Hystereselücken von Strick- und Webkonfigurationen deutlich größer waren als die eines einzelnen AMF49. Dies bedeutet, dass die Hysterese von AMFs ein kumulatives Attribut ist. Die in Hysteresediagrammen gefundenen Totzonen stellen die Anfangsspannung jeder einzelnen Konfiguration dar. Um diese Schwellenwerte zu überwinden und den Konfigurationsstatus von statisch in expandierend zu ändern, ist Eingangsenergie (Druck) erforderlich. Die Anfangsspannung von AMFs ist ebenfalls ein kumulatives Attribut und korreliert stark mit den elastischen Eigenschaften der konstituierenden Spiralspule und des Silikonschlauchs. Beim Umschalten des AMF-Betriebsmodus von Druckbeaufschlagung auf Entlastung kam es zu Energieverlusten in Form von Wärme. Da die meisten unserer Prototypen jedoch sehr wenig Energie verbrauchten, war der Energieverlust in Form von Hitze nicht wahrnehmbar. Wir haben die Funktionsweise unserer Prototypen unter einer Wärmebildkamera beobachtet und kaum Temperaturveränderungen festgestellt. Der Energieverbrauch unserer intelligenten Textilien war ebenfalls skalierbar, sodass Miniaturstrukturen noch weniger Energie verbrauchen, ebenso wie die entweichende Wärme. Wir haben analytische Modelle mathematisch entwickelt und experimentell validiert, um die Dehnungs-Kraft-Beziehung der Strick- und Webkonfigurationen zu ermitteln. Aufgrund der Komplexität bei der Einbeziehung der Spezifikationen und Eigenschaften des Basismaterials sowie des Kontaktstatus zwischen AMF und Basis konnten wir kein analytisches Modell für Biegeaktuatoren bereitstellen.

Wir haben außerdem mehrere programmierbare Techniken eingeführt, um multimodale Bewegungen intelligenter Textilien zu erzeugen. Mit geeigneten Einschränkungen könnte die gewöhnliche Flächenausdehnung intelligenter Textilien in eine S-Form, ein hyperbolisches Paraboloid, eine Hohlstruktur, eine Kompressionshülse, eine bidirektionale Biegung sowie eine unabhängige Biegung und Verlängerung umgewandelt werden. Unsere intelligenten Textilkonfigurationen bieten Vielseitigkeit, Programmierbarkeit und Formänderungsfähigkeiten, was günstige Eigenschaften im Bereich der Soft-Robotik für die Entwicklung intelligenter Kleidungsstücke, tragbarer Geräte und bioinspirierter formverändernder Strukturen sind.

Im zweiten Ansatz haben wir die AMFs in herkömmliche passive Stoffe eingebettet, um bei Druckbeaufschlagung die gewünschten Biegebewegungen und Verformungen zu erzeugen. Diese einfache, schnelle und einfache Methode ermöglichte formprogrammierbare Filamente, deren Segmente mechanisch so programmiert werden konnten, dass sie aktiv oder passiv werden, um die gewünschten Verformungen zu erzeugen. Wir haben dieses Konzept auch angewendet, um passive ebene Stoffbahnen in aktive und kontrollierbare 3D-Strukturen umzukonfigurieren. Anschließend demonstrierten wir dies anhand mehrerer bioinspirierter formverändernder Strukturen, beispielsweise vierbeiniger Strukturen, eines Schmetterlings und einer Blume. Die Möglichkeit, passive 2D-Blätter mithilfe von AMFs in aktive 3D-Strukturen mit gewünschten Bewegungen umzuwandeln, eröffnet eine neue Möglichkeit, Objekte für den Einsatz in verschiedenen Bereichen zu manipulieren. Zum Beispiel kompakte und einsetzbare Geräte für Weltraummissionen, Bauwesen und Industrie. Es kann auch verwendet werden, um bioinspirierte weiche Roboter zu schaffen, die biomimetische Bewegungen für Dekorationen und Modedesign sowie tragbare Hilfsmittel für haptische Darstellung, Rehabilitation und menschliche Augmentation bereitstellen.

Wir haben ein breites Spektrum an Formänderungsfähigkeiten AMF-basierter intelligenter Textilkonfigurationen untersucht und uns dabei eher auf ihre Bewegungen (oder Verformungen) als auf ihre erzeugte Kraft konzentriert. Obwohl wir unterschiedliche Ansätze zur Entwicklung verschiedener intelligenter Textilien für unterschiedliche Anwendungen eingeführt haben, handelt es sich bei diesen Arbeiten um Proof-of-Concepts, von denen wir glauben, dass sie für viele Anwendungen, von intelligenter Kompressionsbekleidung bis hin zu Formbekleidung, eine alternative Technologie zu den weichen, robotikgesteuerten intelligenten Textilien bieten werden -Verschieberoboter für Such- und Rettungszwecke oder Ausstellungen. Trotz der Fortschritte besteht in mehreren Bereichen Verbesserungsbedarf. Daher schlagen wir vor, dass sich zukünftige Arbeiten auf die umfassende Untersuchung einer bestimmten intelligenten Textilkonfiguration im Hinblick auf Bewegung, Kraft und spezifische Anwendungen konzentrieren sollten. Für Steuerungszwecke sind analytische Modelle für Biegeaktoren erwünscht. Ein weiterer Bereich, der die Leistung des intelligenten Textils verbessern könnte, ist die Verwendung nichtlinearer Hysteresemodellierung und adaptiver Steuerung, bei der Echtzeit-Ausgangsrückmeldungen von einem weichen Sensor für die Regelung im geschlossenen Regelkreis verwendet werden53,54. Da AMFs meterlang hergestellt werden können, können sie möglicherweise als Filamente in kleinen Strick-, Web- und Stickmaschinen verwendet werden, um intelligente Textilien mit den gewünschten Spezifikationen und hoher Zuverlässigkeit herzustellen. Eine Studie zum Nachweis der Machbarkeit maschinell hergestellter intelligenter Textilien und waschbarer intelligenter Textilien ist für die Beschleunigung der intelligenten Bekleidungsindustrie von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise kann unser künstlicher Muskel mit fortschrittlichen und automatisierten Näh- oder Stickmaschinen wie denen von Tajima Industries Ltd, Japan, verwendet werden, um großformatige intelligente Textilien herzustellen. Es ist wünschenswert, eine tragbare hydraulische Energiequelle zu entwickeln, um intelligente Textilien für weitere Anwendungen anzutreiben. Während der Experimente stellten wir auch fest, dass es zu einer Rotationsbewegung einzelner AMFs kam, was auf die Natur der helikalen Spule als äußere Begrenzungsschicht zurückzuführen ist. Allerdings hatte diese Rotation einen leichten Einfluss auf die Dehnung des Smart Textile. In einigen Konfigurationen, in denen die AMFs in entgegengesetzten Richtungen angeordnet waren, ist der Rotationseffekt unwahrscheinlich. Für einige Anwendungen, bei denen eine rein lineare Ausdehnung sehr erwünscht ist, sind mathematische Modelle, die diesen Effekt berücksichtigen, sehr erwünscht. Wir haben durch Demonstrationen beobachtet, dass der Druckverlust unbedeutend war und die Energieumwandlung selbst bei meterlangen AMFs effektiv war. Wir empfehlen jedoch eine umfassende Studie zum Zusammenhang zwischen Druckverlust und AMF-Spezifikationen, um präzise Steuerungsstrategien zu fördern. Schließlich ist weitere Forschung erforderlich, um das enorme Potenzial der Integration funktionaler Komponenten in intelligente Textilien zu erkunden, um neben der grundlegenden Betätigung zusätzliche Vorteile (Sensorik, variable Steifigkeit) zu bieten.

Abschließend stellt dieser Artikel eine neue Klasse intelligenter Textilien vor, die aus verschiedenen Konfigurationen flüssigkeitsbetriebener künstlicher Muskeln bestehen. Die vorgeschlagenen intelligenten Textilien bieten ein hohes Maß an Vielseitigkeit und Programmierbarkeit und ermöglichen neue Möglichkeiten im Bereich der weichen Roboter, einschließlich formverändernder Strukturen, biomimierender weicher Roboter, Fortbewegungsroboter und intelligenter Kleidungsstücke. Wir gehen davon aus, dass dieses Konzept entsprechende Verbesserungen und Entwicklungen anregen wird, was dem gesamten Roboterbereich zugute kommen wird.

Wir haben zwei Arten von AMFs verwendet, um intelligente Textilien zu konfigurieren. AMFs vom Typ S wurden aus einem Silikonkautschukrohr mit einem Außendurchmesser von 1,19 mm und einem Innendurchmesser von 0,64 mm (Saint-Gobain, Frankreich) und einer Edelstahlspule mit einem Außendurchmesser von 1,49 mm und einem Drahtdurchmesser von 0,17 mm (Asahi Intecc, Japan) hergestellt. AMFs vom Typ M wurden aus einem Latex-Gummischlauch mit einem Außendurchmesser von 3,18 mm und einem Innendurchmesser von 1,59 mm (McMaster-Carr, USA) und einer Edelstahlspule mit einem Außendurchmesser von 3,18 mm und einem Drahtdurchmesser von 0,33 mm (McMaster-Carr, USA) hergestellt.

Die Strickplatte (Abb. 2A) hat eine Abmessung von 54 × 52 mm und wurde aus drei L300 mm AMFs vom Typ S im Schussstrickverfahren mit drei Maschenreihen und sieben Maschenstäbchen hergestellt. Das bidirektionale Webblatt (Abb. 2B) hat eine Abmessung von 52 × 52 mm und besteht aus zwei L400 mm AMFs vom Typ S unter Verwendung der Leinwandbindungstechnik mit einem Muster von 7 × 7 Linien. Das unidirektionale Webblatt (Abb. 2C) hat eine Abmessung von 57 × 27 mm und besteht aus einem L400 mm AMF Typ S als Kette mit sieben Linien und Acrylgarnen als Schuss. Die kreisförmige Webstruktur (Abb. 2D) hat einen Außendurchmesser von 58 mm und einen Innendurchmesser von 18 mm und besteht aus einem L500 mm AMF Typ M. Die drei Biegeaktuatoren (Abb. 3B) haben aktive Abschnittslängen von 20, 30 und 50 mm aus drei AMFs Typ S mit den entsprechenden Längen 60, 80 und 120 mm. Die vierbeinige Struktur (Abb. 3C) hat eine Abmessung von 60 × 50 mm und besteht aus einem AMF Typ S mit einer Länge von 200 mm, der die Grenze eines rechteckigen Stoffstücks (Baumwoll-Musselin-Stoff) fräst. Das unidirektionale Webblatt (Abb. 6C) hat eine Abmessung von 130 × 80 mm und besteht aus einem L1200 mm AMF Typ S als Kette mit neun Linien und Baumwollgarnen als Schuss. Das unidirektionale Webblatt (Abb. 6D) hat eine Abmessung von 140 × 72 mm und besteht aus einem L920 mm AMF Typ S als Kette mit sechs Fäden und Acrylgarnen als Schuss.

Die Testplattform bestand aus einem motorisierten Linearschieber (Zaber, Kanada), der eine medizinische Spritze (BD Biosciences, Kanada) antreibt, um einer Probe Eingabevolumen (destilliertes Wasser) und Druck zuzuführen (ergänzende Abbildung S1). Direkt hinter dem Spritzenauslass befand sich ein Drucksensor (Honeywell, USA), um den Eingangsdruck zu messen. Bei Strick- und Webproben wurden deren distale Enden mit einem linearen Schieber und einem Encoder (US Digital, USA) verbunden, um die Ausgangsverschiebung zu messen. Um ein Durchhängen bei der Erfassung der Verschiebungsdaten zu verhindern, wurde eine dünne elastische Schnur verwendet. Bei der Messung der Kontraktionskraft wurde der Encodersatz durch eine Kraftmessdose (Futek, USA) ersetzt. Bei radialen Expansions- und Biegeaktoren befand sich oben auf der Plattform eine Digitalkamera, um die Verformung der Proben zu erfassen.

Wir haben den Spritzenauslass über einen 1-zu-3-Flüssigkeitsverteiler mit allen drei AMFs der Strickplatte verbunden. Bei den Dehnungstests trieben wir den Spritzenkolben an, um der Probe hydraulischen Druck über ein 0,1-Hz-Sinussignal mit einer Amplitude zuzuführen, die einen maximalen Druck von 1 MPa erzeugte. Bei den Krafttests versorgten wir die Probe mit hydraulischem Druck, bis ein Wert von 1 MPa erreicht wurde, und schlossen dann das distale Ende der Probe an die Kraftmessdose an. Anschließend zogen wir den Spritzenkolben durch ein 0,1-Hz-Sinussignal mit einer Amplitude zurück, die den minimalen Hydraulikdruck bei 0,1 MPa hielt. Wir haben dieses Testverfahren auch für jede AMF des Webblatts angewendet.

Für Experimente zur radialen Expansion erhöhten wir den Eingangsdruck auf die Probe schrittweise, bis ein maximaler Druck von 1 MPa erreicht wurde, und reduzierten dann den Druck bei gleicher Geschwindigkeit auf die Anfangsstufe. Die Verformung der Probe während des Prüfvorgangs wurde von der Kamera aufgezeichnet und anschließend verarbeitet, um die Flächenänderungen zu ermitteln. Wir haben ein ähnliches Verfahren angewendet, um die Winkeländerungen der Biegeaktoren zu messen.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Gerbode Sharon, J., Puzey Joshua, R., McCormick Andrew, G. & Mahadevan, L. Wie sich die Gurkenranke windet und windet. Wissenschaft 337, 1087–1091. https://doi.org/10.1126/science.1223304 (2012).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Forterre, Y., Skotheim, JM, Dumais, J. & Mahadevan, L. Wie die Venusfliegenfalle zuschnappt. Natur 433, 421–425. https://doi.org/10.1038/nature03185 (2005).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

van Manen, T., Janbaz, S. & Zadpoor, AA Programmierung der Formänderung flacher weicher Materie. Mater. Heute 21, 144–163. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2017.08.026 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Zhou, J. & Sheiko, SS Reversible Formänderung in Polymermaterialien. J. Polym. Wissenschaft. Pol. Physik. 54, 1365–1380. https://doi.org/10.1002/polb.24014 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wang, W., Rodrigue, H. & Ahn, S.-H. Entfaltbare weiche Verbundstrukturen. Wissenschaft. Rep. 6, 20869. https://doi.org/10.1038/srep20869 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ryu, J. et al. Papierrobotik: Selbstfaltung, Greifen und Fortbewegung. Adv. Mater. Technol. 5, 1901054. https://doi.org/10.1002/admt.201901054 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Mao, G. et al. Weiche elektromagnetische Aktuatoren. Wissenschaft. Adv. 6, eabc0251. https://doi.org/10.1126/sciadv.abc0251 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cianchetti, M., Laschi, C., Menciassi, A. & Dario, P. Biomedizinische Anwendungen der Soft-Robotik. Nat. Rev. Mater. 3, 143–153. https://doi.org/10.1038/s41578-018-0022-y (2018).

Artikel ADS Google Scholar

Calisti, M., Picardi, G. & Laschi, C. Grundlagen der Fortbewegung weicher Roboter. JR Soc. Schnittstelle 14, 20170101. https://doi.org/10.1098/rsif.2017.0101 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Rogóż, M., Zeng, H., Xuan, C., Wiersma, DS & Wasylczyk, P. Lichtbetriebener weicher Roboter ahmt die Fortbewegung einer Raupe im natürlichen Maßstab nach. Adv. Opt. Mater. 4, 1689–1694. https://doi.org/10.1002/adom.201600503 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Lu, N. & Kim, D.-H. Flexible und dehnbare Elektronik ebnet den Weg für die Soft-Robotik. Weicher Roboter. 1, 53–62. https://doi.org/10.1089/soro.2013.0005 (2013).

Artikel Google Scholar

Chen, Z., Huang, G., Trase, I., Han, X. & Mei, Y. Mechanische Selbstorganisation einer dehnungstechnisch hergestellten flexiblen Schicht: Falten, Rollen und Verdrehen. Physik. Rev. Appl. 5, 017001. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.5.017001 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Liu, Y., Genzer, J. & Dickey, MD „2D or not 2D“: Formprogrammierende Polymerfolien. Prog. Polym. Wissenschaft. 52, 79–106. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2015.09.001 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Janbaz, S., Hedayati, R. & Zadpoor, AA Programmierung der Formänderung flacher weicher Materie: Von selbstrollenden/selbstdrehenden Materialien bis hin zu selbstfaltendem Origami. Mater. Horiz. 3, 536–547. https://doi.org/10.1039/C6MH00195E (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, H. et al. Transparenter, weicher Roboter mit gerichteter Formveränderung. Weicher Roboter. 6, 760–767. https://doi.org/10.1089/soro.2018.0164 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Tolley, MT et al. Selbstfaltendes Origami: Formgedächtnisverbundstoffe, die durch gleichmäßige Erwärmung aktiviert werden. Kluge Mater. Struktur. 23, 094006. https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/9/094006 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mao, Y. et al. Sequentielle selbstfaltende Strukturen durch 3D-gedruckte digitale Formgedächtnispolymere. Wissenschaft. Rep. 5, 13616. https://doi.org/10.1038/srep13616 (2015).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hawkes, E. et al. Programmierbare Materie durch Falten. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 107, 12441–12445. https://doi.org/10.1073/pnas.0914069107 (2010).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Siéfert, E., Reyssat, E., Bico, J. & Roman, B. Bioinspirierte pneumatische formverändernde Elastomere. Nat. Mater. 18, 24–28. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0219-x (2019).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Buckner, TL & Kramer-Bottiglio, R. Funktionsfasern für Roboterstoffe. Multifunktional. Mater. 1, 012001. https://doi.org/10.1088/2399-7532/aad378 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sanchez, V., Walsh, CJ & Wood, RJ Textiltechnologie für weiche Roboter- und autonome Kleidungsstücke. Adv. Funktion. Mater. https://doi.org/10.1002/adfm.202008278 (2020).

Artikel Google Scholar

Quinlivan, BT et al. Unterstützungsumfang im Vergleich zu metabolischen Kostenreduzierungen für einen angebundenen, multiartikulären, weichen Exoanzug. Wissenschaft. Roboter. 2, eaah4416. https://doi.org/10.1126/scirobotics.aah4416 (2017).

Artikel PubMed Google Scholar

Chiaradia, D., Xiloyannis, M., Antuvan, CW, Frisoli, A. & Masia, L. Im Jahr 2018 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft). 565–571.

Xiloyannis, M., Cappello, L., Binh, KD, Antuvan, CW & Masia, L. Vorläufiger Entwurf und Steuerung eines weichen Exoanzugs zur Unterstützung von Ellenbogenbewegungen und Handgreifen bei Aktivitäten des täglichen Lebens. J. Rehabil. Helfen. Technol. Ing. 4, 2055668316680315. https://doi.org/10.1177/2055668316680315 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Hoang, TT et al. Eine tragbare Hülle aus weichem Stoff zur Vergrößerung der oberen Gliedmaßen. Sensoren 21, 7638 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

In, H., Kang, BB, Sin, M. & Cho, KJ Exo-Glove Ein tragbarer Roboter für die Hand mit einem weichen Sehnenführungssystem. IEEE-Roboter. Autom. Mag. 22, 97–105. https://doi.org/10.1109/Mra.2014.2362863 (2015).

Artikel Google Scholar

Hoang, TT, Phan, PT, Thai, MT, Lovell, NH & Do, TN Bio-inspirierter, anpassbarer und spiralförmiger Greifer aus weichem Stoff mit variabler Steifigkeit und Berührungserkennung. Adv. Mater. Technol. 5, 2000724 (2020).

Artikel Google Scholar

Thalman, CM, Hertzell, T. & Lee, H. Im Jahr 2020 3. IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft). 801–807.

Cappello, L. et al. Nutzung textiler mechanischer Anisotropie für pneumatische Aktuatoren auf Stoffbasis. Weicher Roboter. 5, 662–674. https://doi.org/10.1089/soro.2017.0076 (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Booth, JW et al. OmniSkins: Roboter-Skins, die unbelebte Objekte in multifunktionale Roboter verwandeln. Wissenschaft. Roboter. 3, eaat1853. https://doi.org/10.1126/scirobotics.aat1853 (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Zhu, M., Do, TN, Hawkes, E. & Visell, Y. Muskelschichten aus Fluidgewebe für tragbare und weiche Robotik. Weicher Roboter. 7, 179–197. https://doi.org/10.1089/soro.2019.0033 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Buckner, TL, Bilodeau, RA, Kim, SY & Kramer-Bottiglio, R. Robotisierung von Stoffen durch Integration funktioneller Fasern. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 117, 25360–25369. https://doi.org/10.1073/pnas.2006211117 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, B. et al. Neuprogrammierbare sanfte Betätigung und Formänderung durch Zugklemmung. Wissenschaft. Adv. 7, eabh2073. https://doi.org/10.1126/sciadv.abh2073 (2021).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Shah, DS et al. Ein weicher Roboter, der sich durch Formveränderung an Umgebungen anpasst. Nat. Mach. Intel. 3, 51–59. https://doi.org/10.1038/s42256-020-00263-1 (2020).

Artikel Google Scholar

Sanchez, V. et al. Intelligente thermisch aktive Textilien. Adv. Mater. Technol. 5, 2000383. https://doi.org/10.1002/admt.202000383 (2020).

Artikel Google Scholar

Hu, J., Meng, H., Li, G. & Ibekwe, SI Ein Überblick über stimuliresponsive Polymere für intelligente Textilanwendungen. Kluge Mater. Struktur. 21, 053001. https://doi.org/10.1088/0964-1726/21/5/053001 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wicaksono, I., Cherston, J. & Paradiso, JA Elektronische Textilgaia: Allgegenwärtige Computersubstrate über geometrische Skalen hinweg. IEEE Pervasive Computing. 20, 18–29. https://doi.org/10.1109/mprv.2021.3078107 (2021).

Artikel Google Scholar

Berzowska, J. & Coelho, M. im neunten IEEE International Symposium on Wearable Computers (ISWC'05). 82–85.

Stylios, GK & Wan, T. Formgedächtnistraining für intelligente Stoffe. Trans. Inst. Mess. Kontrolle. 29, 321–336. https://doi.org/10.1177/0142331207069479 (2007).

Artikel Google Scholar

Kim, JH, Huang, K., White, S., Conroy, M. & Kao, CH-L. In Designing Interactive Systems Conference 2021 1183–1200 (Association for Computing Machinery, 2021).

Thai, MT, Hoang, TT, Phan, PT, Lovell, NH & Do, TN Weiche Mikrotubuli-Muskel-angetriebene 3-Achsen-Haptikgeräte zur Hautdehnung. IEEE Access 8, 157878–157891 (2020).

Artikel Google Scholar

Granberry, R., Eschen, K., Holschuh, B. & Abel, J. Funktional abgestufte gestrickte Aktuatoren mit Formgedächtnislegierungen auf NiTi-Basis für topographisch selbstpassende Wearables. Adv. Mater. Technol. https://doi.org/10.1002/admt.201900548 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kurumaya, S., Nabae, H., Endo, G. & Suzumori, K. Design der dünnen McKibben-Muskel- und Multifilamentstruktur. Sens. Aktor A Phys. 261, 66–74. https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.04.047 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Kurumaya, S., Nabae, H., Endo, G. & Suzumori, K. Aktives Textil, geflochten in drei Strängen mit dünnem McKibben-Muskel. Weicher Roboter. 6, 250–262. https://doi.org/10.1089/soro.2018.0076 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Hiramitsu, T., Suzumori, K., Nabae, H. & Endo, G. Im Jahr 2019 2. IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft). 1–6.

Maziz, A. et al. Künstliche Muskeln stricken und weben. Wissenschaft. Adv. 3, e1600327. https://doi.org/10.1126/sciadv.1600327 (2017).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Haines, CS et al. Neue Variante künstlicher Muskeln. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 113, 11709–11716. https://doi.org/10.1073/pnas.1605273113 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Haines, CS et al. Künstliche Muskeln aus Angelschnur und Nähgarn. Wissenschaft 343, 868–872. https://doi.org/10.1126/science.1246906 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Phan, PT, Thai, MT, Hoang, TT, Lovell, NH & Do, TN HFAM: Künstliche Muskeln aus weichem hydraulischem Filament für flexible Roboteranwendungen. IEEE Access 8, 226637–226652. https://doi.org/10.1109/Access.2020.3046163 (2020).

Artikel Google Scholar

Phan, PT et al. Drehen und Flechten flüssigkeitsbetriebener weicher künstlicher Muskelfasern für Roboteranwendungen. Weicher Roboter. (2021).

Phan, PT et al. Intelligente chirurgische Nähte mit weichen künstlichen Muskeln. Wissenschaft. Rep. 11, 22420. https://doi.org/10.1038/s41598-021-01910-2 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Xiong, J., Chen, J. & Lee, PS Funktionelle Fasern und Stoffe für Soft-Robotik, Wearables und Mensch-Roboter-Schnittstellen. Adv. Mater. 33, e2002640. https://doi.org/10.1002/adma.202002640 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Thai, MT et al. Design, Herstellung und Hysteresemodellierung von weichen Mikrotubuli-künstlichen Muskeln (SMAM) für medizinische Anwendungen. IEEE-Roboter. Autom. Lette. 6, 5089–5096. https://doi.org/10.1109/LRA.2021.3072599 (2021).

Artikel Google Scholar

Hassani, V., Tjahjowidodo, T. & Do, TN Eine Umfrage zur Hysteresemodellierung, -identifizierung und -kontrolle. Mech. Syst. Signalprozess. 49, 209–233. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2014.04.012 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch den UNSW Start-Up Grant (PS58173), den UNSW Scientia Fellowship Grant (PS46197) und den Vanguard Grant der National Heart Foundation of Australia (RG204224). Die Autoren möchten Frau Phuong Nga Nguyen für die Bereitstellung von Stoffmaterialien zur Herstellung bioinspirierter weicher Roboter danken.

Graduate School of Biomedical Engineering, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, University of New South Wales (UNSW), Sydney, NSW, 2052, Australien

Phuoc Thien Phan, Mai Thanh Thai, Trung Thien Hoang, James Davies, Chi Cong Nguyen, Nigel H. Lovell und Thanh Nho Do

School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, University of New South Wales (UNSW), Sydney, NSW, 2052, Australien

Hoang-Phuong Phan

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

PTP und TND erstellten die Herstellungsprotokolle, konzipierten die Ideen und das Gerätedesign und führten Experimente durch. PTP, MTT, TTH, JD, CCN, H.-PP, NHL und TND haben den Artikel geschrieben, die Forschungsaktivitäten überwacht, Reagenzien/Materialien/Analysewerkzeuge beigesteuert und das Manuskript überarbeitet.

Korrespondenz mit Thanh Nho Do.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Phan, PT, Thai, MT, Hoang, TT et al. Intelligente Textilien mit flüssigkeitsbetriebenen künstlichen Muskelfasern. Sci Rep 12, 11067 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15369-2

Zitat herunterladen

Eingegangen: 06. April 2022

Angenommen: 22. Juni 2022

Veröffentlicht: 30. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15369-2

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.