Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di akhir untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus.
Menggabungkan tekstil dan otot buatan untuk menciptakan tekstil cerdas menarik banyak perhatian baik dari komunitas ilmiah maupun industri.Tekstil pintar menawarkan banyak manfaat, termasuk kenyamanan adaptif dan tingkat kesesuaian yang tinggi terhadap objek sekaligus memberikan aktuasi aktif untuk gerakan dan kekuatan yang diinginkan.Artikel ini menyajikan kelas baru kain pintar yang dapat diprogram yang dibuat menggunakan berbagai metode menenun, menenun, dan merekatkan serat otot buatan yang digerakkan oleh cairan.Sebuah model matematika dikembangkan untuk menggambarkan perbandingan gaya pemanjangan lembaran tekstil rajutan dan tenunan, kemudian diuji validitasnya secara eksperimental.Tekstil “pintar” baru ini memiliki fleksibilitas tinggi, kesesuaian, dan pemrograman mekanis, memungkinkan pergerakan multi-modal dan kemampuan deformasi untuk cakupan aplikasi yang lebih luas.Berbagai prototipe tekstil pintar telah diciptakan melalui verifikasi eksperimental, termasuk berbagai kasus perubahan bentuk seperti pemanjangan (hingga 65%), perluasan area (108%), ekspansi radial (25%), dan gerakan lentur.Konsep konfigurasi ulang jaringan tradisional pasif menjadi struktur aktif untuk membentuk struktur biomimetik juga sedang dieksplorasi.Tekstil pintar yang diusulkan diharapkan dapat memfasilitasi pengembangan perangkat pintar yang dapat dikenakan, sistem haptik, robot lunak biomimetik, dan perangkat elektronik yang dapat dikenakan.
Robot kaku efektif ketika bekerja di lingkungan terstruktur, tetapi memiliki masalah dengan konteks perubahan lingkungan yang tidak diketahui, sehingga membatasi penggunaannya dalam pencarian atau eksplorasi.Alam terus mengejutkan kita dengan banyak strategi inventif untuk menghadapi faktor eksternal dan keanekaragaman.Misalnya, sulur tanaman merambat melakukan gerakan multimodal, seperti membungkuk dan memutar, untuk menjelajahi lingkungan yang tidak diketahui untuk mencari dukungan yang sesuai1.Penangkap lalat Venus (Dionaea muscipula) memiliki bulu-bulu sensitif di daunnya yang jika dipicu akan menempel pada tempatnya untuk menangkap mangsa2.Dalam beberapa tahun terakhir, deformasi atau perubahan bentuk benda dari permukaan dua dimensi (2D) menjadi bentuk tiga dimensi (3D) yang meniru struktur biologis menjadi topik penelitian yang menarik3,4.Konfigurasi robot lunak ini berubah bentuk untuk beradaptasi dengan perubahan lingkungan, memungkinkan penggerak multimodal, dan menerapkan kekuatan untuk melakukan pekerjaan mekanis.Jangkauan mereka telah meluas ke berbagai aplikasi robotika, termasuk robot yang dapat diterapkan5, robot yang dapat dikonfigurasi ulang dan dapat dilipat6,7, perangkat biomedis8, kendaraan9,10, dan elektronik yang dapat diperluas11.
Banyak penelitian telah dilakukan untuk mengembangkan pelat datar yang dapat diprogram yang, ketika diaktifkan, berubah menjadi struktur tiga dimensi yang kompleks3.Ide sederhana untuk membuat struktur yang dapat dideformasi adalah dengan menggabungkan lapisan bahan berbeda yang melentur dan berkerut saat terkena rangsangan12,13.Janbaz dkk.14 dan Li dkk.15 telah menerapkan konsep ini untuk membuat robot multimoda yang dapat dideformasi dan peka terhadap panas.Struktur berbasis origami yang menggabungkan elemen responsif terhadap stimulus telah digunakan untuk membuat struktur tiga dimensi yang kompleks16,17,18.Terinspirasi oleh morfogenesis struktur biologis, Emmanuel et al.Elastomer yang dapat berubah bentuk dibuat dengan mengatur saluran udara di dalam permukaan karet yang, di bawah tekanan, berubah menjadi bentuk tiga dimensi yang kompleks dan berubah-ubah.
Integrasi tekstil atau kain ke dalam robot lunak yang dapat dideformasi adalah proyek konsep baru lainnya yang telah menarik perhatian luas.Tekstil adalah bahan lembut dan elastis yang terbuat dari benang dengan teknik tenun seperti merajut, menenun, mengepang, atau menenun simpul.Sifat kain yang luar biasa, termasuk kelenturan, kesesuaian, elastisitas, dan kemudahan bernapas, menjadikannya sangat populer dalam segala hal mulai dari pakaian hingga aplikasi medis20.Ada tiga pendekatan luas untuk memasukkan tekstil ke dalam robotika21.Pendekatan pertama adalah dengan menggunakan tekstil sebagai bahan pendukung pasif atau dasar untuk komponen lainnya.Dalam hal ini, tekstil pasif memberikan kenyamanan bagi pengguna saat membawa komponen kaku (motor, sensor, catu daya).Sebagian besar robot lunak atau kerangka luar lunak termasuk dalam pendekatan ini.Misalnya, kerangka luar yang lembut dan dapat dipakai untuk alat bantu berjalan 22 dan alat bantu siku 23, 24, 25, sarung tangan lembut yang dapat dipakai 26 untuk alat bantu tangan dan jari, dan robot lunak bionik 27.
Pendekatan kedua adalah menggunakan tekstil sebagai komponen perangkat robot lunak yang pasif dan terbatas.Aktuator berbahan dasar tekstil termasuk dalam kategori ini, dimana kain biasanya dibuat sebagai wadah luar untuk menampung selang atau ruang bagian dalam, membentuk aktuator yang diperkuat serat lembut.Ketika terkena sumber pneumatik atau hidrolik eksternal, aktuator lunak ini mengalami perubahan bentuk, termasuk pemanjangan, pembengkokan, atau puntiran, bergantung pada komposisi dan konfigurasi aslinya.Misalnya, Talman dkk.Pakaian pergelangan kaki ortopedi, yang terdiri dari serangkaian saku kain, telah diperkenalkan untuk memfasilitasi fleksi plantar untuk memulihkan gaya berjalan28.Lapisan tekstil dengan ekstensibilitas berbeda dapat digabungkan untuk menciptakan gerakan anisotropik 29 .OmniSkins – kulit robot lunak yang terbuat dari berbagai aktuator lunak dan bahan substrat dapat mengubah objek pasif menjadi robot aktif multifungsi yang dapat melakukan gerakan multimodal dan deformasi untuk berbagai aplikasi.Zhu dkk.telah mengembangkan lembaran otot jaringan cair31 yang dapat menghasilkan gerakan pemanjangan, pembengkokan, dan berbagai deformasi.Buckner dkk.Integrasikan serat fungsional ke dalam jaringan konvensional untuk membuat jaringan robotik dengan berbagai fungsi seperti aktuasi, penginderaan, dan kekakuan variabel32.Metode lain dalam kategori ini dapat ditemukan di makalah 21, 33, 34, 35.
Pendekatan terbaru untuk memanfaatkan sifat-sifat unggul tekstil di bidang robotika lunak adalah dengan menggunakan filamen reaktif atau responsif terhadap stimulus untuk menciptakan tekstil cerdas menggunakan metode manufaktur tekstil tradisional seperti metode menenun, merajut, dan menenun21,36,37.Tergantung pada komposisi bahannya, benang reaktif menyebabkan perubahan bentuk ketika terkena aksi listrik, termal atau tekanan, yang menyebabkan deformasi kain.Dalam pendekatan ini, ketika tekstil tradisional diintegrasikan ke dalam sistem robot lunak, pembentukan kembali tekstil terjadi pada lapisan dalam (benang) dan bukan pada lapisan luar.Dengan demikian, tekstil cerdas menawarkan penanganan yang sangat baik dalam hal pergerakan multimoda, deformasi yang dapat diprogram, kemampuan merenggang, dan kemampuan untuk menyesuaikan kekakuan.Misalnya, paduan memori bentuk (SMA) dan polimer memori bentuk (SMP) dapat dimasukkan ke dalam kain untuk secara aktif mengontrol bentuknya melalui stimulasi termal, seperti hemming38, penghilangan kerut36,39, umpan balik taktil dan taktil40,41, serta adaptif pakaian yang bisa dipakai.perangkat 42 .Namun, penggunaan energi panas untuk pemanasan dan pendinginan menghasilkan respons yang lambat serta pendinginan dan pengendalian yang sulit.Baru-baru ini, Hiramitsu dkk.Otot halus McKibben43,44, otot buatan pneumatik, digunakan sebagai benang lusi untuk membuat berbagai bentuk tekstil aktif dengan mengubah struktur tenun45.Meskipun pendekatan ini memberikan kekuatan yang tinggi, karena sifat otot McKibben, laju ekspansi terbatas (<50%) dan ukuran kecil tidak dapat dicapai (diameter <0,9 mm).Selain itu, sulitnya membentuk pola tekstil yang cerdas dari metode menenun yang memerlukan sudut tajam.Untuk membentuk tekstil pintar yang lebih luas, Maziz dkk.Tekstil yang dapat dipakai secara elektroaktif telah dikembangkan dengan merajut dan menenun benang polimer elektrosensitif46.
Dalam beberapa tahun terakhir, jenis otot buatan termosensitif baru telah muncul, dibuat dari serat polimer yang sangat terpelintir dan murah47,48.Serat-serat ini tersedia secara komersial dan mudah dimasukkan ke dalam tenun atau tenun untuk menghasilkan pakaian pintar yang terjangkau.Meskipun terdapat kemajuan, tekstil baru yang peka terhadap panas ini memiliki waktu respons yang terbatas karena kebutuhan akan pemanasan dan pendinginan (misalnya tekstil dengan pengatur suhu) atau kesulitan dalam membuat pola rajutan dan tenunan rumit yang dapat diprogram untuk menghasilkan deformasi dan gerakan yang diinginkan. .Contohnya termasuk ekspansi radial, transformasi bentuk 2D ke 3D, atau ekspansi dua arah, yang kami tawarkan di sini.
Untuk mengatasi permasalahan yang disebutkan di atas, artikel ini menyajikan tekstil cerdas berbasis cairan baru yang terbuat dari serat otot lunak (AMF) lunak yang baru kami perkenalkan49,50,51.AMF sangat fleksibel, terukur dan dapat diperkecil hingga diameter 0,8 mm dan panjang besar (setidaknya 5000 mm), menawarkan rasio aspek tinggi (panjang terhadap diameter) serta elongasi tinggi (setidaknya 245%), energi tinggi efisiensi, respon cepat kurang dari 20Hz).Untuk menciptakan tekstil cerdas, kami menggunakan AMF sebagai benang aktif untuk membentuk lapisan otot aktif 2D melalui teknik merajut dan menenun.Kami telah mempelajari secara kuantitatif laju ekspansi dan kekuatan kontraksi jaringan “pintar” ini dalam hal volume dan tekanan cairan yang diberikan.Model analitik telah dikembangkan untuk menetapkan hubungan gaya pemanjangan untuk lembaran rajutan dan tenunan.Kami juga menjelaskan beberapa teknik pemrograman mekanis pada tekstil pintar untuk pergerakan multimoda, termasuk ekstensi dua arah, pembengkokan, ekspansi radial, dan kemampuan transisi dari 2D ke 3D.Untuk menunjukkan kekuatan pendekatan kami, kami juga akan mengintegrasikan AMF ke dalam kain atau tekstil komersial untuk mengubah konfigurasinya dari struktur pasif menjadi aktif yang menyebabkan berbagai deformasi.Kami juga telah mendemonstrasikan konsep ini di beberapa tempat pengujian eksperimental, termasuk pembengkokan benang yang dapat diprogram untuk menghasilkan huruf yang diinginkan dan struktur biologis yang dapat berubah bentuk menjadi bentuk objek seperti kupu-kupu, struktur hewan berkaki empat, dan bunga.
Tekstil adalah struktur dua dimensi fleksibel yang dibentuk dari jalinan benang satu dimensi seperti benang, benang, dan serat.Tekstil adalah salah satu teknologi tertua umat manusia dan banyak digunakan dalam semua aspek kehidupan karena kenyamanan, kemampuan beradaptasi, kemudahan bernapas, estetika dan perlindungan.Tekstil pintar (juga dikenal sebagai pakaian pintar atau kain robotik) semakin banyak digunakan dalam penelitian karena potensinya yang besar dalam aplikasi robotik20,52.Tekstil pintar berjanji untuk meningkatkan pengalaman manusia dalam berinteraksi dengan benda lunak, mengantarkan perubahan paradigma di bidang di mana pergerakan dan kekuatan kain tipis dan fleksibel dapat dikontrol untuk melakukan tugas tertentu.Dalam makalah ini, kami mengeksplorasi dua pendekatan terhadap produksi tekstil pintar berdasarkan AMF49 terbaru kami: (1) menggunakan AMF sebagai benang aktif untuk menciptakan tekstil cerdas menggunakan teknologi manufaktur tekstil tradisional;(2) masukkan AMF langsung ke kain tradisional untuk merangsang gerakan dan deformasi yang diinginkan.
AMF terdiri dari tabung silikon internal untuk memasok tenaga hidrolik dan kumparan heliks eksternal untuk membatasi ekspansi radialnya.Dengan demikian, AMF memanjang secara longitudinal ketika tekanan diberikan dan selanjutnya menunjukkan gaya kontraktil untuk kembali ke panjang aslinya ketika tekanan dilepaskan.Mereka memiliki sifat yang mirip dengan serat tradisional, termasuk fleksibilitas, diameter kecil dan panjang panjang.Namun, AMF lebih aktif dan terkendali dalam hal pergerakan dan kekuatan dibandingkan rekan-rekan konvensionalnya.Terinspirasi oleh kemajuan pesat dalam tekstil pintar baru-baru ini, berikut kami menyajikan empat pendekatan utama dalam memproduksi tekstil pintar dengan menerapkan AMF pada teknologi manufaktur kain yang telah lama ada (Gambar 1).
Cara pertama adalah menenun.Kami menggunakan teknologi rajutan pakan untuk menghasilkan kain rajutan reaktif yang terbuka ke satu arah saat digerakkan secara hidrolik.Seprai rajutan sangat elastis dan dapat diregangkan tetapi cenderung lebih mudah terurai dibandingkan lembaran tenunan.Tergantung pada metode pengendaliannya, AMF dapat membentuk baris individual atau produk lengkap.Selain lembaran datar, pola rajutan berbentuk tabung juga cocok untuk pembuatan struktur berongga AMF.Metode kedua adalah menenun, dimana kami menggunakan dua AMF sebagai lungsin dan pakan untuk membentuk lembaran anyaman persegi panjang yang dapat mengembang secara mandiri ke dua arah.Lembaran tenunan memberikan kontrol lebih besar (di kedua arah) dibandingkan lembaran rajutan.Kami juga menganyam AMF dari benang tradisional untuk membuat lembaran tenunan sederhana yang hanya dapat dilepas ke satu arah.Metode ketiga – ekspansi radial – adalah varian dari teknik menenun, di mana AMP ditempatkan tidak dalam bentuk persegi panjang, namun dalam bentuk spiral, dan benang memberikan batasan radial.Dalam hal ini, jalinan mengembang secara radial di bawah tekanan saluran masuk.Pendekatan keempat adalah dengan menempelkan AMF pada selembar kain pasif untuk menciptakan gerakan menekuk ke arah yang diinginkan.Kami telah mengkonfigurasi ulang papan breakout pasif menjadi papan breakout aktif dengan menjalankan AMF di sekitar tepinya.Sifat AMF yang dapat diprogram ini membuka kemungkinan tak terhitung untuk struktur lunak pengubah bentuk yang terinspirasi dari bio di mana kita dapat mengubah objek pasif menjadi objek aktif.Metode ini sederhana, mudah, dan cepat, namun dapat membahayakan umur panjang prototipe.Pembaca dirujuk ke pendekatan lain dalam literatur yang merinci kekuatan dan kelemahan masing-masing properti jaringan21,33,34,35.
Kebanyakan benang atau benang yang digunakan untuk membuat kain tradisional mengandung struktur pasif.Dalam pekerjaan ini, kami menggunakan AMF yang kami kembangkan sebelumnya, yang dapat mencapai panjang meter dan diameter submilimeter, untuk menggantikan benang tekstil pasif tradisional dengan AFM guna menciptakan kain cerdas dan aktif untuk cakupan aplikasi yang lebih luas.Bagian berikut menjelaskan metode rinci untuk membuat prototipe tekstil pintar dan menyajikan fungsi dan perilaku utamanya.
Kami membuat tiga kaus AMF dengan tangan menggunakan teknik rajutan pakan (Gbr. 2A).Pemilihan material dan spesifikasi rinci untuk AMF dan prototipe dapat ditemukan di bagian Metode.Setiap AMF mengikuti jalur berliku (juga disebut rute) yang membentuk lingkaran simetris.Loop dari setiap baris diperbaiki dengan loop dari baris di atas dan di bawahnya.Cincin-cincin dari satu kolom yang tegak lurus terhadap lintasan digabungkan menjadi sebuah poros.Prototipe rajutan kami terdiri dari tiga baris tujuh jahitan (atau tujuh jahitan) di setiap baris.Cincin atas dan bawah tidak terpasang, jadi kita bisa memasangnya ke batang logam yang sesuai.Prototipe rajutan lebih mudah terurai dibandingkan kain rajutan konvensional karena kekakuan AMF yang lebih tinggi dibandingkan benang konvensional.Oleh karena itu, kami mengikat loop dari baris yang berdekatan dengan tali elastis tipis.
Berbagai prototipe tekstil pintar sedang diimplementasikan dengan konfigurasi AMF yang berbeda.(A) Lembaran rajutan terbuat dari tiga AMF.(B) Lembaran tenunan dua arah dari dua AMF.(C) Lembaran tenun searah yang terbuat dari AMF dan benang akrilik dapat menahan beban 500g, yaitu 192 kali beratnya (2,6g).(D) Struktur yang melebar secara radial dengan satu AMF dan benang katun sebagai pembatas radial.Spesifikasi rinci dapat ditemukan di bagian Metode.
Meskipun simpul zigzag dari suatu rajutan dapat meregang ke berbagai arah, prototipe rajutan kami mengembang terutama ke arah simpul di bawah tekanan karena keterbatasan dalam arah perjalanan.Perpanjangan setiap AMF berkontribusi pada perluasan total luas lembaran rajutan.Bergantung pada kebutuhan spesifik, kita dapat mengontrol tiga AMF secara independen dari tiga sumber fluida berbeda (Gambar 2A) atau secara bersamaan dari satu sumber fluida melalui distributor fluida 1-ke-3.Pada gambar.Gambar 2A menunjukkan contoh prototipe rajutan, yang luas awalnya meningkat sebesar 35% ketika tekanan diberikan pada tiga AMP (1,2 MPa).Khususnya, AMF mencapai perpanjangan tinggi setidaknya 250% dari panjang aslinya49 sehingga lembaran rajutan dapat meregang lebih jauh dari versi saat ini.
Kami juga membuat lembaran tenunan dua arah yang dibentuk dari dua AMF menggunakan teknik tenunan polos (Gambar 2B).Warp dan pakan AMF terjalin pada sudut siku-siku, membentuk pola saling silang yang sederhana.Tenunan prototipe kami diklasifikasikan sebagai tenunan polos seimbang karena benang lusi dan benang pakan dibuat dari ukuran benang yang sama (lihat bagian Metode untuk rinciannya).Berbeda dengan benang biasa yang dapat membentuk lipatan tajam, AMF yang diaplikasikan memerlukan radius tekukan tertentu saat kembali ke benang lain pada pola tenun.Oleh karena itu, tenunan lembaran berbahan AMP memiliki kepadatan yang lebih rendah dibandingkan tekstil tenun konvensional.AMF tipe S (diameter luar 1,49 mm) memiliki radius tekuk minimum 1,5 mm.Misalnya, prototipe tenunan yang kami sajikan dalam artikel ini memiliki pola benang 7x7 yang setiap persimpangannya distabilkan dengan simpul tali elastis tipis.Dengan menggunakan teknik menenun yang sama, Anda bisa mendapatkan lebih banyak helai.
Ketika AMF yang sesuai menerima tekanan fluida, lembaran tenunan memperluas areanya ke arah lungsin atau pakan.Oleh karena itu, kami mengontrol dimensi lembaran jalinan (panjang dan lebar) dengan secara independen mengubah jumlah tekanan masuk yang diterapkan pada kedua AMP.Pada gambar.Gambar 2B menunjukkan prototipe anyaman yang diperluas hingga 44% dari luas aslinya sambil memberikan tekanan pada satu AMP (1,3 MPa).Dengan tekanan simultan pada dua AMF, area tersebut meningkat sebesar 108%.
Kami juga membuat lembaran tenun searah dari satu AMF dengan benang lusi dan benang akrilik sebagai pakan (Gambar 2C).AMF disusun dalam tujuh baris zigzag dan benang-benang tersebut menjalin baris-baris AMF tersebut menjadi satu membentuk lembaran kain persegi panjang.Prototipe anyaman ini lebih padat dibandingkan Gambar 2B, berkat benang akrilik lembut yang dengan mudah memenuhi seluruh lembaran.Karena kami hanya menggunakan satu AMF sebagai lungsin, lembaran tenunan hanya dapat mengembang ke arah lungsin jika diberi tekanan.Gambar 2C menunjukkan contoh prototipe anyaman yang luas awalnya bertambah 65% seiring dengan meningkatnya tekanan (1,3 MPa).Selain itu, potongan jalinan ini (beratnya 2,6 gram) mampu mengangkat beban 500 gram, yaitu 192 kali massanya.
Alih-alih menyusun AMF dalam pola zigzag untuk membuat lembaran anyaman persegi panjang, kami membuat AMF berbentuk spiral datar, yang kemudian diikat secara radial dengan benang katun untuk membuat lembaran anyaman bundar (Gambar 2D).Kekakuan AMF yang tinggi membatasi pengisiannya pada bagian paling tengah pelat.Namun bantalan ini bisa dibuat dari benang elastis atau kain elastis.Setelah menerima tekanan hidrolik, AMP mengubah perpanjangan memanjang menjadi ekspansi radial lembaran.Perlu juga dicatat bahwa diameter luar dan dalam dari bentuk spiral meningkat karena keterbatasan radial dari filamen.Gambar 2D menunjukkan bahwa dengan tekanan hidrolik yang diberikan sebesar 1 MPa, bentuk lembaran bulat mengembang hingga 25% dari luas aslinya.
Di sini kami menyajikan pendekatan kedua untuk membuat tekstil cerdas di mana kami merekatkan AMF ke sepotong kain datar dan mengkonfigurasi ulang struktur tersebut dari struktur pasif ke struktur yang dikontrol secara aktif.Diagram desain penggerak lentur ditunjukkan pada gambar.3A, dimana AMP dilipat bagian tengahnya dan direkatkan pada potongan kain yang tidak dapat diperpanjang (kain muslin katun) dengan menggunakan double tape sebagai perekat.Setelah disegel, bagian atas AMF bebas memanjang, sedangkan bagian bawah dibatasi oleh selotip dan kain, sehingga menyebabkan strip menekuk ke arah kain.Kita dapat menonaktifkan bagian mana pun dari aktuator tikungan di mana pun hanya dengan menempelkan selotip di atasnya.Segmen yang dinonaktifkan tidak dapat bergerak dan menjadi segmen pasif.
Kain dikonfigurasi ulang dengan menempelkan AMF ke kain tradisional.(A) Konsep desain untuk penggerak lentur yang dibuat dengan menempelkan AMF yang terlipat ke kain yang tidak dapat diperpanjang.(B) Pembengkokan prototipe aktuator.(C) Konfigurasi ulang kain persegi panjang menjadi robot aktif berkaki empat.Kain tidak elastis: kaos katun.Kain regang: poliester.Spesifikasi rinci dapat ditemukan di bagian Metode.
Kami membuat beberapa prototipe aktuator pembengkokan dengan panjang berbeda dan memberi tekanan pada mereka dengan hidrolik untuk menciptakan gerakan pembengkokan (Gambar 3B).Yang penting, AMF dapat diletakkan dalam garis lurus atau dilipat untuk membentuk beberapa benang dan kemudian direkatkan ke kain untuk membuat penggerak lentur dengan jumlah benang yang sesuai.Kami juga mengubah lembaran jaringan pasif menjadi struktur tetrapoda aktif (Gambar 3C), di mana kami menggunakan AMF untuk mengarahkan batas jaringan persegi panjang yang tidak dapat diperpanjang (kain muslin katun).AMP dilekatkan pada kain dengan selotip dua sisi.Bagian tengah tiap tepinya ditempel menjadi pasif, sedangkan keempat sudutnya tetap aktif.Penutup atas kain stretch (poliester) adalah opsional.Keempat sudut kain menekuk (seperti kaki) saat ditekan.
Kami membangun bangku tes untuk mempelajari secara kuantitatif sifat-sifat tekstil pintar yang dikembangkan (lihat bagian Metode dan Gambar Tambahan S1).Karena semua sampel terbuat dari AMF, tren umum hasil eksperimen (Gbr. 4) konsisten dengan karakteristik utama AMF, yaitu tekanan masuk berbanding lurus dengan pemanjangan saluran keluar dan berbanding terbalik dengan gaya kompresi.Namun, kain pintar ini memiliki karakteristik unik yang mencerminkan konfigurasi spesifiknya.
Menampilkan konfigurasi tekstil cerdas.(A, B) Kurva histeresis untuk tekanan masuk dan perpanjangan serta gaya keluar untuk lembaran tenunan.(C) Perluasan luas lembaran tenunan.(D,E) Hubungan antara tekanan masukan dan perpanjangan serta gaya keluaran untuk pakaian rajut.(F) Perluasan area dari struktur yang meluas secara radial.(G) Sudut lentur dari tiga penggerak lentur yang panjangnya berbeda.
Setiap AMF dari lembaran tenunan diberi tekanan masuk sebesar 1 MPa untuk menghasilkan perpanjangan sekitar 30% (Gbr. 4A).Kami memilih ambang batas ini untuk keseluruhan eksperimen karena beberapa alasan: (1) untuk menciptakan perpanjangan yang signifikan (sekitar 30%) untuk menekankan kurva histeresisnya, (2) untuk mencegah siklus dari eksperimen yang berbeda dan prototipe yang dapat digunakan kembali yang mengakibatkan kerusakan atau kegagalan yang tidak disengaja..dibawah tekanan fluida yang tinggi.Zona mati terlihat jelas, dan jalinan tetap tidak bergerak hingga tekanan saluran masuk mencapai 0,3 MPa.Plot histeresis pemanjangan tekanan menunjukkan kesenjangan yang besar antara fase pemompaan dan pelepasan, yang menunjukkan bahwa terdapat kehilangan energi yang signifikan ketika lembaran anyaman mengubah gerakannya dari ekspansi ke kontraksi.(Gbr. 4A).Setelah memperoleh tekanan masuk sebesar 1 MPa, lembaran anyaman dapat memberikan gaya kontraksi sebesar 5,6 N (Gbr. 4B).Plot histeresis tekanan-gaya juga menunjukkan bahwa kurva reset hampir tumpang tindih dengan kurva peningkatan tekanan.Perluasan area lembaran anyaman bergantung pada jumlah tekanan yang diterapkan pada masing-masing dua AMF, seperti yang ditunjukkan pada plot permukaan 3D (Gambar 4C).Eksperimen juga menunjukkan bahwa lembaran tenunan dapat menghasilkan perluasan area sebesar 66% ketika AMF lungsin dan pakan secara bersamaan diberi tekanan hidrolik sebesar 1 MPa.
Hasil percobaan untuk lembaran rajutan menunjukkan pola yang mirip dengan lembaran tenunan, termasuk kesenjangan histeresis yang lebar pada diagram tegangan-tekanan dan kurva gaya-tekanan yang tumpang tindih.Lembaran rajutan menunjukkan perpanjangan 30%, setelah itu gaya tekan adalah 9 N pada tekanan masuk 1 MPa (Gbr. 4D, E).
Dalam kasus lembaran anyaman bundar, luas awalnya meningkat sebesar 25% dibandingkan luas awal setelah terkena tekanan cairan 1 MPa (Gbr. 4F).Sebelum sampel mulai mengembang, terdapat zona mati tekanan masuk yang besar hingga 0,7 MPa.Zona mati yang besar ini diperkirakan terjadi karena sampel dibuat dari AMF yang lebih besar yang memerlukan tekanan lebih tinggi untuk mengatasi tekanan awalnya.Pada gambar.Gambar 4F juga menunjukkan bahwa kurva pelepasan hampir bertepatan dengan kurva peningkatan tekanan, menunjukkan sedikit kehilangan energi ketika pergerakan cakram dialihkan.
Hasil percobaan ketiga aktuator lentur (rekonfigurasi jaringan) menunjukkan bahwa kurva histeresisnya memiliki pola yang serupa (Gambar 4G), dimana mengalami zona mati tekanan masuk hingga 0,2 MPa sebelum pengangkatan.Kami menerapkan volume cairan yang sama (0,035 ml) ke tiga penggerak tekuk (L20, L30, dan L50 mm).Namun, setiap aktuator mengalami puncak tekanan yang berbeda dan mengembangkan sudut tekuk yang berbeda.Aktuator L20 dan L30 mm mengalami tekanan masuk sebesar 0,72 dan 0,67 MPa, mencapai sudut lentur masing-masing 167° dan 194°.Penggerak tekuk terpanjang (panjang 50 mm) menahan tekanan 0,61 MPa dan mencapai sudut tekuk maksimum 236°.Plot histeresis sudut tekanan juga menunjukkan kesenjangan yang relatif besar antara kurva tekanan dan pelepasan untuk ketiga penggerak lentur.
Hubungan antara volume masukan dan sifat keluaran (pemanjangan, gaya, perluasan area, sudut tekuk) untuk konfigurasi tekstil pintar di atas dapat ditemukan pada Gambar Tambahan S2.
Hasil percobaan pada bagian sebelumnya dengan jelas menunjukkan hubungan proporsional antara tekanan masuk yang diterapkan dan perpanjangan keluar sampel AMF.Semakin kuat AMB diregangkan, semakin besar pemanjangan yang dihasilkannya dan semakin banyak energi elastis yang terakumulasi.Oleh karena itu, semakin besar gaya tekan yang diberikannya.Hasilnya juga menunjukkan bahwa spesimen mencapai gaya kompresi maksimumnya ketika tekanan masuk dihilangkan seluruhnya.Bagian ini bertujuan untuk menetapkan hubungan langsung antara gaya pemanjangan dan penyusutan maksimum lembaran rajutan dan tenunan melalui pemodelan analitik dan verifikasi eksperimental.
Gaya kontraktil maksimum Fout (pada tekanan masuk P = 0) dari AMF tunggal diberikan dalam ref 49 dan diperkenalkan kembali sebagai berikut:
Diantaranya, α, E, dan A0 masing-masing adalah faktor regangan, modulus Young, dan luas penampang tabung silikon;k adalah koefisien kekakuan kumparan spiral;x dan li adalah offset dan panjang awal.AMP, masing-masing.
persamaan yang tepat.(1) Ambil contoh lembaran rajutan dan tenunan (Gbr. 5A, B).Gaya penyusutan produk rajutan Fkv dan produk tenunan Fwh masing-masing dinyatakan dengan persamaan (2) dan (3).
dimana mk adalah jumlah loop, φp adalah sudut loop kain rajutan selama injeksi (Gbr. 5A), mh adalah jumlah benang, θhp adalah sudut pengikatan kain rajutan selama injeksi (Gbr. 5B), εkv εwh adalah lembaran rajutan dan deformasi lembaran anyaman, F0 adalah tegangan awal kumparan spiral.Derivasi persamaan secara rinci.(2) dan (3) dapat dilihat pada informasi pendukung.
Buat model analitis untuk hubungan gaya perpanjangan.(A,B) Ilustrasi model analitik untuk lembaran rajutan dan tenunan.(C,D) Perbandingan model analitik dan data eksperimen untuk lembaran rajutan dan tenunan.RMSE Root berarti kesalahan kuadrat.
Untuk menguji model yang dikembangkan, kami melakukan eksperimen pemanjangan menggunakan pola rajutan pada Gambar 2A dan sampel jalinan pada Gambar 2B.Kekuatan kontraksi diukur dengan peningkatan 5% untuk setiap ekstensi terkunci dari 0% hingga 50%.Rerata dan simpangan baku dari kelima percobaan disajikan pada Gambar 5C (rajut) dan Gambar 5D (rajutan).Kurva model analitik dijelaskan oleh persamaan.Parameter (2) dan (3) diberikan dalam Tabel.1. Hasilnya menunjukkan bahwa model analitik sesuai dengan data eksperimen pada seluruh rentang pemanjangan dengan root mean square error (RMSE) sebesar 0,34 N untuk pakaian rajut, 0,21 N untuk tenunan AMF H (arah horizontal) dan 0,17 N untuk tenun AMF.V (arah vertikal).
Selain gerakan dasar, tekstil pintar yang diusulkan dapat diprogram secara mekanis untuk memberikan gerakan yang lebih kompleks seperti tikungan S, kontraksi radial, dan deformasi 2D ke 3D.Di sini kami menyajikan beberapa metode untuk memprogram tekstil pintar datar ke dalam struktur yang diinginkan.
Selain memperluas domain dalam arah linier, lembaran tenunan searah dapat diprogram secara mekanis untuk menciptakan gerakan multimoda (Gbr. 6A).Kami mengkonfigurasi ulang perpanjangan lembaran yang dikepang sebagai gerakan menekuk, membatasi salah satu wajahnya (atas atau bawah) dengan benang jahit.Lembaran cenderung membengkok ke arah permukaan pembatas di bawah tekanan.Pada gambar.Gambar 6A memperlihatkan dua contoh panel anyaman yang menjadi berbentuk S ketika separuhnya sempit di sisi atas dan separuh lainnya sempit di sisi bawah.Alternatifnya, Anda dapat membuat gerakan menekuk melingkar dengan hanya seluruh wajah yang dibatasi.Lembaran jalinan searah juga dapat dibuat menjadi selongsong kompresi dengan menghubungkan kedua ujungnya ke dalam struktur tubular (Gbr. 6B).Selongsong dikenakan di jari telunjuk seseorang untuk memberikan kompresi, suatu bentuk terapi pijat untuk menghilangkan rasa sakit atau meningkatkan sirkulasi.Dapat diskalakan agar sesuai dengan bagian tubuh lain seperti lengan, pinggul, dan kaki.
Kemampuan menenun lembaran dalam satu arah.(A) Penciptaan struktur yang dapat dideformasi karena kemampuan program bentuk benang jahit.(B) Selongsong kompresi jari.(C) Versi lain dari lembaran jalinan dan penerapannya sebagai selongsong kompresi lengan bawah.(D) Prototipe selongsong kompresi lainnya terbuat dari AMF tipe M, benang akrilik, dan tali Velcro.Spesifikasi rinci dapat ditemukan di bagian Metode.
Gambar 6C menunjukkan contoh lain dari lembaran tenunan searah yang dibuat dari satu benang AMF dan benang katun.Lembaran tersebut dapat mengembang sebesar 45% luasnya (pada 1,2 MPa) atau menyebabkan gerakan melingkar di bawah tekanan.Kami juga telah memasukkan lembaran untuk membuat selongsong kompresi lengan bawah dengan memasang tali magnet di ujung lembaran.Prototipe selongsong kompresi lengan bawah lainnya ditunjukkan pada Gambar 6D, di mana lembaran jalinan searah dibuat dari AMF Tipe M (lihat Metode) dan benang akrilik untuk menghasilkan gaya kompresi yang lebih kuat.Kami telah melengkapi ujung seprai dengan tali Velcro agar mudah dipasang dan untuk berbagai ukuran tangan.
Teknik pengekangan, yang mengubah perpanjangan linier menjadi gerakan lentur, juga berlaku untuk lembaran tenunan dua arah.Kami menenun benang katun pada salah satu sisi lembaran tenunan lungsin dan pakan agar tidak melebar (Gbr. 7A).Jadi, ketika dua AMF menerima tekanan hidrolik secara independen satu sama lain, lembaran tersebut mengalami gerakan tekuk dua arah untuk membentuk struktur tiga dimensi yang berubah-ubah.Dalam pendekatan lain, kami menggunakan benang yang tidak dapat diperpanjang untuk membatasi satu arah lembaran tenunan dua arah (Gambar 7B).Dengan demikian, lembaran tersebut dapat melakukan gerakan menekuk dan meregang secara independen ketika AMF yang sesuai berada di bawah tekanan.Pada gambar.Gambar 7B menunjukkan contoh di mana lembaran jalinan dua arah dikontrol untuk membungkus sekitar dua pertiga jari manusia dengan gerakan menekuk dan kemudian memanjangkannya untuk menutupi sisanya dengan gerakan meregang.Pergerakan seprai dua arah dapat berguna untuk desain fesyen atau pengembangan pakaian cerdas.
Lembaran anyaman dua arah, lembaran rajutan, dan kemampuan desain yang dapat diperluas secara radial.(A) Panel anyaman dua arah diikat dua arah untuk menciptakan tikungan dua arah.(B) Panel anyaman dua arah yang dibatasi secara searah menghasilkan kelenturan dan pemanjangan.(C) Lembaran rajutan yang sangat elastis, yang dapat menyesuaikan diri dengan kelengkungan permukaan yang berbeda dan bahkan membentuk struktur berbentuk tabung.(D) pembatasan garis tengah suatu struktur yang mengembang secara radial membentuk bentuk parabola hiperbolik (keripik kentang).
Kami menghubungkan dua loop yang berdekatan dari baris atas dan bawah bagian rajutan dengan benang jahit agar tidak terurai (Gbr. 7C).Dengan demikian, lembaran tenunan sepenuhnya fleksibel dan beradaptasi dengan baik pada berbagai lekukan permukaan, seperti permukaan kulit tangan dan lengan manusia.Kami juga membuat struktur berbentuk tabung (selongsong) dengan menghubungkan ujung-ujung bagian rajutan searah perjalanan.Selongsong melingkari jari telunjuk orang tersebut dengan baik (Gbr. 7C).Kain tenun yang berliku-liku memberikan kesesuaian dan deformabilitas yang sangat baik, sehingga mudah digunakan dalam pakaian cerdas (sarung tangan, lengan kompresi), memberikan kenyamanan (melalui kesesuaian) dan efek terapeutik (melalui kompresi).
Selain ekspansi radial 2D ke berbagai arah, lembaran anyaman melingkar juga dapat diprogram untuk membentuk struktur 3D.Kami membatasi garis tengah jalinan bundar dengan benang akrilik untuk mengganggu pemuaian radial yang seragam.Hasilnya, bentuk datar asli dari lembaran anyaman bundar diubah menjadi bentuk parabola hiperbolik (atau keripik kentang) setelah diberi tekanan (Gbr. 7D).Kemampuan berubah bentuk ini dapat diterapkan sebagai mekanisme pengangkatan, lensa optik, kaki robot bergerak, atau dapat berguna dalam desain fesyen dan robot bionik.
Kami telah mengembangkan teknik sederhana untuk membuat penggerak lentur dengan menempelkan AMF pada selembar kain non-regangan (Gambar 3).Kami menggunakan konsep ini untuk membuat thread bentuk yang dapat diprogram di mana kami dapat mendistribusikan beberapa bagian aktif dan pasif secara strategis dalam satu AMF untuk membuat bentuk yang diinginkan.Kami membuat dan memprogram empat filamen aktif yang dapat mengubah bentuknya dari lurus menjadi huruf (UNSW) seiring dengan peningkatan tekanan (Gambar Tambahan. S4).Metode sederhana ini memungkinkan deformabilitas AMF untuk mengubah garis 1D menjadi bentuk 2D dan bahkan mungkin struktur 3D.
Dalam pendekatan serupa, kami menggunakan AMF tunggal untuk mengkonfigurasi ulang sepotong jaringan normal pasif menjadi tetrapoda aktif (Gbr. 8A).Konsep perutean dan pemrograman serupa dengan yang ditunjukkan pada Gambar 3C.Namun, alih-alih lembaran persegi panjang, mereka mulai menggunakan kain dengan pola berkaki empat (kura-kura, katun muslin).Oleh karena itu, kakinya lebih panjang dan strukturnya dapat ditinggikan lebih tinggi.Ketinggian struktur secara bertahap meningkat di bawah tekanan hingga kakinya tegak lurus dengan tanah.Jika tekanan saluran masuk terus meningkat, kaki akan melorot ke dalam, sehingga menurunkan ketinggian struktur.Tetrapoda dapat melakukan penggerak jika kakinya dilengkapi dengan pola searah atau menggunakan beberapa AMF dengan strategi manipulasi gerak.Robot penggerak lunak diperlukan untuk berbagai tugas, termasuk penyelamatan dari kebakaran hutan, bangunan runtuh atau lingkungan berbahaya, dan robot pengantar obat medis.
Kain dikonfigurasi ulang untuk menciptakan struktur yang berubah bentuk.(A) Rekatkan AMF ke tepi lembaran kain pasif, ubah menjadi struktur berkaki empat yang dapat dikendalikan.(BD) Dua contoh lain dari konfigurasi ulang jaringan, mengubah kupu-kupu dan bunga pasif menjadi kupu-kupu dan bunga aktif.Kain tidak meregang: kain muslin katun polos.
Kami juga memanfaatkan kesederhanaan dan keserbagunaan teknik konfigurasi ulang jaringan ini dengan memperkenalkan dua struktur bioinspirasi tambahan untuk pembentukan kembali (Gambar 8B-D).Dengan AMF yang dapat dirutekan, struktur yang dapat dideformasi ini dikonfigurasi ulang dari lembaran jaringan pasif menjadi struktur aktif dan dapat dikendalikan.Terinspirasi oleh kupu-kupu raja, kami membuat struktur kupu-kupu transformasi menggunakan sepotong kain berbentuk kupu-kupu (katun muslin) dan sepotong AMF panjang yang ditempelkan di bawah sayapnya.Saat AMF berada di bawah tekanan, sayapnya terlipat ke atas.Seperti halnya Kupu-kupu Monarch, sayap kiri dan kanan Robot Kupu-Kupu mengepak dengan cara yang sama karena sama-sama dikendalikan oleh AMF.Tutup kupu-kupu hanya untuk tujuan pajangan.Ia tidak bisa terbang seperti Smart Bird (Festo Corp., USA).Kami juga membuat bunga kain (Gambar 8D) yang terdiri dari dua lapis masing-masing lima kelopak.Kami menempatkan AMF di bawah setiap lapisan setelah tepi luar kelopak.Awalnya, bunganya mekar penuh, dengan seluruh kelopaknya terbuka penuh.Di bawah tekanan, AMF menyebabkan gerakan menekuk kelopak bunga, menyebabkan kelopak bunga menutup.Kedua AMF secara independen mengontrol pergerakan dua lapisan, sedangkan lima kelopak dari satu lapisan melentur pada saat yang bersamaan.
Waktu posting: 26 Des-2022