Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз шектеулі CSS қолдауы бар шолғыш нұсқасын пайдаланып жатырсыз.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Оған қоса, тұрақты қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Бірден үш слайдтан тұратын карусельді көрсетеді.Бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін «Алдыңғы» және «Келесі» түймелерін пайдаланыңыз немесе бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін соңында сырғытпа түймелерін пайдаланыңыз.
Ақылды тоқыма бұйымдарын жасау үшін тоқыма бұйымдары мен жасанды бұлшықеттерді біріктіру ғылыми және өндірістік қауымдастықтың үлкен назарын аударады.Ақылды тоқыма бұйымдары көптеген артықшылықтарды ұсынады, соның ішінде бейімделгіш жайлылық және қажетті қозғалыс пен күш үшін белсенді іске қосуды қамтамасыз ете отырып, нысандарға сәйкестіктің жоғары дәрежесі.Бұл мақалада сұйықтықпен жұмыс істейтін жасанды бұлшықет талшықтарын тоқудың, өрудің және желімнің әртүрлі әдістерін қолдану арқылы жасалған бағдарламаланатын смарт маталардың жаңа класы ұсынылған.Тоқыма және тоқыма тоқыма парақтарының ұзарту күшінің қатынасын сипаттайтын математикалық модель жасалды, содан кейін оның жарамдылығы эксперименталды түрде тексерілді.Жаңа «ақылды» тоқыма қолданбалардың кең ауқымы үшін көп модальды қозғалыс пен деформация мүмкіндіктерін қамтамасыз ететін жоғары икемділік, конформдылық және механикалық бағдарламалаумен ерекшеленеді.Эксперименттік тексеру арқылы әртүрлі смарт тоқыма прототиптері жасалды, соның ішінде ұзару (65%-ға дейін), аумақты кеңейту (108%), радиалды кеңейту (25%) және иілу қозғалысы сияқты пішінді өзгерту жағдайлары.Пассивті дәстүрлі тіндерді биомиметикалық пішіндеу құрылымдары үшін белсенді құрылымдарға қайта конфигурациялау тұжырымдамасы да зерттелуде.Ұсынылған смарт тоқыма бұйымдары ақылды киетін құрылғылардың, хаптикалық жүйелердің, биомиметикалық жұмсақ роботтардың және киілетін электрониканың дамуына ықпал етеді деп күтілуде.
Қатты роботтар құрылымдық орталарда жұмыс істегенде тиімді, бірақ оларды іздеу немесе барлау кезінде пайдалануды шектейтін өзгеретін ортаның белгісіз контекстімен проблемалары бар.Табиғат бізді сыртқы факторлармен және әртүрлілікпен күресудің көптеген өнертапқыштық стратегияларымен таң қалдыруды жалғастыруда.Мысалы, альпинистік өсімдіктердің тарамдары қолайлы тірек іздеуде белгісіз ортаны зерттеу үшін иілу және спираль тәрізді мультимодальды қозғалыстарды орындайды1.Венера шыбын аулағышының (Dionaea muscipula) жапырақтарында сезімтал түктері бар, олар іске қосылғанда олжасын ұстау үшін орнына түседі2.Соңғы жылдары денелердің екі өлшемді (2D) беттерден биологиялық құрылымдарға ұқсайтын үш өлшемді (3D) пішіндерге деформациясы немесе деформациясы қызықты зерттеу тақырыбына айналды3,4.Бұл жұмсақ робот конфигурациялары өзгермелі ортаға бейімделу үшін пішінді өзгертеді, мультимодальды қозғалысты қамтамасыз етеді және механикалық жұмыстарды орындау үшін күштерді қолданады.Олардың ауқымы робототехника қолданбаларының кең ауқымына, соның ішінде орналастыруға болатын құрылғылар5, қайта конфигурацияланатын және өздігінен жиналатын роботтар6,7, биомедициналық құрылғылар8, көліктер9,10 және кеңейтілетін электроника11 қамтылды.
Белсендірілген кезде күрделі үш өлшемді құрылымдарға айналатын бағдарламаланатын жалпақ тақталарды жасау үшін көп зерттеулер жүргізілді3.Деформацияланатын құрылымдарды жасаудың қарапайым идеясы - тітіркендіргіштерге әсер еткенде майысатын және мыжылатын әртүрлі материалдардың қабаттарын біріктіру12,13.Джанбаз және т.б.14 және Ли және т.б.15 жылу сезімтал мультимодальды деформацияланатын роботтарды жасау үшін осы тұжырымдаманы жүзеге асырды.Күрделі үш өлшемді құрылымдарды жасау үшін ынталандыруға жауап беретін элементтерді қамтитын оригами негізіндегі құрылымдар пайдаланылды16,17,18.Биологиялық құрылымдардың морфогенезінен шабыттанған Эммануэль және т.б.Пішіні деформацияланатын эластомерлер қысым астында күрделі, еркін үш өлшемді пішіндерге айналатын резеңке беттің ішінде ауа арналарын ұйымдастыру арқылы жасалады.
Тоқыма немесе маталарды деформацияланатын жұмсақ роботтарға біріктіру кең қызығушылық тудырған тағы бір жаңа тұжырымдамалық жоба.Тоқыма - бұл тоқу, тоқу, өру немесе түйін тоқу сияқты тоқу әдістері арқылы жіптен жасалған жұмсақ және серпімді материалдар.Маталардың икемділігін, жарамдылығын, серпімділігін және тыныс алуын қоса алғанда, таңғажайып қасиеттері оларды киімнен бастап медициналық қолданбаларға дейін өте танымал етеді20.Тоқыма бұйымдарын робототехникаға енгізудің үш кең тәсілі бар21.Бірінші тәсіл - тоқыма материалды басқа компоненттер үшін пассивті тірек немесе негіз ретінде пайдалану.Бұл жағдайда пассивті тоқыма бұйымдары қатты құрамдас бөліктерді (моторлар, сенсорлар, қуат көзі) тасымалдау кезінде пайдаланушының ыңғайлы орналасуын қамтамасыз етеді.Көптеген жұмсақ киілетін роботтар немесе жұмсақ экзоскелеттер осы тәсілге жатады.Мысалы, жаяу жүру құралдарына арналған жұмсақ киілетін экзоскелеттер 22 және шынтаққа арналған құралдар 23, 24, 25, қолға және саусақтарға арналған жұмсақ қолғаптар 26 және бионикалық жұмсақ роботтар 27.
Екінші тәсіл - жұмсақ роботты құрылғылардың пассивті және шектеулі компоненттері ретінде тоқыма бұйымдарын пайдалану.Тоқыма негізіндегі жетектер осы санатқа жатады, мұнда мата әдетте жұмсақ талшықты күшейткіш жетекті құрайтын ішкі шланг немесе камераны қамтитын сыртқы контейнер ретінде жасалады.Сыртқы пневматикалық немесе гидравликалық көзге ұшыраған кезде, бұл жұмсақ жетектер бастапқы құрамы мен конфигурациясына байланысты ұзаруды, иілуді немесе бұралуды қоса, пішінінің өзгеруіне ұшырайды.Мысалы, Талман және т.б.Жүруді қалпына келтіру үшін табанның бүгілуін жеңілдету үшін мата қалталарынан тұратын ортопедиялық білек киімдері енгізілді28.Анизотропты қозғалысты жасау үшін әртүрлі созылғыштығы бар тоқыма қабаттарын біріктіруге болады 29 .OmniSkins – әртүрлі жұмсақ жетектер мен субстрат материалдарынан жасалған жұмсақ роботтық мұқабалар пассивті нысандарды әртүрлі қолданбалар үшін көп модальды қозғалыстар мен деформацияларды орындай алатын көп функциялы белсенді роботтарға айналдыра алады.Жу және т.б.ұзарту, иілу және әртүрлі деформациялық қозғалыстарды тудыруы мүмкін сұйық ұлпаның бұлшықет парағын31 әзірледі.Бакнер және т.б.Іске қосу, сезу және айнымалы қаттылық сияқты бірнеше функциялары бар роботтық тіндерді жасау үшін функционалды талшықтарды кәдімгі тіндерге біріктіріңіз32.Осы санаттағы басқа әдістерді осы құжаттардан табуға болады 21, 33, 34, 35.
Жұмсақ робототехника саласындағы тоқыма бұйымдарының жоғары қасиеттерін пайдаланудың соңғы тәсілі тоқу, тоқу және тоқу әдістері сияқты дәстүрлі тоқыма өндірісінің әдістерін қолдана отырып, ақылды тоқыма бұйымдарын жасау үшін реактивті немесе ынталандыруға жауап беретін жіптерді пайдалану болып табылады21,36,37.Материалдың құрамына байланысты реактивті иірілген жіп электрлік, жылулық немесе қысым әсерінен пішіннің өзгеруін тудырады, бұл матаның деформациясына әкеледі.Дәстүрлі тоқыма бұйымдары жұмсақ роботтық жүйеге біріктірілген бұл тәсілде тоқыма пішінін өзгерту сыртқы қабатта емес, ішкі қабатта (иірілген жіпте) жүреді.Осылайша, смарт тоқыма бұйымдары мультимодальды қозғалыс, бағдарламаланатын деформация, созылу және қаттылықты реттеу мүмкіндігі тұрғысынан тамаша өңдеуді ұсынады.Мысалы, пішінді есте сақтау қорытпалары (SMAs) және пішінді есте сақтау полимерлері (SMPs) олардың пішінін термиялық ынталандыру арқылы белсенді түрде басқару үшін матаға енгізілуі мүмкін, мысалы, геминг38, әжімдерді кетіру36,39, тактильді және тактильді кері байланыс40,41, сондай-ақ адаптивті киетін киім.құрылғылар 42.Дегенмен, жылыту және салқындату үшін жылу энергиясын пайдалану реакцияның баяулауына және қиын салқындату мен басқаруға әкеледі.Жақында Хирамицу және т.б.МакКиббеннің жұқа бұлшықеттері43,44, пневматикалық жасанды бұлшықеттер тоқу құрылымын өзгерту арқылы белсенді тоқыма бұйымдарының әртүрлі формаларын жасау үшін иірілген жіптер ретінде пайдаланылады45.Бұл тәсіл жоғары күштерді қамтамасыз еткенімен, МакКиббен бұлшықетінің табиғатына байланысты оның кеңею жылдамдығы шектеулі (< 50%) және шағын өлшемге қол жеткізу мүмкін емес (диаметрі < 0,9 мм).Сонымен қатар, өткір бұрыштарды қажет ететін тоқу әдістерінен ақылды тоқыма үлгілерін қалыптастыру қиын болды.Ақылды тоқыма бұйымдарының кең ауқымын қалыптастыру үшін Мазиз және т.б.Электроактивті киетін тоқыма бұйымдары электросезімтал полимер жіптерін тоқу және тоқу арқылы жасалған46.
Соңғы жылдары жоғары бұралған, қымбат емес полимерлі талшықтардан жасалған термосезімтал жасанды бұлшықеттің жаңа түрі пайда болды47,48.Бұл талшықтар коммерциялық қол жетімді және қол жетімді ақылды киімдерді шығару үшін тоқыма немесе тоқуға оңай қосылады.Прогресстерге қарамастан, бұл жаңа ыстыққа сезімтал тоқыма бұйымдарының жылыту мен салқындату қажеттілігіне байланысты (мысалы, температурамен басқарылатын тоқыма бұйымдары) немесе қажетті деформациялар мен қозғалыстарды жасау үшін бағдарламаланатын күрделі тоқылған және тоқылған үлгілерді жасау қиындығына байланысты жауап беру уақыттары шектеулі. .Мысалдар мына жерде ұсынатын радиалды кеңейтуді, 2D-ден 3D пішінін өзгертуді немесе екі бағытты кеңейтуді қамтиды.
Жоғарыда аталған мәселелерді шешу үшін бұл мақала жақында енгізілген жұмсақ жасанды бұлшықет талшықтарынан (AMF) жасалған сұйықтықпен басқарылатын жаңа смарт тоқыма ұсынады49,50,51.AMF жоғары икемді, масштабталады және диаметрі 0,8 мм және үлкен ұзындықтарға (кемінде 5000 мм) дейін қысқартылуы мүмкін, бұл жоғары арақатынасты (ұзындықтың диаметрге), сондай-ақ жоғары ұзартуды (кемінде 245%), жоғары энергияны ұсынады. тиімділігі, 20 Гц-тен аз жылдам жауап).Ақылды тоқыма бұйымдарын жасау үшін біз тоқу және тоқу әдістері арқылы 2D белсенді бұлшықет қабаттарын қалыптастыру үшін белсенді иірілген жіп ретінде AMF пайдаланамыз.Біз сұйықтық көлемі мен жеткізілетін қысым тұрғысынан осы «ақылды» тіндердің кеңею жылдамдығы мен жиырылу күшін сандық түрде зерттедік.Трикотаж және тоқылған парақтардың ұзарту күшінің қатынасын анықтау үшін аналитикалық модельдер әзірленді.Сондай-ақ біз мультимодальды қозғалысқа арналған смарт тоқыма бұйымдарына арналған бірнеше механикалық бағдарламалау әдістерін сипаттаймыз, соның ішінде екі бағытты кеңейту, иілу, радиалды кеңейту және 2D-ден 3D-ге өту мүмкіндігі.Тәсіліміздің күштілігін көрсету үшін біз сонымен қатар әртүрлі деформацияларды тудыратын пассивті құрылымдардан белсенді құрылымдарға конфигурациясын өзгерту үшін AMF-ті коммерциялық маталарға немесе тоқыма бұйымдарына біріктіреміз.Сондай-ақ біз бұл тұжырымдаманы бірнеше тәжірибелік сынақ стендтерінде көрсеттік, соның ішінде қажетті әріптерді шығару үшін жіптерді бағдарламаланатын майыстыру және пішінді өзгертетін биологиялық құрылымдарды көбелектер, төртаяқты құрылымдар және гүлдер сияқты нысандардың пішініне айналдыру.
Тоқыма – жіптер, жіптер және талшықтар сияқты өзара тоқылған бір өлшемді жіптерден жасалған икемді екі өлшемді құрылымдар.Тоқыма – адамзаттың ең көне технологияларының бірі және оның жайлылығы, бейімделгіштігі, тыныс алу қабілеті, эстетикасы және қорғанысы арқасында өмірдің барлық салаларында кеңінен қолданылады.Ақылды тоқыма бұйымдары (ақылды киімдер немесе роботтық маталар деп те аталады) роботтық қолданбалардағы үлкен әлеуетінің арқасында зерттеулерде көбірек қолданылуда.20,52.Ақылды тоқыма бұйымдары адамның жұмсақ заттармен әрекеттесу тәжірибесін жақсартуға уәде беріп, нақты тапсырмаларды орындау үшін жұқа, икемді матаның қозғалысы мен күштерін басқаруға болатын өрістегі парадигманың ауысуына әкеледі.Бұл мақалада біз соңғы AMF49 негізінде ақылды тоқыма бұйымдарын өндірудің екі тәсілін зерттейміз: (1) дәстүрлі тоқыма өндірісінің технологияларын пайдалана отырып, ақылды тоқыма бұйымдарын жасау үшін AMF-ті белсенді иірілген жіп ретінде пайдалану;(2) қажетті қозғалысты және деформацияны ынталандыру үшін AMF-ті дәстүрлі матаға тікелей салыңыз.
AMF гидравликалық қуатпен қамтамасыз ету үшін ішкі силикон түтіктен және оның радиалды кеңеюін шектеу үшін сыртқы бұрандалы катушкадан тұрады.Осылайша, AMF қысым түсіргенде бойлық созылады және кейіннен қысым босатылған кезде бастапқы ұзындығына оралу үшін жиырылу күштерін көрсетеді.Олар дәстүрлі талшықтарға ұқсас қасиеттерге ие, соның ішінде икемділік, шағын диаметр және ұзын ұзындық.Дегенмен, AMF әдеттегі әріптестеріне қарағанда қозғалысы мен күші жағынан белсендірек және басқарылады.Ақылды тоқыма бұйымдарындағы соңғы жылдам жетістіктерден шабыттана отырып, біз мұнда бұрыннан қалыптасқан мата өндіру технологиясына AMF қолдану арқылы ақылды тоқыма бұйымдарын шығарудың төрт негізгі әдісін ұсынамыз (1-сурет).
Бірінші әдіс - тоқу.Біз гидравликалық әсер ету кезінде бір бағытта ашылатын реактивті тоқылған матаны алу үшін тоқыма тоқу технологиясын қолданамыз.Тоқылған парақтар өте созылатын және созылатын, бірақ тоқылған парақтарға қарағанда оңай ашылады.Бақылау әдісіне байланысты АМФ жеке қатарларды немесе толық өнімдерді құра алады.Тегіс парақтардан басқа, құбырлы тоқу үлгілері АМФ қуыс құрылымдарын жасау үшін де қолайлы.Екінші әдіс - тоқу, мұнда біз екі бағытта бір-бірінен тәуелсіз кеңейе алатын тікбұрышты тоқылған парақты қалыптастыру үшін екі AMF-ті арқау және өру ретінде қолданамыз.Тоқылған парақтар тоқылған парақтарға қарағанда көбірек бақылауды (екі бағытта да) қамтамасыз етеді.Біз сондай-ақ қарапайым тоқылған парақ жасау үшін дәстүрлі иірілген жіптен AMF тоқтық, оны тек бір бағытта шешуге болады.Үшінші әдіс – радиалды кеңейту – тоқу техникасының нұсқасы, онда АМП тіктөртбұрышта емес, спиральда орналасады, ал жіптер радиалды шектеуді қамтамасыз етеді.Бұл жағдайда шілтер кіріс қысымымен радиалды түрде кеңейеді.Төртінші тәсіл - қажетті бағытта иілу қозғалысын жасау үшін AMF-ті пассивті матаның парағына жабыстыру.Біз пассивті үзіліс тақтасын оның шетінде AMF іске қосу арқылы белсенді үзіліс тақтасына қайта конфигурацияладық.AMF-тің бағдарламаланатын табиғаты биологиялық шабыттандырылған пішінді өзгертетін жұмсақ құрылымдар үшін сансыз мүмкіндіктер ашады, онда біз пассивті нысандарды белсендіге айналдыра аламыз.Бұл әдіс қарапайым, оңай және жылдам, бірақ прототиптің ұзақ қызмет ету мерзімін бұзуы мүмкін.Оқырман әдебиеттегі әрбір ұлпа қасиетінің күшті және әлсіз жақтарын егжей-тегжейлі сипаттайтын басқа тәсілдерге сілтеме жасайды21,33,34,35.
Дәстүрлі маталарды жасау үшін пайдаланылатын жіптердің немесе жіптердің көпшілігінде пассивті құрылымдар бар.Бұл жұмыста біз қолданудың кең ауқымы үшін интеллектуалды және белсенді маталар жасау үшін дәстүрлі пассивті тоқыма жіптерін AFM-мен ауыстыру үшін метр ұзындықтары мен субмиллиметрлік диаметрлерге жете алатын бұрын әзірленген AMF қолданамыз.Келесі бөлімдер смарт тоқыма прототиптерін жасаудың егжей-тегжейлі әдістерін сипаттайды және олардың негізгі функциялары мен әрекеттерін ұсынады.
Біз тоқыма тоқу техникасын қолданып, үш AMF жейдесін қолдан жасадық (2А-сурет).Материалды таңдау және AMF және прототиптерге арналған егжей-тегжейлі сипаттамаларды Әдістер бөлімінде табуға болады.Әрбір AMF симметриялы ілмекті құрайтын орама жолымен (маршрут деп те аталады) жүреді.Әрбір жолдың ілмектері олардың үстінде және астындағы жолдардың ілмектерімен бекітіледі.Курсқа перпендикуляр бір бағанның сақиналары білікке біріктірілген.Біздің тоқылған прототипіміз әр қатардағы жеті тігістің (немесе жеті тігістің) үш қатарынан тұрады.Үстіңгі және астыңғы сақиналар бекітілмеген, сондықтан біз оларды тиісті металл шыбықтарға бекіте аламыз.Кәдімгі иірілген жіптермен салыстырғанда AMF қаттылығының жоғары болуына байланысты тоқылған прототиптер кәдімгі трикотаж маталарына қарағанда оңай шешіледі.Сондықтан біз іргелес жолдардың ілмектерін жұқа серпімді шнурлармен байладық.
Түрлі AMF конфигурацияларымен әртүрлі смарт тоқыма прототиптері жүзеге асырылуда.(A) Үш AMF-тен жасалған тоқылған жайма.(B) Екі АМФ екі жақты тоқылған парақ.(C) AMF және акрил иірілген жіптен жасалған бір бағытты тоқылған парақ 500 г жүкті көтере алады, бұл оның салмағынан 192 есе артық (2,6 г).(D) Бір АМФ және радиалды шектеу ретінде мақта иірімжіптері бар радиалды кеңейетін құрылым.Егжей-тегжейлі сипаттамаларды Әдістер бөлімінде табуға болады.
Трикотаждың ирек ілмектері әртүрлі бағытта созылуы мүмкін болса да, біздің прототипіміз қозғалыс бағытында шектеулерге байланысты қысым астында ілмек бағытында кеңейеді.Әрбір AMF ұзарту тоқылған парақтың жалпы алаңының кеңеюіне ықпал етеді.Арнайы талаптарға байланысты біз үш түрлі сұйықтық көздерінен (2А-сурет) немесе бір уақытта 1-ден 3-ке дейінгі сұйықтық дистрибьюторы арқылы бір сұйықтық көзінен үш AMF-ті басқара аламыз.Суретте.2А тоқылған прототиптің мысалын көрсетеді, оның бастапқы ауданы үш AMP-ге (1,2 МПа) қысым жасау кезінде 35% ұлғайды.Атап айтқанда, AMF өзінің бастапқы ұзындығының кемінде 250% жоғары ұзартуға қол жеткізеді49, сондықтан тоқылған парақтар қазіргі нұсқалардан да көбірек созылуы мүмкін.
Біз сондай-ақ қарапайым тоқу техникасын қолдана отырып, екі AMF-тен жасалған екі жақты тоқу парақтарын жасадық (2В-сурет).AMF иінісі мен өрімі тік бұрышта бір-бірімен өріліп, қарапайым айқаспалы үлгіні құрайды.Біздің прототип тоқыма теңдестірілген қарапайым тоқыма ретінде жіктелді, өйткені тоқыма жіптері де, тоқыма жіптері де бірдей жіп өлшемінен жасалған (толығырақ ақпаратты Әдістер бөлімін қараңыз).Өткір қатпарларды құра алатын қарапайым жіптерден айырмашылығы, қолданылатын AMF тоқу үлгісінің басқа жіпіне оралған кезде белгілі бір иілу радиусын қажет етеді.Сондықтан, AMP-тен жасалған тоқылған парақтар әдеттегі тоқылған тоқыма бұйымдарымен салыстырғанда төмен тығыздыққа ие.AMF типті S (сыртқы диаметрі 1,49 мм) ең аз иілу радиусы 1,5 мм.Мысалы, біз осы мақалада ұсынатын тоқу үлгісінде 7×7 жіп үлгісі бар, онда әрбір қиылысу жұқа серпімді сымның түйінімен тұрақтандырылған.Бірдей тоқу техникасын қолдана отырып, сіз көбірек жіптерді ала аласыз.
Сәйкес AMF сұйықтық қысымын алған кезде, тоқылған парақ өз аймағын өру немесе өру бағытында кеңейтеді.Сондықтан біз екі AMP-ге түсетін кіріс қысымының мөлшерін тәуелсіз өзгерту арқылы тоқылған парақтың өлшемдерін (ұзындығы мен ені) бақылап отырдық.Суретте.2B бір AMP (1,3 МПа) қысымды қолдану кезінде бастапқы аумағының 44% дейін кеңейтілген тоқылған прототипті көрсетеді.Екі АМҚ-ға қысымның бір мезгілде әрекет етуімен аудан 108%-ға өсті.
Біз сондай-ақ тоқылған жіп ретінде тоқыма және акрил жіптері бар бір АМФ-дан бір бағытты тоқылған парақты жасадық (2С-сурет).AMF жеті зигзаг жолында орналасқан және жіптер тікбұрышты мата парағын жасау үшін осы AMF қатарларын біріктіреді.Бүкіл парақты оңай толтыратын жұмсақ акрилді жіптердің арқасында бұл тоқылған прототип 2B-суретке қарағанда тығызырақ болды.Біз бұрылыс ретінде тек бір AMF пайдаланатындықтан, тоқылған парақ тек қысыммен иілуге қарай кеңейе алады.2C суретте қысымның жоғарылауымен (1,3 МПа) бастапқы ауданы 65% ұлғаятын тоқылған прототиптің мысалы көрсетілген.Сонымен қатар, бұл өрілген бөлік (салмағы 2,6 грамм) 500 грамм жүкті көтере алады, бұл оның салмағынан 192 есе көп.
Тікбұрышты тоқылған парақты жасау үшін АМФ-ны зигзаг үлгісінде орналастырудың орнына, біз АМФ-ның жалпақ спираль пішінін жасадық, содан кейін ол дөңгелек тоқылған парақты жасау үшін мақта жіппен радиалды түрде шектелді (2D-сурет).АМФ жоғары қаттылығы оның пластинаның өте орталық аймағын толтыруын шектейді.Дегенмен, бұл төсемді серпімді жіптерден немесе серпімді маталардан жасауға болады.Гидравликалық қысымды алған кезде АМҚ бойлық ұзаруын парақтың радиалды кеңеюіне түрлендіреді.Сондай-ақ, спираль пішінінің сыртқы және ішкі диаметрлері жіптердің радиалды шектелуіне байланысты ұлғайғанын атап өткен жөн.2D суреті 1 МПа гидравликалық қысыммен дөңгелек парақтың пішіні бастапқы ауданының 25% дейін кеңейетінін көрсетеді.
Біз мұнда ақылды тоқыма бұйымдарын жасаудың екінші тәсілін ұсынып отырмыз, онда АМФ-ны матаның жалпақ бөлігіне жабыстырамыз және оны пассивті құрылымнан белсенді басқарылатын құрылымға қайта конфигурациялаймыз.Иілгіш жетектің конструктивтік диаграммасы күріште көрсетілген.3A, мұнда AMP ортасынан төмен бүктеліп, екі жақты таспаны желім ретінде қолданып, созылмайтын мата жолағына (мақта муслин матасы) жабыстырылады.Тығыздағаннан кейін, AMF үстіңгі жағы еркін созылады, ал төменгі бөлігі таспамен және матамен шектеледі, бұл жолақтың матаға қарай иілуіне әкеледі.Біз иілу жетектің кез келген бөлігін оған таспаны жапсыру арқылы кез келген жерде өшіре аламыз.Ажыратылған сегмент қозғала алмайды және пассивті сегментке айналады.
Маталар AMF дәстүрлі маталарға жабыстыру арқылы қайта конфигурацияланады.(A) Бүктелген AMF-ны созылмайтын матаға желімдеу арқылы жасалған иілу жетекке арналған дизайн тұжырымдамасы.(B) Жетек прототипінің майысуы.(C) Төртбұрышты матаны белсенді төрт аяқты роботқа қайта конфигурациялау.Серпімсіз мата: мақтадан жасалған жейде.Созылатын мата: полиэфир.Егжей-тегжейлі сипаттамаларды Әдістер бөлімінде табуға болады.
Біз әртүрлі ұзындықтағы бірнеше прототипті иілу жетектерін жасадық және иілу қозғалысын жасау үшін оларға гидравликалық қысым түсірдік (3В-сурет).Маңыздысы, AMF түзу сызықта орналастырылуы немесе бірнеше жіптерді қалыптастыру үшін бүктелуі мүмкін, содан кейін жіптердің сәйкес саны бар иілу дискісін жасау үшін матаға жабыстырылады.Біз сондай-ақ пассивті тіннің парағын белсенді тетраподтық құрылымға айналдырдық (3С-сурет), мұнда біз тікбұрышты созылмайтын тіннің (мақта муслин матасы) шекараларын бағыттау үшін AMF қолдандық.AMP матаға екі жақты таспаның бөлігімен бекітіледі.Әрбір жиектің ортасы пассивті болу үшін таспамен бекітіледі, ал төрт бұрыш белсенді болып қалады.Созылған матаның үстіңгі қақпағы (полиэстер) қосымша болып табылады.Матаның төрт бұрышы басқан кезде бүгіледі (аяққа ұқсайды).
Біз әзірленген ақылды тоқыма бұйымдарының қасиеттерін сандық зерттеу үшін сынақ стендін жасадық (Әдістер бөлімін және Қосымша S1 суретін қараңыз).Барлық үлгілер АМФ жасалғандықтан, тәжірибе нәтижелерінің жалпы тенденциясы (4-сурет) АМФ негізгі сипаттамаларына сәйкес келеді, атап айтқанда, кіріс қысымы шығыс ұзаруына тура пропорционал және қысу күшіне кері пропорционал.Дегенмен, бұл ақылды маталар олардың нақты конфигурацияларын көрсететін бірегей сипаттамаларға ие.
Ақылды тоқыма конфигурацияларын ұсынады.(A, B) Тоқылған парақтар үшін кіріс қысымы мен шығыс ұзарту және күш үшін гистерезис қисықтары.(C) Тоқылған парақтың ауданын кеңейту.(D,E) Трикотажға арналған кіріс қысымы мен шығыс ұзарту және күш арасындағы байланыс.(F) Радиалды кеңейетін құрылымдардың аумақтарын кеңейту.(G) Иілу жетектерінің үш түрлі ұзындығының иілу бұрыштары.
Тоқылған парақтың әрбір AMF шамамен 30% ұзарту жасау үшін 1 МПа кіріс қысымына ұшырады (Cурет 4А).Бүкіл эксперимент үшін бұл шекті бірнеше себептерге байланысты таңдадық: (1) олардың гистерезис қисық сызықтарын ерекшелеу үшін айтарлықтай ұзаруды жасау (шамамен 30%), (2) кездейсоқ зақымдану немесе сәтсіздікке әкелетін әртүрлі эксперименттер мен қайта пайдалануға болатын прототиптердің циклін болдырмау..жоғары сұйықтық қысымында.Өлі аймақ анық көрінеді, ал тоқыма кіріс қысымы 0,3 МПа жеткенше қозғалыссыз қалады.Қысымның ұзаруы гистерезис графигі айдау және босату фазалары арасындағы үлкен алшақтықты көрсетеді, бұл тоқылған парақ кеңеюден қысқаруға дейін қозғалысын өзгерткен кезде энергияның айтарлықтай жоғалуын көрсетеді.(Cурет 4A).1 МПа кіріс қысымын алғаннан кейін, тоқылған парақ 5,6 Н тарылту күшін көрсете алады (4В-сурет).Қысым күшінің гистерезис графигі сонымен қатар қалпына келтіру қисығының қысымның жоғарылау қисығымен дерлік қабаттасатынын көрсетеді.Тоқылған парақтың аумағының кеңеюі 3D бетінің сызбасында көрсетілгендей екі AMF-тің әрқайсысына түсірілген қысым мөлшеріне байланысты болды (4С-сурет).Сондай-ақ тәжірибелер көрсеткендей, тоқылған парақ оның иілген және өрілген AMF бір мезгілде 1 МПа гидравликалық қысымға ұшыраған кезде аумақты 66% кеңейте алады.
Трикотаж парағы бойынша эксперимент нәтижелері тоқылған жаймаға ұқсас үлгіні көрсетеді, оның ішінде кернеу-қысым диаграммасындағы кең гистерезис саңылауы және қабаттасатын қысым-күш қисығы.Тоқылған парақ 30% ұзаруды көрсетті, содан кейін қысу күші 1 МПа кіріс қысымында 9 Н болды (4D, Е-сурет).
Дөңгелек тоқылған парақ жағдайында оның бастапқы ауданы 1 МПа сұйықтық қысымының әсерінен кейінгі бастапқы ауданымен салыстырғанда 25% өсті (4F-сурет).Үлгі кеңейе бастағанға дейін 0,7 МПа-ға дейінгі үлкен кіріс қысымының өлі аймағы бар.Бұл үлкен өлі аймақ күтілді, өйткені үлгілер бастапқы кернеуді жеңу үшін жоғары қысымды қажет ететін үлкенірек AMF-ден жасалған.Суретте.4F сонымен қатар босату қисығының қысымның жоғарылау қисығымен дерлік сәйкес келетінін көрсетеді, бұл диск қозғалысы ауыстырылған кезде энергияның аз шығынын көрсетеді.
Үш иілу жетектеріне арналған эксперимент нәтижелері (тіндерді қайта конфигурациялау) олардың гистерезис қисықтарының ұқсас үлгіге ие екенін көрсетеді (4G-сурет), мұнда олар көтеру алдында 0,2 МПа дейін кіріс қысымының өлі аймағын сезінеді.Біз бірдей көлемдегі сұйықтықты (0,035 мл) үш иілу жетектеріне (L20, L30 және L50 мм) қолдандық.Дегенмен, әрбір жетек әр түрлі қысым шыңдарын бастан кешірді және әртүрлі иілу бұрыштарын жасады.L20 және L30 мм жетектері тиісінше 167° және 194° иілу бұрыштарына жеткен 0,72 және 0,67 МПа кіріс қысымына ие болды.Ең ұзын иілу жетегі (ұзындығы 50 мм) 0,61 МПа қысымға төтеп берді және 236 ° максималды иілу бұрышына жетті.Қысым бұрышының гистерезис сызбалары сонымен қатар барлық үш иілу жетектері үшін қысым мен босату қисықтары арасындағы салыстырмалы түрде үлкен бос орындарды анықтады.
Жоғарыда келтірілген ақылды тоқыма конфигурациялары үшін кіріс көлемі мен шығыс қасиеттері (ұзару, күш, аумақтың кеңеюі, иілу бұрышы) арасындағы қатынасты S2 қосымша суретінен табуға болады.
Алдыңғы бөлімдегі тәжірибе нәтижелері АМФ үлгілерінің кіріс қысымы мен шығыс ұзаруы арасындағы пропорционалды байланысты анық көрсетеді.АМБ күшейген сайын оның ұзаруы соғұрлым көп болады және соғұрлым серпімді энергия жинақталады.Демек, ол әсер ететін қысу күші соғұрлым көп болады.Нәтижелер сонымен қатар кіріс қысымы толығымен жойылған кезде үлгілердің максималды қысу күшіне жеткенін көрсетті.Бұл бөлім аналитикалық модельдеу және тәжірибелік тексеру арқылы тоқылған және тоқылған парақтардың ұзаруы мен максималды шөгу күші арасындағы тікелей байланысты орнатуға бағытталған.
Бір AMF-тің максималды жиырылу күші Fout (кіру қысымында P = 0) 49-реф.те берілген және келесідей қайта енгізілген:
Олардың ішінде α, E және A0 сәйкесінше созылу коэффициенті, Янг модулі және силикон түтігінің көлденең қимасының ауданы болып табылады;k – спиральды катушканың қаттылық коэффициенті;x және li ығысу және бастапқы ұзындық болып табылады.AMP, тиісінше.
дұрыс теңдеу.(1) Мысал ретінде тоқылған және тоқылған парақтарды алыңыз (Cурет 5A, B).Fkv трикотаж бұйымының және Fwh тоқыма бұйымның жиырылу күштері сәйкесінше (2) және (3) теңдеуімен өрнектеледі.
мұндағы mk – ілмектер саны, φp – бүрку кезіндегі тоқылған матаның ілмек бұрышы (5А-сурет), mh – жіптер саны, θhp – инъекция кезіндегі тоқылған матаның түйісу бұрышы (5В-сурет), εкв. εwh – тоқылған жайма және тоқылған жайманың деформациясы, F0 – спираль орамының бастапқы керілуі.Теңдеудің егжей-тегжейлі шығарылуы.(2) және (3) қосымша ақпараттан табуға болады.
Созылу-күш қатынасының аналитикалық моделін құрыңыз.(A,B) Сәйкесінше тоқылған және тоқылған парақтарға арналған аналитикалық үлгі иллюстрациялары.(C,D) Трикотаж және тоқылған парақтардың аналитикалық үлгілері мен тәжірибелік мәліметтерін салыстыру.RMSE Root орташа квадрат қатесі.
Жасалған үлгіні сынау үшін 2А-суреттегі тоқылған үлгілерді және 2Б-суреттегі өрілген үлгілерді пайдалана отырып, ұзарту тәжірибесін жасадық.Тарту күші 0%-дан 50%-ға дейінгі әрбір құлыпталған кеңейтім үшін 5% қадаммен өлшенді.Бес сынақтың орташа және стандартты ауытқуы 5С (тоқылған) және 5D (тоқылған) суретте берілген.Аналитикалық модельдің қисық сызықтары теңдеулер арқылы сипатталады.Параметрлер (2) және (3) кестеде келтірілген.1. Нәтижелер аналитикалық модельдің трикотаж үшін 0,34 Н, тоқылған AMF H (көлденең бағыт) үшін 0,21 Н және 0,17 Н орташа квадраттық қателікпен (RMSE) барлық ұзарту диапазонындағы тәжірибе деректерімен жақсы сәйкес келетінін көрсетті. тоқылған AMF үшін.V (тік бағыт).
Негізгі қозғалыстардан басқа, ұсынылған ақылды тоқыма бұйымдарын S-иілісі, радиалды жиырылуы және 2D-ден 3D-ге дейінгі деформация сияқты күрделі қозғалыстарды қамтамасыз ету үшін механикалық бағдарламалауға болады.Біз мұнда тегіс смарт тоқыма бұйымдарын қалаған құрылымдарға бағдарламалаудың бірнеше әдістерін ұсынамыз.
Доменді сызықтық бағытта кеңейтуден басқа, бір бағытты тоқылған парақтарды мультимодальды қозғалысты жасау үшін механикалық бағдарламалауға болады (6А-сурет).Біз өрілген парақтың ұзартқышын иілу қозғалысы ретінде қайта конфигурациялаймыз, оның бір бетін (үстіңгі немесе астыңғы) тігін жіпімен шектейміз.Парақтар қысыммен шектейтін бетке қарай иілуге бейім.Суретте.6A жартысы үстіңгі жағынан қысылғанда, ал екінші жартысы астыңғы жағында қысылғанда S-тәрізді болатын тоқылған панельдердің екі мысалын көрсетеді.Сонымен қатар, сіз тек бүкіл бет шектелген дөңгелек иілу қозғалысын жасай аласыз.Бір бағытты өрілген парақты оның екі ұшын құбырлы құрылымға қосу арқылы қысу гильзасына да жасауға болады (6В-сурет).Жең адамның сұқ саусағының үстіне қысуды қамтамасыз ету үшін киіледі, ауырсынуды жеңілдету немесе қан айналымын жақсарту үшін массаж терапиясының түрі.Оны қолдар, жамбастар және аяқтар сияқты дененің басқа бөліктеріне сәйкестендіру үшін масштабтауға болады.
Парақтарды бір бағытта тоқу мүмкіндігі.А) Тігін жіптерінің пішінінің бағдарламалануы есебінен деформацияланатын құрылымдарды құру.(B) Саусақпен қысатын жең.(C) Өрілген парақтың тағы бір нұсқасы және оны білек сығымдау жеңі ретінде жүзеге асыру.(D) AMF типті M, акрил иірілген жіптен және Velcro белдіктерінен жасалған басқа қысқыш жең прототипі.Егжей-тегжейлі сипаттамаларды Әдістер бөлімінде табуға болады.
6С суретінде бір АМФ және мақта иірілген жіптен жасалған бір бағытты тоқылған жайманың тағы бір мысалы көрсетілген.Парақ аумақта 45% (1,2 МПа) кеңеюі немесе қысыммен айналмалы қозғалысты тудыруы мүмкін.Біз сондай-ақ парақтың соңына магниттік белдіктерді бекіту арқылы білек қысу жеңін жасау үшін парақты біріктірдік.Білекті қысу жеңінің тағы бір прототипі 6D-суретте көрсетілген, онда күштірек қысу күштерін жасау үшін M типті AMF (Әдістерді қараңыз) және акрил иірілген жіптерден бір бағытты өрілген парақтар жасалған.Біз парақтардың ұштарын оңай бекіту және әртүрлі қол өлшемдері үшін Velcro белдіктермен жабдықтадық.
Сызықтық ұзаруды иілу қозғалысына айналдыратын шектеу техникасы екі жақты тоқылған парақтарға да қолданылады.Мақта жіптерін тоқыма жіптердің бір жағына тоқып, тоқылған жаймаларды кеңеймейтіндей етіп тоқамыз (7А-сурет).Осылайша, екі АМҚ бір-бірінен тәуелсіз гидравликалық қысымды алған кезде, парақ ерікті үш өлшемді құрылымды қалыптастыру үшін екі жақты иілу қозғалысына ұшырайды.Басқа тәсілде біз екі жақты тоқылған парақтардың бір бағытын шектеу үшін созылмайтын жіптерді қолданамыз (7В-сурет).Осылайша, парақ сәйкес AMF қысым астында болған кезде тәуелсіз иілу және созылу қозғалыстарын жасай алады.Суретте.7B адам саусағының үштен екі бөлігін иілу қозғалысымен орап, қалған бөлігін созу қозғалысымен жабу үшін ұзындығын ұзарту үшін екі жақты өрілген парақ басқарылатын мысалды көрсетеді.Парақтардың екі жақты қозғалысы сән дизайны немесе ақылды киімді әзірлеу үшін пайдалы болуы мүмкін.
Екі жақты тоқылған парақ, тоқылған парақ және радиалды кеңейтілетін дизайн мүмкіндіктері.(A) Екі жақты иілу жасау үшін екі жақты байланыстырылған екі жақты өрілген панельдер.(B) Бір бағытты шектелген екі жақты өрілген панельдер иілу мен ұзартуды тудырады.(C) Түрлі беткі қисықтыққа сәйкес келетін және тіпті құбырлы құрылымдарды құра алатын жоғары серпімді тоқылған жайма.(D) гиперболалық параболалық пішінді (картоп чипсы) құрайтын радиалды кеңейетін құрылымның ортаңғы сызығын шектеу.
Тоқылған бөліктің жоғарғы және төменгі қатарларының екі іргелес ілмегін тігіс жіпімен ол шешілмейтіндей етіп байланыстырдық (7С-сурет).Осылайша, тоқылған парақ толығымен икемді және адамның қолдары мен қолдарының тері беті сияқты әртүрлі беткі қисықтарға жақсы бейімделеді.Сондай-ақ біз тоқылған бөліктің ұштарын қозғалыс бағытына байланыстыру арқылы құбырлы құрылымды (жеңді) жасадық.Жең адамның сұқ саусағына жақсы оралады (7С-сурет).Тоқылған матаның иілгіштігі тамаша қонымды және деформациялануын қамтамасыз етеді, бұл оны ақылды киімде (қолғаптар, қысқыш жеңдер) пайдалануды жеңілдетеді, жайлылықты (қию арқылы) және емдік әсерді (сығу арқылы) қамтамасыз етеді.
Бірнеше бағыттағы 2D радиалды кеңеюден басқа, дөңгелек тоқылған парақтарды да 3D құрылымдарын қалыптастыру үшін бағдарламалауға болады.Оның біркелкі радиалды кеңеюін бұзу үшін біз дөңгелек тоқудың орталық сызығын акрил иірілген жіппен шектедік.Нәтижесінде дөңгелек тоқылған жайманың бастапқы жалпақ пішіні қысымнан кейін гиперболалық параболалық пішінге (немесе картоп чиптеріне) айналды (сурет 7D).Бұл пішінді өзгерту мүмкіндігін көтеру механизмі, оптикалық линза, мобильді робот аяқтары ретінде іске асыруға болады немесе сән дизайнында және бионикалық роботтарда пайдалы болуы мүмкін.
Біз созылмайтын мата жолағына AMF желімдеу арқылы иілу жетектерін жасаудың қарапайым техникасын әзірледік (3-сурет).Біз бұл тұжырымдаманы пішінді бағдарламаланатын ағындарды жасау үшін пайдаланамыз, онда біз қалаған пішіндерді жасау үшін бір AMF-те бірнеше белсенді және пассивті бөлімдерді стратегиялық түрде тарата аламыз.Біз қысым жоғарылаған сайын пішінін түзуден әріпке (UNSW) өзгерте алатын төрт белсенді жіптерді жасап, бағдарламаладық (Қосымша S4 сурет).Бұл қарапайым әдіс АМФ деформациялану қабілетіне 1D сызықтарын 2D пішініне және, мүмкін, тіпті 3D құрылымдарына айналдыруға мүмкіндік береді.
Ұқсас тәсілде біз пассивті қалыпты тіннің бір бөлігін белсенді тетраподқа қайта конфигурациялау үшін бір AMF қолдандық (8А-сурет).Маршруттау және бағдарламалау концепциялары 3С-суретте көрсетілгендерге ұқсас.Дегенмен, төртбұрышты жаймалардың орнына төртбұрышты өрнекті маталарды (тасбақа, мақта муслин) пайдалана бастады.Сондықтан аяқтар ұзағырақ және құрылымды жоғары көтеруге болады.Құрылымның биіктігі оның аяқтары жерге перпендикуляр болғанша қысыммен бірте-бірте артады.Егер кіріс қысымы көтеріле берсе, аяқтар ішке қарай салбырап, құрылымның биіктігін төмендетеді.Тетраподтар, егер олардың аяқтары бір бағытты үлгілермен жабдықталған болса немесе қозғалыс манипуляциясы стратегиялары бар бірнеше AMF қолданса, қозғалысты орындай алады.Жұмсақ қозғалатын роботтар орман өртінен, құлаған ғимараттардан немесе қауіпті ортадан құтқару және медициналық дәрі-дәрмек жеткізуші роботтарды қоса алғанда, әртүрлі тапсырмалар үшін қажет.
Мата пішінді ауыстыратын құрылымдар жасау үшін қайта конфигурацияланады.(A) AMF-ті басқарылатын төрт аяқты құрылымға айналдырып, пассивті мата парағының шекарасына жабыстырыңыз.(BD) Тіндерді қайта конфигурациялаудың тағы екі мысалы, пассивті көбелектер мен гүлдерді белсендіге айналдырады.Созылмайтын мата: кәдімгі мақта муслин.
Біз сондай-ақ пішінді өзгерту үшін екі қосымша биошабытталған құрылымды енгізу арқылы тіндерді қайта конфигурациялау техникасының қарапайымдылығы мен әмбебаптығын пайдаланамыз (8B-D суреттері).Бағытталған AMF көмегімен бұл пішінді деформацияланатын құрылымдар пассивті тіндердің парақтарынан белсенді және басқарылатын құрылымдарға дейін қайта конфигурацияланады.Монарх көбелегінен шабыттана отырып, біз көбелек тәрізді матаның (мақта муслин) және қанаттарының астына жабыстырылған AMF ұзын бөлігін пайдаланып, өзгеретін көбелек құрылымын жасадық.AMF қысым астында болған кезде қанаттар бүктеледі.Монарх көбелек сияқты, көбелек роботының сол және оң қанаттары бірдей соғады, өйткені олардың екеуі де AMF арқылы басқарылады.Көбелек қақпақтары тек көрсету мақсаттарына арналған.Ол Smart Bird (Festo Corp., АҚШ) сияқты ұша алмайды.Біз сондай-ақ әрқайсысы бес жапырақшадан тұратын екі қабаттан тұратын мата гүлін (8D-сурет) жасадық.Біз жапырақшалардың сыртқы жиегінен кейін әр қабаттың астына AMF орналастырдық.Бастапқыда гүлдер толық гүлдейді, барлық жапырақтары толығымен ашылады.Қысым астында AMF жапырақшалардың иілу қозғалысын тудырады, бұл олардың жабылуына әкеледі.Екі AMF екі қабаттың қозғалысын тәуелсіз басқарады, ал бір қабаттың бес жапырақшасы бір уақытта иіледі.
Жіберу уақыты: 26 желтоқсан 2022 ж