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Combiner textiles et muscles artificiels pour créer des textiles intelligents suscite beaucoup d’attention de la part des communautés scientifiques et industrielles.Les textiles intelligents offrent de nombreux avantages, notamment un confort adaptatif et un haut degré de conformité aux objets tout en fournissant un actionnement actif pour le mouvement et la force souhaités.Cet article présente une nouvelle classe de tissus intelligents programmables fabriqués à l'aide de diverses méthodes de tissage, de tissage et de collage de fibres musculaires artificielles entraînées par des fluides.Un modèle mathématique a été développé pour décrire le rapport de la force d'allongement des feuilles textiles tricotées et tissées, puis sa validité a été testée expérimentalement.Le nouveau textile « intelligent » présente une flexibilité, une conformité et une programmation mécanique élevées, permettant des capacités de mouvement et de déformation multimodales pour une gamme plus large d'applications.Divers prototypes de textiles intelligents ont été créés grâce à une vérification expérimentale, notamment divers cas de changement de forme tels que l'allongement (jusqu'à 65 %), l'expansion de surface (108 %), l'expansion radiale (25 %) et le mouvement de flexion.Le concept de reconfiguration de tissus traditionnels passifs en structures actives pour des structures de mise en forme biomimétiques est également exploré.Les textiles intelligents proposés devraient faciliter le développement de dispositifs portables intelligents, de systèmes haptiques, de robots mous biomimétiques et d'électronique portable.
Les robots rigides sont efficaces lorsqu’ils travaillent dans des environnements structurés, mais ont des problèmes avec le contexte inconnu des environnements changeants, ce qui limite leur utilisation en recherche ou en exploration.La nature continue de nous surprendre avec de nombreuses stratégies inventives pour faire face aux facteurs externes et à la diversité.Par exemple, les vrilles des plantes grimpantes effectuent des mouvements multimodaux, comme se pencher et tourner en spirale, pour explorer un environnement inconnu à la recherche d’un support adapté1.Le piège à mouches de Vénus (Dionaea muscipula) a des poils sensibles sur ses feuilles qui, lorsqu'ils sont déclenchés, se mettent en place pour attraper des proies2.Ces dernières années, la déformation ou la déformation des corps de surfaces bidimensionnelles (2D) vers des formes tridimensionnelles (3D) imitant des structures biologiques est devenue un sujet de recherche intéressant3,4.Ces configurations robotiques souples changent de forme pour s'adapter aux environnements changeants, permettent une locomotion multimodale et appliquent des forces pour effectuer un travail mécanique.Leur portée s’est étendue à un large éventail d’applications robotiques, notamment les robots déployables5, reconfigurables et auto-repliables6,7, les dispositifs biomédicaux8, les véhicules9,10 et l’électronique extensible11.
De nombreuses recherches ont été menées pour développer des plaques plates programmables qui, lorsqu'elles sont activées, se transforment en structures tridimensionnelles complexes3.Une idée simple pour créer des structures déformables consiste à combiner des couches de différents matériaux qui fléchissent et se plissent lorsqu’ils sont exposés à des stimuli12,13.Janbaz et coll.14 et Li et al.15 ont mis en œuvre ce concept pour créer des robots déformables multimodaux sensibles à la chaleur.Des structures basées sur l'origami incorporant des éléments sensibles aux stimuli ont été utilisées pour créer des structures tridimensionnelles complexes16,17,18.Inspirés par la morphogenèse des structures biologiques, Emmanuel et al.Les élastomères déformables sont créés en organisant des canaux d'air au sein d'une surface en caoutchouc qui, sous pression, se transforment en formes tridimensionnelles complexes et arbitraires.
L’intégration de textiles ou de tissus dans des robots souples déformables est un autre nouveau concept qui a suscité un large intérêt.Les textiles sont des matériaux doux et élastiques fabriqués à partir de fils selon des techniques de tissage telles que le tricot, le tissage, le tressage ou le tissage de nœuds.Les propriétés étonnantes des tissus, notamment la flexibilité, l’ajustement, l’élasticité et la respirabilité, les rendent très populaires dans tous les domaines, depuis l’habillement jusqu’aux applications médicales20.Il existe trois grandes approches pour intégrer les textiles dans la robotique21.La première approche consiste à utiliser le textile comme support passif ou comme base pour d’autres composants.Dans ce cas, les textiles passifs offrent un ajustement confortable à l'utilisateur lors du transport de composants rigides (moteurs, capteurs, alimentation).La plupart des robots portables souples ou des exosquelettes souples relèvent de cette approche.Par exemple, des exosquelettes portables souples pour les aides à la marche 22 et les coudes 23, 24, 25, des gants portables souples 26 pour les aides aux mains et aux doigts, et des robots souples bioniques 27.
La deuxième approche consiste à utiliser les textiles comme composants passifs et limités de dispositifs robotiques souples.Les actionneurs à base de textile entrent dans cette catégorie, où le tissu est généralement construit comme un conteneur externe pour contenir le tuyau ou la chambre interne, formant un actionneur renforcé de fibres souples.Lorsqu'ils sont soumis à une source pneumatique ou hydraulique externe, ces actionneurs souples subissent des changements de forme, notamment un allongement, une flexion ou une torsion, en fonction de leur composition et configuration d'origine.Par exemple, Talman et coll.Des vêtements orthopédiques à la cheville, constitués d'une série de poches en tissu, ont été introduits pour faciliter la flexion plantaire afin de restaurer la démarche28.Des couches textiles ayant différentes extensibilités peuvent être combinées pour créer un mouvement anisotrope 29 .OmniSkins – des peaux robotiques souples fabriquées à partir d'une variété d'actionneurs souples et de matériaux de substrat peuvent transformer des objets passifs en robots actifs multifonctionnels capables d'effectuer des mouvements et des déformations multimodaux pour diverses applications.Zhu et coll.ont développé une feuille musculaire de tissu liquide31 qui peut générer des mouvements d'allongement, de flexion et de déformation divers.Buckner et coll.Intégrez des fibres fonctionnelles dans des tissus conventionnels pour créer des tissus robotiques dotés de multiples fonctions telles que l'actionnement, la détection et la rigidité variable32.D'autres méthodes de cette catégorie peuvent être trouvées dans ces articles 21, 33, 34, 35.
Une approche récente pour exploiter les propriétés supérieures des textiles dans le domaine de la robotique douce consiste à utiliser des filaments réactifs ou sensibles aux stimuli pour créer des textiles intelligents en utilisant des méthodes de fabrication textile traditionnelles telles que les méthodes de tissage, de tricot et de tissage21,36,37.Selon la composition du matériau, le fil réactif provoque un changement de forme lorsqu'il est soumis à une action électrique, thermique ou de pression, ce qui entraîne une déformation du tissu.Dans cette approche, où les textiles traditionnels sont intégrés dans un système robotique souple, le remodelage du textile se produit sur la couche interne (fil) plutôt que sur la couche externe.Ainsi, les textiles intelligents offrent une excellente maniabilité en termes de mouvement multimodal, de déformation programmable, d’extensibilité et de possibilité d’ajuster la rigidité.Par exemple, les alliages à mémoire de forme (SMA) et les polymères à mémoire de forme (SMP) peuvent être incorporés dans les tissus pour contrôler activement leur forme grâce à une stimulation thermique, comme l'ourlet38, l'élimination des plis36,39, le retour tactile et tactile40,41, ainsi que l'adaptation. vêtements portables.appareils 42 .Cependant, l’utilisation de l’énergie thermique pour le chauffage et le refroidissement entraîne une réponse lente et un refroidissement et un contrôle difficiles.Plus récemment, Hiramitsu et al.Les muscles fins de McKibben43,44, muscles artificiels pneumatiques, sont utilisés comme fils de chaîne pour créer diverses formes de textiles actifs en modifiant la structure du tissage45.Bien que cette approche fournisse des forces élevées, du fait de la nature du muscle de McKibben, son taux d'expansion est limité (< 50 %) et une petite taille ne peut être obtenue (diamètre < 0,9 mm).En outre, il est difficile de créer des modèles textiles intelligents à partir de méthodes de tissage nécessitant des angles vifs.Pour former une gamme plus large de textiles intelligents, Maziz et al.Des textiles portables électroactifs ont été développés en tricotant et en tissant des fils polymères électrosensibles46.
Ces dernières années, un nouveau type de muscle artificiel thermosensible est apparu, construit à partir de fibres polymères hautement torsadées et peu coûteuses47,48.Ces fibres sont disponibles dans le commerce et s’intègrent facilement au tissage ou au tissage pour produire des vêtements intelligents à un prix abordable.Malgré les progrès, ces nouveaux textiles sensibles à la chaleur ont des temps de réponse limités en raison de la nécessité de chauffer et de refroidir (par exemple les textiles à température contrôlée) ou de la difficulté de réaliser des motifs tricotés et tissés complexes pouvant être programmés pour générer les déformations et mouvements souhaités. .Les exemples incluent l'expansion radiale, la transformation de forme 2D en 3D ou l'expansion bidirectionnelle, que nous proposons ici.
Pour surmonter ces problèmes susmentionnés, cet article présente un nouveau textile intelligent à fluide fabriqué à partir de nos fibres musculaires artificielles douces (AMF) récemment introduites49,50,51.Les AMF sont très flexibles, évolutifs et peuvent être réduits à un diamètre de 0,8 mm et à de grandes longueurs (au moins 5 000 mm), offrant un rapport d'aspect élevé (longueur sur diamètre) ainsi qu'un allongement élevé (au moins 245 %), une énergie élevée. efficacité, réponse rapide inférieure à 20 Hz).Pour créer des textiles intelligents, nous utilisons l'AMF comme fil actif pour former des couches musculaires actives 2D grâce à des techniques de tricot et de tissage.Nous avons étudié quantitativement le taux d’expansion et la force de contraction de ces tissus « intelligents » en termes de volume de fluide et de pression délivrée.Des modèles analytiques ont été développés pour établir la relation de force d'allongement pour les feuilles tricotées et tissées.Nous décrivons également plusieurs techniques de programmation mécanique pour les textiles intelligents pour le mouvement multimodal, notamment l'extension bidirectionnelle, la flexion, l'expansion radiale et la possibilité de passer de la 2D à la 3D.Pour démontrer la force de notre approche, nous intégrerons également l'AMF dans des tissus ou textiles commerciaux pour changer leur configuration de structures passives à des structures actives qui provoquent diverses déformations.Nous avons également démontré ce concept sur plusieurs bancs d'essais expérimentaux, notamment le pliage programmable de fils pour produire les lettres souhaitées et la transformation de structures biologiques en forme d'objets tels que des papillons, des structures quadrupèdes et des fleurs.
Les textiles sont des structures bidimensionnelles flexibles formées de fils unidimensionnels entrelacés tels que des fils, des fils et des fibres.Le textile est l'une des technologies les plus anciennes de l'humanité et est largement utilisé dans tous les aspects de la vie en raison de son confort, de son adaptabilité, de sa respirabilité, de son esthétique et de sa protection.Les textiles intelligents (également appelés vêtements intelligents ou tissus robotiques) sont de plus en plus utilisés dans la recherche en raison de leur grand potentiel dans les applications robotiques20,52.Les textiles intelligents promettent d'améliorer l'expérience humaine d'interaction avec des objets mous, ouvrant la voie à un changement de paradigme dans le domaine où le mouvement et les forces d'un tissu fin et flexible peuvent être contrôlés pour effectuer des tâches spécifiques.Dans cet article, nous explorons deux approches de production de textiles intelligents basées sur notre récent AMF49 : (1) utiliser l'AMF comme fil actif pour créer des textiles intelligents en utilisant les technologies de fabrication textile traditionnelles ;(2) insérer l'AMF directement dans les tissus traditionnels pour stimuler le mouvement et la déformation souhaités.
L'AMF est constitué d'un tube interne en silicone pour fournir la puissance hydraulique et d'une bobine hélicoïdale externe pour limiter son expansion radiale.Ainsi, les AMF s’allongent longitudinalement lorsqu’une pression est appliquée et présentent ensuite des forces contractiles pour revenir à leur longueur d’origine lorsque la pression est relâchée.Elles ont des propriétés similaires aux fibres traditionnelles, notamment flexibilité, petit diamètre et grande longueur.Cependant, l’AMF est plus active et contrôlée en termes de mouvement et de force que ses homologues conventionnels.Inspirés par les récents progrès rapides dans le domaine des textiles intelligents, nous présentons ici quatre approches majeures pour produire des textiles intelligents en appliquant l'AMF à une technologie de fabrication de tissus établie de longue date (Figure 1).
La première façon est le tissage.Nous utilisons la technologie du tricotage trame pour produire un tricot réactif qui se déplie dans une direction lorsqu'il est actionné hydrauliquement.Les draps tricotés sont très extensibles et extensibles mais ont tendance à se défaire plus facilement que les draps tissés.Selon la méthode de contrôle, AMF peut former des lignes individuelles ou des produits complets.Outre les tôles plates, les patrons de tricotage tubulaires conviennent également à la fabrication de structures creuses AMF.La deuxième méthode est le tissage, où nous utilisons deux AMF comme chaîne et trame pour former une feuille tissée rectangulaire qui peut se dilater indépendamment dans deux directions.Les draps tissés offrent plus de contrôle (dans les deux sens) que les draps tricotés.Nous avons également tissé l'AMF à partir de fils traditionnels pour créer une feuille tissée plus simple qui ne peut être déroulée que dans une seule direction.La troisième méthode – l’expansion radiale – est une variante de la technique de tissage, dans laquelle les AMP ne sont pas disposés en rectangle, mais en spirale, et les fils assurent une contrainte radiale.Dans ce cas, la tresse se dilate radialement sous la pression d'entrée.Une quatrième approche consiste à coller l’AMF sur une feuille de tissu passif pour créer un mouvement de flexion dans la direction souhaitée.Nous avons reconfiguré le breakout board passif en un breakout board actif en faisant passer l'AMF autour de son bord.Cette nature programmable de l'AMF ouvre d'innombrables possibilités pour des structures souples bio-inspirées qui transforment la forme, où nous pouvons transformer des objets passifs en objets actifs.Cette méthode est simple, facile et rapide, mais peut compromettre la longévité du prototype.Le lecteur est renvoyé à d'autres approches dans la littérature qui détaillent les forces et les faiblesses de chaque propriété tissulaire21,33,34,35.
La plupart des fils ou fils utilisés pour fabriquer des tissus traditionnels contiennent des structures passives.Dans ce travail, nous utilisons notre AMF précédemment développé, qui peut atteindre des longueurs métriques et des diamètres submillimétriques, pour remplacer les fils textiles passifs traditionnels par l'AFM afin de créer des tissus intelligents et actifs pour une gamme plus large d'applications.Les sections suivantes décrivent les méthodes détaillées pour réaliser des prototypes textiles intelligents et présentent leurs principales fonctions et comportements.
Nous avons fabriqué à la main trois maillots AMF en utilisant la technique du tricot trame (Fig. 2A).La sélection des matériaux et les spécifications détaillées des AMF et des prototypes sont disponibles dans la section Méthodes.Chaque AMF suit un chemin sinueux (également appelé itinéraire) qui forme une boucle symétrique.Les boucles de chaque rangée sont fixées avec les boucles des rangées au-dessus et en dessous d'elles.Les anneaux d'une colonne perpendiculaire au parcours sont combinés en un puits.Notre prototype tricoté se compose de trois rangées de sept mailles (ou sept mailles) dans chaque rangée.Les anneaux supérieur et inférieur ne sont pas fixes, nous pouvons donc les attacher aux tiges métalliques correspondantes.Les prototypes tricotés se défont plus facilement que les tissus tricotés conventionnels en raison de la rigidité plus élevée de l'AMF par rapport aux fils conventionnels.Par conséquent, nous avons attaché les boucles des rangées adjacentes avec de fins cordons élastiques.
Divers prototypes de textiles intelligents sont en cours de mise en œuvre avec différentes configurations AMF.(A) Feuille tricotée fabriquée à partir de trois AMF.(B) Feuille tissée bidirectionnelle de deux AMF.(C) Une feuille tissée unidirectionnelle fabriquée à partir d'AMF et de fil acrylique peut supporter une charge de 500 g, soit 192 fois son poids (2,6 g).(D) Structure à expansion radiale avec un AMF et du fil de coton comme contrainte radiale.Les spécifications détaillées peuvent être trouvées dans la section Méthodes.
Bien que les boucles en zigzag d'un tricot puissent s'étirer dans différentes directions, notre prototype de tricot se dilate principalement dans la direction de la boucle sous pression en raison des limitations du sens de déplacement.L'allongement de chaque AMF contribue à l'expansion de la surface totale de la feuille tricotée.En fonction des exigences spécifiques, nous pouvons contrôler trois AMF indépendamment de trois sources de fluide différentes (Figure 2A) ou simultanément à partir d'une source de fluide via un distributeur de fluide 1 à 3.Sur la fig.La figure 2A montre un exemple de prototype tricoté dont la surface initiale a augmenté de 35 % en appliquant une pression sur trois AMP (1,2 MPa).Notamment, l'AMF atteint un allongement élevé d'au moins 250 % de sa longueur d'origine49, de sorte que les draps tricotés peuvent s'étirer encore plus que les versions actuelles.
Nous avons également créé des feuilles d’armure bidirectionnelles formées de deux AMF en utilisant la technique d’armure toile (Figure 2B).La chaîne et la trame de l'AMF sont entrelacées à angle droit, formant un simple motif entrecroisé.Notre prototype de tissage a été classé comme armure toile équilibrée car les fils de chaîne et de trame étaient fabriqués à partir de la même taille de fil (voir la section Méthodes pour plus de détails).Contrairement aux fils ordinaires qui peuvent former des plis nets, l'AMF appliqué nécessite un certain rayon de courbure lors du retour à un autre fil du motif de tissage.Par conséquent, les feuilles tissées en AMP ont une densité inférieure à celle des textiles tissés conventionnels.Le type AMF S (diamètre extérieur 1,49 mm) a un rayon de courbure minimum de 1,5 mm.Par exemple, le prototype de tissage que nous présentons dans cet article présente un motif de fils 7×7 où chaque intersection est stabilisée par un nœud de cordon élastique fin.En utilisant la même technique de tissage, vous pouvez obtenir plus de brins.
Lorsque l'AMF correspondant reçoit une pression de fluide, la feuille tissée agrandit sa surface dans le sens chaîne ou trame.Par conséquent, nous avons contrôlé les dimensions de la feuille tressée (longueur et largeur) en modifiant indépendamment la quantité de pression d'entrée appliquée aux deux AMP.Sur la fig.2B montre un prototype tissé qui s'est étendu jusqu'à 44 % de sa surface d'origine tout en appliquant une pression sur un AMP (1,3 MPa).Avec l'action simultanée de pressions sur deux AMF, la superficie a augmenté de 108%.
Nous avons également fabriqué une feuille tissée unidirectionnelle à partir d’un seul AMF avec des fils de chaîne et acryliques comme trame (Figure 2C).Les AMF sont disposés en sept rangées en zigzag et les fils tissent ces rangées d'AMF ensemble pour former une feuille de tissu rectangulaire.Ce prototype tissé était plus dense que sur la figure 2B, grâce à des fils acryliques souples qui remplissaient facilement toute la feuille.Comme nous n’utilisons qu’un seul AMF comme chaîne, la feuille tissée ne peut s’étendre vers la chaîne que sous pression.La figure 2C montre un exemple de prototype tissé dont la surface initiale augmente de 65 % avec l'augmentation de la pression (1,3 MPa).De plus, cette pièce tressée (pesant 2,6 grammes) peut soulever une charge de 500 grammes, soit 192 fois sa masse.
Au lieu de disposer l’AMF en zigzag pour créer une feuille tissée rectangulaire, nous avons fabriqué une forme en spirale plate de l’AMF, qui a ensuite été contrainte radialement avec du fil de coton pour créer une feuille tissée ronde (Figure 2D).La grande rigidité de l'AMF limite son remplissage de la région très centrale de la plaque.Toutefois, ce rembourrage peut être réalisé à partir de fils élastiques ou de tissus élastiques.Lorsqu'il reçoit une pression hydraulique, l'AMP convertit son allongement longitudinal en une expansion radiale de la tôle.Il convient également de noter que les diamètres extérieur et intérieur de la forme en spirale sont augmentés en raison de la limitation radiale des filaments.La figure 2D montre qu'avec une pression hydraulique appliquée de 1 MPa, la forme d'une feuille ronde s'étend jusqu'à 25 % de sa surface d'origine.
Nous présentons ici une deuxième approche de fabrication de textiles intelligents où nous collons un AMF sur un morceau de tissu plat et le reconfigurons d'une structure passive à une structure contrôlée activement.Le schéma de conception de l'entraînement de pliage est illustré à la fig.3A, où l'AMP est replié au milieu et collé sur une bande de tissu inextensible (tissu en mousseline de coton) en utilisant du ruban adhésif double face comme adhésif.Une fois scellé, le haut de l'AMF est libre de s'étendre, tandis que le bas est limité par le ruban et le tissu, provoquant la courbure de la bande vers le tissu.Nous pouvons désactiver n’importe quelle partie de l’actionneur de courbure n’importe où en collant simplement une bande de ruban adhésif dessus.Un segment désactivé ne peut pas bouger et devient un segment passif.
Les tissus sont reconfigurés en collant de l'AMF sur des tissus traditionnels.(A) Concept de conception pour un entraînement de flexion réalisé en collant un AMF plié sur un tissu inextensible.(B) Pliage du prototype de l’actionneur.(C) Reconfiguration d’un tissu rectangulaire en un robot actif à quatre pattes.Tissu inélastique : jersey de coton.Tissu extensible : polyester.Les spécifications détaillées peuvent être trouvées dans la section Méthodes.
Nous avons fabriqué plusieurs prototypes d'actionneurs de flexion de différentes longueurs et les avons mis sous pression hydraulique pour créer un mouvement de flexion (Figure 3B).Il est important de noter que l'AMF peut être disposé en ligne droite ou plié pour former plusieurs fils, puis collé au tissu pour créer un entraînement de flexion avec le nombre approprié de fils.Nous avons également converti la feuille de tissu passive en une structure tétrapode active (Figure 3C), où nous avons utilisé l’AMF pour acheminer les bordures d’un tissu rectangulaire inextensible (tissu en mousseline de coton).L'AMP est fixé au tissu avec un morceau de ruban adhésif double face.Le milieu de chaque bord est scotché pour devenir passif, tandis que les quatre coins restent actifs.La housse supérieure en tissu extensible (polyester) est facultative.Les quatre coins du tissu se plient (ressemble à des jambes) lorsqu'ils sont pressés.
Nous avons construit un banc de test pour étudier quantitativement les propriétés des textiles intelligents développés (voir la section Méthodes et la Figure supplémentaire S1).Tous les échantillons étant constitués d'AMF, la tendance générale des résultats expérimentaux (Fig. 4) est cohérente avec les principales caractéristiques de l'AMF, à savoir que la pression d'entrée est directement proportionnelle à l'allongement de sortie et inversement proportionnelle à la force de compression.Cependant, ces tissus intelligents présentent des caractéristiques uniques qui reflètent leurs configurations spécifiques.
Présente des configurations textiles intelligentes.(A, B) Courbes d’hystérésis pour la pression d’entrée et l’allongement et la force de sortie pour les feuilles tissées.(C) Expansion de la surface de la feuille tissée.(D,E) Relation entre la pression d’entrée et l’allongement et la force de sortie pour les tricots.(F) Expansion de zone de structures à expansion radiale.(G) Angles de pliage de trois longueurs différentes d’entraînements de pliage.
Chaque AMF de la feuille tissée a été soumise à une pression d'entrée de 1 MPa pour générer environ 30 % d'allongement (figure 4A).Nous avons choisi ce seuil pour l'ensemble de l'expérience pour plusieurs raisons : (1) créer un allongement significatif (environ 30 %) afin de souligner leurs courbes d'hystérésis, (2) empêcher le cyclage de différentes expériences et prototypes réutilisables entraînant des dommages accidentels ou une défaillance..sous une pression de fluide élevée.La zone morte est bien visible et la tresse reste immobile jusqu'à ce que la pression d'entrée atteigne 0,3 MPa.Le tracé de l'hystérésis d'allongement sous pression montre un écart important entre les phases de pompage et de libération, indiquant qu'il y a une perte d'énergie significative lorsque la feuille tissée change son mouvement de l'expansion à la contraction.(Fig. 4A).Après avoir obtenu une pression d'entrée de 1 MPa, la feuille tissée pourrait exercer une force de contraction de 5,6 N (Fig. 4B).Le tracé de l'hystérésis pression-force montre également que la courbe de réinitialisation chevauche presque la courbe d'accumulation de pression.L’expansion de la zone de la feuille tissée dépendait de la quantité de pression appliquée à chacun des deux AMF, comme le montre le tracé de surface 3D (figure 4C).Des expériences montrent également qu'une feuille tissée peut produire une expansion de surface de 66 % lorsque ses AMF chaîne et trame sont simultanément soumis à une pression hydraulique de 1 MPa.
Les résultats expérimentaux pour la feuille tricotée montrent un motif similaire à celui de la feuille tissée, comprenant un large espace d'hystérésis dans le diagramme tension-pression et des courbes pression-force qui se chevauchent.La feuille tricotée présentait un allongement de 30 %, après quoi la force de compression était de 9 N à une pression d'entrée de 1 MPa (Fig. 4D, E).
Dans le cas d'une feuille tissée ronde, sa surface initiale a augmenté de 25 % par rapport à la surface initiale après exposition à une pression liquide de 1 MPa (Fig. 4F).Avant que l'échantillon ne commence à se dilater, il existe une grande zone morte de pression d'entrée pouvant atteindre 0,7 MPa.Cette grande zone morte était attendue car les échantillons étaient constitués d’AMF plus grands qui nécessitaient des pressions plus élevées pour surmonter leur contrainte initiale.Sur la fig.La figure 4F montre également que la courbe de libération coïncide presque avec la courbe d'augmentation de pression, indiquant une faible perte d'énergie lorsque le mouvement du disque est commuté.
Les résultats expérimentaux pour les trois actionneurs de flexion (reconfiguration des tissus) montrent que leurs courbes d'hystérésis ont un modèle similaire (Figure 4G), où ils subissent une zone morte de pression d'entrée allant jusqu'à 0,2 MPa avant de se soulever.Nous avons appliqué le même volume de liquide (0,035 ml) sur trois disques de pliage (L20, L30 et L50 mm).Cependant, chaque actionneur a subi des pics de pression différents et a développé des angles de courbure différents.Les actionneurs L20 et L30 mm ont subi une pression d'entrée de 0,72 et 0,67 MPa, atteignant des angles de courbure de 167° et 194° respectivement.L'entraînement de pliage le plus long (longueur 50 mm) a résisté à une pression de 0,61 MPa et atteint un angle de pliage maximum de 236°.Les tracés d'hystérésis de l'angle de pression ont également révélé des écarts relativement importants entre les courbes de pressurisation et de relâchement pour les trois entraînements de flexion.
La relation entre le volume d'entrée et les propriétés de sortie (allongement, force, expansion de la zone, angle de flexion) pour les configurations textiles intelligentes ci-dessus peut être trouvée dans la Figure supplémentaire S2.
Les résultats expérimentaux de la section précédente démontrent clairement la relation proportionnelle entre la pression d’entrée appliquée et l’allongement de sortie des échantillons d’AMF.Plus l’AMB est tendu, plus il développe un allongement important et plus il accumule d’énergie élastique.Par conséquent, plus la force de compression qu’il exerce est importante.Les résultats ont également montré que les échantillons atteignaient leur force de compression maximale lorsque la pression d’entrée était complètement supprimée.Cette section vise à établir une relation directe entre l'allongement et la force de retrait maximale des feuilles tricotées et tissées grâce à une modélisation analytique et une vérification expérimentale.
La force contractile maximale Fout (à pression d'entrée P = 0) d'un seul AMF a été donnée dans la réf. 49 et réintroduite comme suit :
Parmi eux, α, E et A0 sont respectivement le facteur d'étirement, le module d'Young et la section transversale du tube en silicone ;k est le coefficient de rigidité de la bobine en spirale ;x et li sont le décalage et la longueur initiale.AMP, respectivement.
la bonne équation.(1) Prenons comme exemple les draps tricotés et tissés (Fig. 5A, B).Les forces de retrait du produit tricoté Fkv et du produit tissé Fwh sont exprimées respectivement par les équations (2) et (3).
où mk est le nombre de boucles, φp est l'angle de boucle du tricot lors de l'injection (Fig. 5A), mh est le nombre de fils, θhp est l'angle d'engagement du tricot lors de l'injection (Fig. 5B), εkv εwh est la feuille tricotée et la déformation de la feuille tissée, F0 est la tension initiale de la bobine en spirale.Dérivation détaillée de l'équation.(2) et (3) peuvent être trouvés dans les informations complémentaires.
Créez un modèle analytique pour la relation allongement-force.(A, B) Illustrations de modèles analytiques pour les feuilles tricotées et tissées, respectivement.(C,D) Comparaison des modèles analytiques et des données expérimentales pour les feuilles tricotées et tissées.Erreur quadratique moyenne RMSE.
Pour tester le modèle développé, nous avons effectué des expériences d'allongement en utilisant les modèles tricotés de la figure 2A et des échantillons tressés de la figure 2B.La force de contraction a été mesurée par incréments de 5 % pour chaque extension verrouillée, de 0 % à 50 %.La moyenne et l’écart type des cinq essais sont présentés dans la figure 5C (tricot) et la figure 5D (tricot).Les courbes du modèle analytique sont décrites par des équations.Les paramètres (2) et (3) sont donnés dans le tableau.1. Les résultats montrent que le modèle analytique est en bon accord avec les données expérimentales sur toute la plage d'allongement avec une erreur quadratique moyenne (RMSE) de 0,34 N pour les tricots, de 0,21 N pour l'AMF H tissé (direction horizontale) et de 0,17 N. pour AMF tissé.V (direction verticale).
En plus des mouvements de base, les textiles intelligents proposés peuvent être programmés mécaniquement pour fournir des mouvements plus complexes tels que la courbure en S, la contraction radiale et la déformation 2D à 3D.Nous présentons ici plusieurs méthodes pour programmer des textiles plats intelligents dans les structures souhaitées.
En plus d'étendre le domaine dans la direction linéaire, les feuilles tissées unidirectionnelles peuvent être programmées mécaniquement pour créer un mouvement multimodal (Fig. 6A).On reconfigure l'extension de la nappe tressée selon un mouvement de flexion, contraignant l'une de ses faces (haute ou basse) avec du fil à coudre.Les feuilles ont tendance à se plier vers la surface limite sous l’effet de la pression.Sur la fig.La figure 6A montre deux exemples de panneaux tissés qui prennent la forme d'un S lorsqu'une moitié est à l'étroit sur le côté supérieur et que l'autre moitié est à l'étroit sur le côté inférieur.Vous pouvez également créer un mouvement de flexion circulaire dans lequel seule la face entière est contrainte.Une feuille tressée unidirectionnelle peut également être transformée en manchon de compression en reliant ses deux extrémités dans une structure tubulaire (Fig. 6B).Le manchon est porté sur l'index d'une personne pour assurer une compression, une forme de massothérapie visant à soulager la douleur ou à améliorer la circulation.Il peut être adapté à d’autres parties du corps telles que les bras, les hanches et les jambes.
Possibilité de tisser des feuilles dans une seule direction.(A) Création de structures déformables grâce à la programmabilité de la forme des fils à coudre.(B) Manchon de compression du doigt.(C) Une autre version de la feuille tressée et sa mise en œuvre comme manchon de compression de l'avant-bras.(D) Un autre prototype de manchon de compression fabriqué à partir d’AMF de type M, de fil acrylique et de sangles Velcro.Les spécifications détaillées peuvent être trouvées dans la section Méthodes.
La figure 6C montre un autre exemple de feuille tissée unidirectionnelle fabriquée à partir d'un seul fil d'AMF et de coton.La feuille peut se dilater de 45 % en surface (à 1,2 MPa) ou provoquer un mouvement circulaire sous pression.Nous avons également incorporé une feuille pour créer un manchon de compression pour l'avant-bras en attachant des sangles magnétiques à l'extrémité de la feuille.Un autre prototype de manchon de compression pour avant-bras est présenté sur la figure 6D, dans lequel des feuilles tressées unidirectionnelles ont été fabriquées à partir d'AMF de type M (voir Méthodes) et de fils acryliques pour générer des forces de compression plus fortes.Nous avons équipé les extrémités des draps de bandes velcro pour une fixation facile et pour différentes tailles de mains.
La technique de retenue, qui convertit l'extension linéaire en mouvement de flexion, s'applique également aux feuilles tissées bidirectionnelles.Nous tissons les fils de coton sur un côté des draps tissés en chaîne et en trame afin qu'ils ne se dilatent pas (Fig. 7A).Ainsi, lorsque deux AMF reçoivent une pression hydraulique indépendamment l'un de l'autre, la feuille subit un mouvement de flexion bidirectionnel pour former une structure tridimensionnelle arbitraire.Dans une autre approche, nous utilisons des fils inextensibles pour limiter une direction de feuilles tissées bidirectionnelles (Figure 7B).Ainsi, la feuille peut effectuer des mouvements indépendants de flexion et d'étirement lorsque l'AMF correspondant est sous pression.Sur la fig.La figure 7B montre un exemple dans lequel une feuille tressée bidirectionnelle est commandée pour s'enrouler autour des deux tiers d'un doigt humain avec un mouvement de flexion, puis étendre sa longueur pour couvrir le reste avec un mouvement d'étirement.Le mouvement bidirectionnel des draps peut être utile pour la création de mode ou le développement de vêtements intelligents.
Feuille tissée bidirectionnelle, feuille tricotée et capacités de conception extensibles radialement.(A) Panneaux en osier bidirectionnels collés bidirectionnellement pour créer une courbure bidirectionnelle.(B) Les panneaux en osier bidirectionnels contraints unidirectionnellement produisent une flexion et un allongement.(C) Feuille tricotée hautement élastique, qui peut s'adapter à différentes courbures de surface et même former des structures tubulaires.(D) délimitation de la ligne médiane d'une structure en expansion radiale formant une forme parabolique hyperbolique (chips de pomme de terre).
Nous avons relié deux boucles adjacentes des rangées supérieure et inférieure de la partie tricotée avec du fil à coudre afin qu'elle ne s'effiloche pas (Fig. 7C).Ainsi, la feuille tissée est entièrement flexible et s'adapte bien à diverses courbes de surface, telles que la surface de la peau des mains et des bras humains.Nous avons également créé une structure tubulaire (manche) en reliant les extrémités de la partie tricotée dans le sens de la marche.Le manchon s'enroule bien autour de l'index de la personne (Fig. 7C).La sinuosité du tissu tissé offre un excellent ajustement et une excellente déformabilité, ce qui le rend facile à utiliser dans des vêtements intelligents (gants, manchons de compression), offrant confort (grâce à l'ajustement) et effet thérapeutique (grâce à la compression).
En plus de l'expansion radiale 2D dans plusieurs directions, les feuilles tissées circulaires peuvent également être programmées pour former des structures 3D.Nous avons limité la ligne centrale de la tresse ronde avec du fil acrylique pour perturber son expansion radiale uniforme.En conséquence, la forme plate originale de la feuille tissée ronde a été transformée en une forme parabolique hyperbolique (ou chips) après pressurisation (Fig. 7D).Cette capacité de changement de forme pourrait être mise en œuvre sous la forme d'un mécanisme de levage, d'une lentille optique, de jambes de robot mobiles, ou pourrait être utile dans le design de mode et les robots bioniques.
Nous avons développé une technique simple pour créer des entraînements en flexion en collant l'AMF sur une bande de tissu non extensible (Figure 3).Nous utilisons ce concept pour créer des threads programmables de forme où nous pouvons distribuer stratégiquement plusieurs sections actives et passives dans un seul AMF pour créer les formes souhaitées.Nous avons fabriqué et programmé quatre filaments actifs qui pouvaient changer de forme de droite à lettre (UNSW) à mesure que la pression augmentait (Fig. S4 supplémentaire).Cette méthode simple permet à la déformabilité de l'AMF de transformer des lignes 1D en formes 2D et éventuellement même en structures 3D.
Dans une approche similaire, nous avons utilisé un seul AMF pour reconfigurer un morceau de tissu normal passif en un tétrapode actif (Fig. 8A).Les concepts de routage et de programmation sont similaires à ceux illustrés à la figure 3C.Cependant, au lieu de draps rectangulaires, ils ont commencé à utiliser des tissus à motif quadrupède (tortue, mousseline de coton).Par conséquent, les pieds sont plus longs et la structure peut être surélevée.La hauteur de la structure augmente progressivement sous la pression jusqu'à ce que ses pieds soient perpendiculaires au sol.Si la pression d’entrée continue d’augmenter, les pieds s’affaisseront vers l’intérieur, abaissant ainsi la hauteur de la structure.Les tétrapodes peuvent effectuer une locomotion si leurs pattes sont équipées de modèles unidirectionnels ou utilisent plusieurs AMF avec des stratégies de manipulation de mouvement.Les robots à locomotion douce sont nécessaires pour diverses tâches, notamment les sauvetages en cas d'incendies de forêt, de bâtiments effondrés ou d'environnements dangereux, ainsi que les robots d'administration de médicaments médicaux.
Le tissu est reconfiguré pour créer des structures qui changent de forme.(A) Collez l’AMF à la bordure de la feuille de tissu passive, en la transformant en une structure orientable à quatre pattes.(BD) Deux autres exemples de reconfiguration tissulaire, transformant des papillons et des fleurs passifs en papillons actifs.Tissu non extensible : mousseline de coton unie.
Nous profitons également de la simplicité et de la polyvalence de cette technique de reconfiguration tissulaire en introduisant deux structures bioinspirées supplémentaires pour le remodelage (Figures 8B-D).Avec un AMF routable, ces structures déformables sont reconfigurées de feuilles de tissu passif en structures actives et orientables.Inspirés du papillon monarque, nous avons réalisé une structure de papillon transformable à l'aide d'un morceau de tissu en forme de papillon (mousseline de coton) et d'un long morceau d'AMF collé sous ses ailes.Lorsque l’AMF est sous pression, les ailes se replient.Comme le Papillon Monarque, les ailes gauche et droite du Robot Papillon battent de la même manière car elles sont toutes deux contrôlées par l'AMF.Les rabats papillon sont uniquement destinés à des fins d’affichage.Il ne peut pas voler comme Smart Bird (Festo Corp., USA).Nous avons également réalisé une fleur en tissu (Figure 8D) composée de deux couches de cinq pétales chacune.Nous avons placé l'AMF sous chaque couche après le bord extérieur des pétales.Au départ, les fleurs sont en pleine floraison et tous les pétales sont complètement ouverts.Sous pression, l'AMF provoque un mouvement de flexion des pétales, provoquant leur fermeture.Les deux AMF contrôlent indépendamment le mouvement des deux couches, tandis que les cinq pétales d'une couche fléchissent en même temps.
Heure de publication : 26 décembre 2022