สิ่งทออัจฉริยะที่ใช้เส้นใยกล้ามเนื้อเทียมที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลว

ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง
การผสมผสานสิ่งทอและกล้ามเนื้อเทียมเพื่อสร้างสิ่งทออัจฉริยะกำลังดึงดูดความสนใจอย่างมากจากทั้งชุมชนวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมสิ่งทออัจฉริยะมีประโยชน์มากมาย รวมถึงความสบายที่ปรับได้และความสอดคล้องกับวัตถุในระดับสูง ขณะเดียวกันก็ให้การเคลื่อนไหวและความแข็งแกร่งตามที่ต้องการบทความนี้นำเสนอผ้าอัจฉริยะประเภทใหม่ที่ตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งผลิตโดยใช้วิธีการต่างๆ ในการทอ การทอ และการติดกาวเส้นใยกล้ามเนื้อเทียมที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลวแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่ออธิบายอัตราส่วนของแรงยืดตัวของแผ่นผ้าถักและผ้าทอ จากนั้นจึงทดสอบความถูกต้องด้วยการทดลองสิ่งทอ "อัจฉริยะ" ใหม่มีความยืดหยุ่นสูง ความสอดคล้อง และการเขียนโปรแกรมเชิงกล ช่วยให้สามารถเคลื่อนไหวได้หลายรูปแบบและความสามารถในการเสียรูปสำหรับการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้นต้นแบบสิ่งทออัจฉริยะต่างๆ ถูกสร้างขึ้นผ่านการตรวจสอบเชิงทดลอง รวมถึงกรณีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างต่างๆ เช่น การยืดตัว (มากถึง 65%) การขยายพื้นที่ (108%) การขยายตัวในแนวรัศมี (25%) และการเคลื่อนที่แบบโค้งงอแนวคิดของการกำหนดค่าใหม่ของเนื้อเยื่อแบบดั้งเดิมที่ไม่โต้ตอบให้เป็นโครงสร้างที่ใช้งานสำหรับโครงสร้างการสร้างรูปร่างทางชีวภาพก็กำลังถูกสำรวจเช่นกันสิ่งทออัจฉริยะที่นำเสนอนี้คาดว่าจะอำนวยความสะดวกในการพัฒนาอุปกรณ์สวมใส่อัจฉริยะ ระบบสัมผัส หุ่นยนต์นุ่มเลียนแบบชีวภาพ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้
หุ่นยนต์ที่แข็งแกร่งมีประสิทธิภาพเมื่อทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีโครงสร้าง แต่มีปัญหากับบริบทที่ไม่รู้จักของสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งจำกัดการใช้งานในการค้นหาหรือการสำรวจธรรมชาติยังคงทำให้เราประหลาดใจด้วยกลยุทธ์เชิงสร้างสรรค์มากมายในการจัดการกับปัจจัยภายนอกและความหลากหลายตัวอย่างเช่น กิ่งเลื้อยของพืชที่กำลังปีนทำการเคลื่อนไหวต่อเนื่องหลายรูปแบบ เช่น การโค้งงอและการหมุนวน เพื่อสำรวจสภาพแวดล้อมที่ไม่รู้จักเพื่อค้นหาสิ่งค้ำจุนที่เหมาะสมกาบหอยแครงวีนัส (Dionaea muscipula) มีขนที่บอบบางบนใบ ซึ่งเมื่อถูกกระตุ้นจะหนีบเข้าที่เพื่อจับเหยื่อ2ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเสียรูปหรือการเสียรูปของร่างกายจากพื้นผิวสองมิติ (2D) ไปเป็นรูปร่างสามมิติ (3D) ที่เลียนแบบโครงสร้างทางชีววิทยาได้กลายเป็นหัวข้อการวิจัยที่น่าสนใจ3,4โครงร่างหุ่นยนต์แบบอ่อนเหล่านี้เปลี่ยนรูปร่างเพื่อปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง ช่วยให้สามารถเคลื่อนที่ได้หลายรูปแบบ และใช้แรงในการทำงานทางกลขอบเขตการเข้าถึงของพวกเขาได้ขยายไปสู่การใช้งานด้านหุ่นยนต์ที่หลากหลาย รวมถึงการปรับใช้5 หุ่นยนต์ที่กำหนดค่าใหม่ได้และพับเก็บเองได้6,7 อุปกรณ์ชีวการแพทย์8 ยานพาหนะ9,10 และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ขยายได้11
มีการวิจัยจำนวนมากเพื่อพัฒนาแผ่นเรียบที่ตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งเมื่อเปิดใช้งาน จะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อนแนวคิดง่ายๆ ในการสร้างโครงสร้างที่เปลี่ยนรูปได้คือการรวมชั้นของวัสดุต่างๆ เข้าด้วยกันซึ่งจะโค้งงอและย่นเมื่อสัมผัสกับสิ่งเร้า12,13ยันบาซ และคณะ14 และ Li และคณะบริษัท 15 ได้นำแนวคิดนี้ไปใช้เพื่อสร้างหุ่นยนต์เปลี่ยนรูปหลายรูปแบบที่ไวต่อความร้อนโครงสร้างที่ใช้ Origami ผสมผสานองค์ประกอบที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าได้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน16,17,18แรงบันดาลใจจากการสร้างสัณฐานวิทยาของโครงสร้างทางชีววิทยา Emmanuel และคณะอีลาสโตเมอร์ที่เปลี่ยนรูปร่างได้ถูกสร้างขึ้นโดยการจัดระเบียบช่องอากาศภายในพื้นผิวยางซึ่งภายใต้ความกดดันจะเปลี่ยนเป็นรูปทรงสามมิติที่ซับซ้อนและกำหนดเองได้
การบูรณาการสิ่งทอหรือผ้าเข้ากับหุ่นยนต์เนื้ออ่อนที่เปลี่ยนรูปได้เป็นอีกโครงการแนวคิดใหม่ที่สร้างความสนใจอย่างกว้างขวางสิ่งทอเป็นวัสดุที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นซึ่งทำจากเส้นด้ายโดยเทคนิคการทอเช่นการถัก การทอ การถักเปีย หรือการทอแบบปมคุณสมบัติที่น่าทึ่งของเนื้อผ้า รวมถึงความยืดหยุ่น ความพอดี ความยืดหยุ่น และการระบายอากาศ ทำให้ผ้าเหล่านี้ได้รับความนิยมอย่างมากในทุกสิ่งตั้งแต่เสื้อผ้าไปจนถึงการใช้งานทางการแพทย์20มีแนวทางกว้างๆ สามวิธีในการรวมสิ่งทอเข้ากับวิทยาการหุ่นยนต์21แนวทางแรกคือการใช้สิ่งทอเป็นแผ่นรองหลังหรือฐานสำหรับส่วนประกอบอื่นๆในกรณีนี้ ผ้าแบบพาสซีฟจะให้ความพอดีที่สบายแก่ผู้ใช้เมื่อพกพาส่วนประกอบที่แข็งแกร่ง (มอเตอร์ เซ็นเซอร์ แหล่งจ่ายไฟ)หุ่นยนต์สวมใส่ที่อ่อนนุ่มหรือโครงกระดูกภายนอกที่อ่อนนุ่มส่วนใหญ่ตกอยู่ภายใต้แนวทางนี้ตัวอย่างเช่น โครงภายนอกแบบนุ่มที่สวมใส่ได้สำหรับอุปกรณ์ช่วยเดิน 22 และอุปกรณ์ช่วยข้อศอก 23, 24, 25 ถุงมือแบบนุ่มที่สวมใส่ได้ 26 สำหรับอุปกรณ์ช่วยมือและนิ้ว และหุ่นยนต์แบบอ่อนไบโอนิค 27
แนวทางที่สองคือการใช้สิ่งทอเป็นส่วนประกอบเชิงรับและจำกัดของอุปกรณ์หุ่นยนต์แบบอ่อนแอคทูเอเตอร์ที่ใช้สิ่งทอจัดอยู่ในหมวดหมู่นี้ โดยที่ผ้ามักจะถูกสร้างขึ้นเป็นภาชนะด้านนอกเพื่อบรรจุท่อหรือห้องด้านใน สร้างแอคชูเอเตอร์เสริมด้วยเส้นใยอ่อนเมื่ออยู่ภายใต้แหล่งนิวแมติกหรือไฮดรอลิกภายนอก แอคทูเอเตอร์แบบอ่อนเหล่านี้จะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง รวมถึงการยืดตัว การโค้งงอ หรือการบิด ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและโครงร่างดั้งเดิมตัวอย่างเช่น Talman และคณะมีการนำเสื้อผ้าข้อเท้าออร์โทพีดิกส์ซึ่งประกอบด้วยกระเป๋าผ้าหลายชุดมาใช้เพื่ออำนวยความสะดวกในการงอฝ่าเท้าเพื่อฟื้นฟูการเดิน28ชั้นสิ่งทอที่มีความสามารถในการขยายต่างกันสามารถนำมารวมกันเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวแบบแอนไอโซทรอปิก 29OmniSkins – สกินหุ่นยนต์แบบอ่อนที่สร้างจากตัวกระตุ้นแบบอ่อนและวัสดุพื้นผิวที่หลากหลาย สามารถเปลี่ยนวัตถุที่อยู่เฉยๆ ให้เป็นหุ่นยนต์แอคทีฟแบบมัลติฟังก์ชั่นที่สามารถทำการเคลื่อนไหวหลายรูปแบบและการเปลี่ยนรูปสำหรับการใช้งานต่างๆจู้และคณะได้พัฒนาแผ่นกล้ามเนื้อเนื้อเยื่อเหลว31 ที่สามารถสร้างการยืดตัว การโก่งตัว และการเคลื่อนไหวผิดรูปต่างๆบัคเนอร์ และคณะผสานเส้นใยฟังก์ชันเข้ากับเนื้อเยื่อทั่วไปเพื่อสร้างเนื้อเยื่อหุ่นยนต์ที่มีฟังก์ชันต่างๆ มากมาย เช่น การสั่งงาน การตรวจจับ และความแข็งแบบแปรผัน32วิธีการอื่นๆ ในหมวดหมู่นี้สามารถพบได้ในเอกสารเหล่านี้ 21, 33, 34, 35
แนวทางล่าสุดในการควบคุมคุณสมบัติที่เหนือกว่าของสิ่งทอในด้านหุ่นยนต์แบบอ่อนคือการใช้เส้นใยที่ตอบสนองต่อหรือกระตุ้นเพื่อสร้างสิ่งทออัจฉริยะโดยใช้วิธีการผลิตสิ่งทอแบบดั้งเดิม เช่น วิธีการทอผ้า การถัก และการทอผ้า21,36,37เส้นด้ายรีแอกทีฟทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเมื่อถูกไฟฟ้า ความร้อน หรือแรงดัน ซึ่งส่งผลให้เนื้อผ้าเสียรูป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัสดุในแนวทางนี้ เมื่อสิ่งทอแบบดั้งเดิมถูกรวมเข้ากับระบบหุ่นยนต์แบบอ่อน การปรับรูปร่างของสิ่งทอจะเกิดขึ้นที่ชั้นใน (เส้นด้าย) แทนที่จะเป็นชั้นนอกด้วยเหตุนี้ สิ่งทออัจฉริยะจึงให้การควบคุมที่ดีเยี่ยมในแง่ของการเคลื่อนไหวต่อเนื่องหลายรูปแบบ การเปลี่ยนรูปที่ตั้งโปรแกรมได้ ความสามารถในการยืดตัว และความสามารถในการปรับความแข็งตัวอย่างเช่น รูปร่างเมมโมรีอัลลอยด์ (SMA) และโพลีเมอร์หน่วยความจำรูปร่าง (SMP) สามารถรวมเข้ากับเนื้อผ้าเพื่อควบคุมรูปร่างอย่างแข็งขันผ่านการกระตุ้นความร้อน เช่น การเย็บขอบ38 การขจัดรอยยับ36,39 การตอบสนองต่อการสัมผัสและการสัมผัส40,41 ตลอดจนการปรับตัว เสื้อผ้าที่สวมใส่ได้อุปกรณ์ 42 .อย่างไรก็ตาม การใช้พลังงานความร้อนเพื่อให้ความร้อนและความเย็นส่งผลให้การตอบสนองช้า และการทำความเย็นและการควบคุมทำได้ยากเมื่อเร็วๆ นี้ Hiramitsu และคณะกล้ามเนื้อละเอียดของ McKibben43,44 ซึ่งเป็นกล้ามเนื้อเทียมแบบใช้ลม ถูกนำมาใช้เป็นเส้นด้ายยืนเพื่อสร้างสิ่งทอรูปแบบต่างๆ โดยการเปลี่ยนโครงสร้างการทอ45แม้ว่าวิธีนี้จะให้แรงสูง เนื่องจากธรรมชาติของกล้ามเนื้อ McKibben อัตราการขยายตัวจึงมีจำกัด (< 50%) และไม่สามารถทำได้ในขนาดที่เล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลาง < 0.9 มม.)นอกจากนี้ การสร้างลวดลายสิ่งทออัจฉริยะจากวิธีการทอที่ต้องใช้มุมที่แหลมคมยังเป็นเรื่องยากอีกด้วยเพื่อสร้างสิ่งทออัจฉริยะที่หลากหลาย Maziz และคณะสิ่งทอที่สวมใส่ได้แบบอิเล็กโทรแอกทีฟได้รับการพัฒนาโดยการถักและการทอด้ายโพลีเมอร์ที่ไวต่อแสง46
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กล้ามเนื้อเทียมชนิดใหม่ที่ไวต่อความร้อนได้ถือกำเนิดขึ้น โดยสร้างขึ้นจากเส้นใยโพลีเมอร์ที่มีการบิดตัวสูงและราคาไม่แพง47,48เส้นใยเหล่านี้มีจำหน่ายทั่วไปและสามารถนำไปทอหรือทอได้ง่ายเพื่อผลิตเสื้อผ้าอัจฉริยะราคาไม่แพงแม้จะมีความก้าวหน้า สิ่งทอที่ไวต่อความร้อนใหม่เหล่านี้มีเวลาตอบสนองที่จำกัด เนื่องจากความจำเป็นในการทำความร้อนและความเย็น (เช่น สิ่งทอที่มีการควบคุมอุณหภูมิ) หรือความยากลำบากในการสร้างรูปแบบการถักและทอที่ซับซ้อน ซึ่งสามารถตั้งโปรแกรมเพื่อสร้างการเสียรูปและการเคลื่อนไหวที่ต้องการได้ .ตัวอย่าง ได้แก่ การขยายในแนวรัศมี การแปลงรูปร่างจาก 2D เป็น 3D หรือการขยายแบบสองทิศทาง ที่เรานำเสนอที่นี่
เพื่อเอาชนะปัญหาที่กล่าวมาข้างต้น บทความนี้จึงนำเสนอสิ่งทออัจฉริยะที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลวแบบใหม่ ซึ่งผลิตจากเส้นใยกล้ามเนื้อเทียมแบบอ่อน (AMF)49,50,51 ที่เพิ่งเปิดตัวเมื่อเร็วๆ นี้AMF มีความยืดหยุ่นสูง สามารถปรับขนาดได้ และสามารถลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางได้ 0.8 มม. และมีความยาวมาก (อย่างน้อย 5,000 มม.) ให้อัตราส่วนภาพสูง (ความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง) รวมถึงการยืดตัวสูง (อย่างน้อย 245%) ให้พลังงานสูง ประสิทธิภาพการตอบสนองที่รวดเร็วน้อยกว่า 20Hz)เพื่อสร้างสิ่งทออัจฉริยะ เราใช้ AMF เป็นเส้นด้ายที่ใช้งานเพื่อสร้างชั้นกล้ามเนื้อที่ใช้งาน 2 มิติผ่านเทคนิคการถักและการทอผ้าเราได้ศึกษาเชิงปริมาณเกี่ยวกับอัตราการขยายตัวและแรงหดตัวของเนื้อเยื่อ "อัจฉริยะ" เหล่านี้ในแง่ของปริมาตรของเหลวและความดันที่ส่งไปแบบจำลองการวิเคราะห์ได้รับการพัฒนาเพื่อสร้างความสัมพันธ์ของแรงยืดสำหรับแผ่นถักและแผ่นทอนอกจากนี้เรายังอธิบายเทคนิคการเขียนโปรแกรมเชิงกลหลายประการสำหรับสิ่งทออัจฉริยะสำหรับการเคลื่อนไหวหลายรูปแบบ รวมถึงการยืดสองทิศทาง การโค้งงอ การขยายแนวรัศมี และความสามารถในการเปลี่ยนจาก 2D เป็น 3Dเพื่อแสดงให้เห็นถึงจุดแข็งของแนวทางของเรา เรายังจะรวม AMF เข้ากับผ้าหรือสิ่งทอเชิงพาณิชย์เพื่อเปลี่ยนการกำหนดค่าจากโครงสร้างแบบพาสซีฟไปเป็นแบบแอคทีฟที่ทำให้เกิดการเสียรูปต่างๆนอกจากนี้เรายังได้สาธิตแนวคิดนี้บนม้านั่งทดสอบทดลองหลายตัว รวมถึงการดัดด้ายแบบตั้งโปรแกรมได้เพื่อสร้างตัวอักษรที่ต้องการและโครงสร้างทางชีวภาพที่เปลี่ยนรูปร่างให้เป็นรูปร่างของวัตถุ เช่น ผีเสื้อ โครงสร้างสี่ขา และดอกไม้
สิ่งทอเป็นโครงสร้างสองมิติที่ยืดหยุ่นซึ่งเกิดขึ้นจากเส้นด้ายที่มีมิติเดียวที่ถักทอเข้าด้วยกัน เช่น เส้นด้าย ด้าย และเส้นใยสิ่งทอเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่เก่าแก่ที่สุดของมนุษยชาติ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในทุกด้านของชีวิต เนื่องจากความสบาย ความสามารถในการปรับตัว การระบายอากาศ ความสวยงาม และการปกป้องสิ่งทออัจฉริยะ (หรือที่เรียกว่าเสื้อผ้าอัจฉริยะหรือผ้าหุ่นยนต์) กำลังถูกนำมาใช้ในการวิจัยมากขึ้น เนื่องจากมีศักยภาพในการใช้งานหุ่นยนต์20,52สิ่งทออัจฉริยะสัญญาว่าจะปรับปรุงประสบการณ์ของมนุษย์ในการโต้ตอบกับวัตถุที่อ่อนนุ่ม ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนกระบวนทัศน์ในสาขาที่สามารถควบคุมการเคลื่อนไหวและแรงของผ้าที่บางและยืดหยุ่นได้เพื่อทำงานเฉพาะอย่างในบทความนี้ เราสำรวจสองแนวทางในการผลิตสิ่งทออัจฉริยะโดยใช้ AMF49 ล่าสุดของเรา: (1) ใช้ AMF เป็นเส้นด้ายที่ใช้งานอยู่เพื่อสร้างสิ่งทออัจฉริยะโดยใช้เทคโนโลยีการผลิตสิ่งทอแบบดั้งเดิม;(2) ใส่ AMF ลงในผ้าแบบดั้งเดิมโดยตรงเพื่อกระตุ้นการเคลื่อนไหวและการเสียรูปที่ต้องการ
AMF ประกอบด้วยท่อซิลิโคนภายในเพื่อจ่ายพลังงานไฮดรอลิกและขดลวดภายนอกเพื่อจำกัดการขยายตัวในแนวรัศมีดังนั้น AMF จะยืดออกตามยาวเมื่อใช้แรงดัน และต่อมาจะแสดงแรงหดตัวเพื่อกลับสู่ความยาวเดิมเมื่อปล่อยแรงดันมีคุณสมบัติคล้ายกับเส้นใยแบบดั้งเดิม ได้แก่ ความยืดหยุ่น เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กและยาวอย่างไรก็ตาม AMF มีความกระตือรือร้นและควบคุมได้ในแง่ของการเคลื่อนไหวและความแข็งแกร่งมากกว่ารุ่นทั่วไปด้วยแรงบันดาลใจจากความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของสิ่งทออัจฉริยะ เรานำเสนอสี่แนวทางหลักในการผลิตสิ่งทออัจฉริยะโดยการนำ AMF ไปใช้กับเทคโนโลยีการผลิตผ้าที่มีมายาวนาน (รูปที่ 1)
วิธีแรกคือการทอผ้าเราใช้เทคโนโลยีการถักพุ่งเพื่อผลิตผ้าถักแบบปฏิกิริยาที่กางออกในทิศทางเดียวเมื่อกระตุ้นด้วยระบบไฮดรอลิกแผ่นถักนั้นยืดหยุ่นและยืดหยุ่นได้มาก แต่มีแนวโน้มที่จะคลี่คลายได้ง่ายกว่าแผ่นทอขึ้นอยู่กับวิธีการควบคุม AMF สามารถสร้างแถวเดี่ยวหรือผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์ได้นอกจากแผ่นเรียบแล้ว รูปแบบการถักแบบท่อยังเหมาะสำหรับการผลิตโครงสร้างกลวง AMF อีกด้วยวิธีที่สองคือการทอผ้า โดยเราใช้ AMF สองตัวเป็นเส้นยืนและพุ่งเพื่อสร้างแผ่นทอสี่เหลี่ยมที่สามารถขยายแยกกันในสองทิศทางแผ่นทอให้การควบคุม (ทั้งสองทิศทาง) มากกว่าแผ่นถักนอกจากนี้เรายังทอ AMF จากเส้นด้ายแบบดั้งเดิมเพื่อสร้างแผ่นทอที่เรียบง่ายขึ้นซึ่งสามารถคลี่ออกได้ในทิศทางเดียวเท่านั้นวิธีที่สาม – การขยายแนวรัศมี – เป็นเทคนิคการทออีกรูปแบบหนึ่ง โดยที่ AMP ไม่ได้อยู่ในรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า แต่อยู่ในแนวเกลียว และเส้นด้ายให้ข้อจำกัดในแนวรัศมีในกรณีนี้การถักเปียจะขยายออกไปในแนวรัศมีภายใต้แรงดันขาเข้าแนวทางที่สี่คือการติด AMF ลงบนแผ่นผ้าแบบพาสซีฟเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวโค้งงอในทิศทางที่ต้องการเราได้กำหนดค่าบอร์ดฝ่าวงล้อมแบบพาสซีฟใหม่ให้เป็นบอร์ดฝ่าวงล้อมที่ใช้งานอยู่โดยการรัน AMF รอบขอบลักษณะที่ตั้งโปรแกรมได้ของ AMF นี้เปิดโอกาสมากมายสำหรับโครงสร้างแบบอ่อนที่ได้รับแรงบันดาลใจมาจากชีวภาพ ซึ่งเราสามารถเปลี่ยนวัตถุที่อยู่เฉยๆ ให้กลายเป็นวัตถุที่เคลื่อนไหวได้วิธีนี้ง่าย สะดวก และรวดเร็ว แต่สามารถลดอายุการใช้งานของต้นแบบได้ผู้อ่านจะอ้างถึงแนวทางอื่นในวรรณกรรมที่ให้รายละเอียดจุดแข็งและจุดอ่อนของคุณสมบัติของเนื้อเยื่อแต่ละอย่าง
ด้ายหรือเส้นด้ายส่วนใหญ่ที่ใช้ทำผ้าแบบดั้งเดิมมีโครงสร้างแบบพาสซีฟในงานนี้ เราใช้ AMF ที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ ซึ่งสามารถเข้าถึงความยาวเมตรและเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่ามิลลิเมตร เพื่อแทนที่เส้นด้ายสิ่งทอแบบพาสซีฟแบบดั้งเดิมด้วย AFM เพื่อสร้างผ้าที่ชาญฉลาดและแอคทีฟสำหรับการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้นส่วนต่อไปนี้จะอธิบายวิธีการโดยละเอียดสำหรับการสร้างต้นแบบสิ่งทออัจฉริยะ และนำเสนอฟังก์ชันและลักษณะการทำงานหลัก
เราประดิษฐ์เสื้อแข่ง AMF ด้วยมือโดยใช้เทคนิคการถักพุ่ง (รูปที่ 2A)การเลือกวัสดุและข้อมูลจำเพาะโดยละเอียดสำหรับ AMF และต้นแบบมีอยู่ในส่วนวิธีการAMF แต่ละตัวจะเดินตามเส้นทางที่คดเคี้ยว (เรียกอีกอย่างว่าเส้นทาง) ซึ่งก่อตัวเป็นวงสมมาตรการวนซ้ำของแต่ละแถวได้รับการแก้ไขด้วยการวนซ้ำของแถวด้านบนและด้านล่างวงแหวนของคอลัมน์หนึ่งที่ตั้งฉากกับสนามจะรวมกันเป็นเพลาต้นแบบการถักของเราประกอบด้วยสามแถวจากเจ็ดเข็ม (หรือเจ็ดเข็ม) ในแต่ละแถววงแหวนด้านบนและด้านล่างไม่ได้รับการแก้ไข ดังนั้นเราจึงสามารถติดเข้ากับแท่งโลหะที่เกี่ยวข้องได้ต้นแบบการถักจะคลี่คลายได้ง่ายกว่าผ้าถักทั่วไป เนื่องจากมีความแข็งของ AMF สูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเส้นด้ายทั่วไปดังนั้นเราจึงผูกห่วงของแถวที่อยู่ติดกันด้วยสายยางยืดบาง ๆ
มีการนำต้นแบบสิ่งทออัจฉริยะต่างๆ มาใช้ด้วยการกำหนดค่า AMF ที่แตกต่างกัน(A) แผ่นถักที่ทำจาก AMF สามชิ้น(B) แผ่นทอแบบสองทิศทางของ AMF สองตัว(C) แผ่นทอทิศทางเดียวที่ทำจาก AMF และเส้นด้ายอะคริลิกสามารถรับน้ำหนักได้ 500 กรัม ซึ่งคิดเป็น 192 เท่าของน้ำหนัก (2.6 กรัม)(D) โครงสร้างที่ขยายออกไปในแนวรัศมีโดยใช้ AMF หนึ่งเส้นและเส้นด้ายฝ้ายเป็นข้อจำกัดในแนวรัศมีข้อมูลจำเพาะโดยละเอียดสามารถพบได้ในส่วนวิธีการ
แม้ว่าห่วงซิกแซ็กของผ้าถักสามารถยืดไปในทิศทางที่แตกต่างกันได้ แต่การถักต้นแบบของเราจะขยายไปในทิศทางของห่วงเป็นหลักภายใต้ความกดดัน เนื่องมาจากข้อจำกัดในทิศทางการเคลื่อนที่ความยาวของ AMF แต่ละตัวจะส่งผลต่อการขยายพื้นที่รวมของแผ่นถักขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะ เราสามารถควบคุม AMF สามตัวแยกกันจากแหล่งของไหลที่แตกต่างกันสามแห่ง (รูปที่ 2A) หรือพร้อมกันจากแหล่งของไหลแห่งเดียวผ่านตัวจ่ายของไหลแบบ 1 ถึง 3บนรูป2A แสดงตัวอย่างของต้นแบบที่ถัก พื้นที่เริ่มต้นเพิ่มขึ้น 35% ขณะใช้แรงกดกับ AMP สามตัว (1.2 MPa)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง AMF สามารถยืดตัวได้สูงถึงอย่างน้อย 250% ของความยาวเดิม49 ดังนั้นผ้าปูที่นอนที่ถักจึงสามารถยืดได้มากกว่ารุ่นปัจจุบัน
นอกจากนี้เรายังสร้างแผ่นลายทอสองทิศทางที่เกิดจาก AMF สองตัวโดยใช้เทคนิคการทอธรรมดา (รูปที่ 2B)ด้ายยืนและพุ่งของ AMF พันกันเป็นมุมฉาก ทำให้เกิดรูปแบบกากบาทที่เรียบง่ายลายทอต้นแบบของเราถูกจัดประเภทเป็นลายทอธรรมดาที่มีความสมดุล เนื่องจากทั้งเส้นด้ายยืนและเส้นด้ายพุ่งนั้นทำจากเส้นด้ายที่มีขนาดเท่ากัน (ดูรายละเอียดในหัวข้อวิธีการ)ซึ่งแตกต่างจากด้ายธรรมดาที่สามารถพับงอได้ AMF ที่ใช้จะต้องมีรัศมีการโค้งงอที่แน่นอนเมื่อกลับไปใช้ด้ายอีกเส้นหนึ่งของรูปแบบการทอดังนั้นแผ่นทอที่ทำจาก AMP จึงมีความหนาแน่นต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับผ้าทอทั่วไปAMF-type S (เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 1.49 มม.) มีรัศมีการโค้งงอขั้นต่ำ 1.5 มม.ตัวอย่างเช่น ลายทอต้นแบบที่เรานำเสนอในบทความนี้มีรูปแบบเส้นด้ายขนาด 7×7 โดยแต่ละจุดตัดจะถูกยึดให้มั่นคงด้วยปมเชือกยางยืดเส้นเล็กด้วยเทคนิคการทอแบบเดียวกันคุณจะได้เกลียวมากขึ้น
เมื่อ AMF ที่สอดคล้องกันได้รับแรงดันของเหลว แผ่นทอจะขยายพื้นที่ในทิศทางยืนหรือพุ่งดังนั้นเราจึงควบคุมขนาดของแผ่นถัก (ความยาวและความกว้าง) โดยการเปลี่ยนปริมาณแรงดันขาเข้าที่ใช้กับ AMP สองตัวอย่างอิสระบนรูป2B แสดงต้นแบบแบบทอที่ขยายเป็น 44% ของพื้นที่เดิมในขณะที่ใช้แรงกดหนึ่ง AMP (1.3 MPa)ด้วยแรงกดดันต่อ AMF สองตัวพร้อมกัน พื้นที่เพิ่มขึ้น 108%
นอกจากนี้เรายังสร้างแผ่นทอทิศทางเดียวจาก AMF เดี่ยวที่มีเส้นด้ายยืนและเส้นด้ายอะคริลิกเป็นพุ่ง (รูปที่ 2C)AMF ถูกจัดเรียงเป็นเจ็ดแถวซิกแซก และด้ายจะสานแถว AMF เหล่านี้เข้าด้วยกันจนกลายเป็นแผ่นผ้าสี่เหลี่ยมต้นแบบการทอนี้มีความหนาแน่นมากกว่าในรูปที่ 2B เนื่องจากมีด้ายอะคริลิกเนื้อนุ่มที่เต็มแผ่นได้ง่ายเนื่องจากเราใช้ AMF เพียงอันเดียวเป็นวาร์ป แผ่นทอจึงสามารถขยายไปทางวาร์ปได้ภายใต้แรงกดเท่านั้นรูปที่ 2C แสดงตัวอย่างต้นแบบการทอซึ่งมีพื้นที่เริ่มต้นเพิ่มขึ้น 65% ​​พร้อมแรงกดที่เพิ่มขึ้น (1.3 MPa)นอกจากนี้ ชิ้นส่วนถักชิ้นนี้ (หนัก 2.6 กรัม) สามารถรับน้ำหนักได้ 500 กรัม ซึ่งคิดเป็น 192 เท่าของมวล
แทนที่จะจัดเรียง AMF ในรูปแบบซิกแซกเพื่อสร้างแผ่นทอสี่เหลี่ยม เราประดิษฐ์ AMF รูปทรงเกลียวแบน ซึ่งถูกรัดตามแนวรัศมีด้วยเส้นด้ายฝ้ายเพื่อสร้างแผ่นทอทรงกลม (รูปที่ 2D)ความแข็งแกร่งสูงของ AMF จะจำกัดการเติมบริเวณตรงกลางของเพลตอย่างไรก็ตาม แผ่นรองนี้สามารถทำจากเส้นด้ายยางยืดหรือผ้ายืดหยุ่นได้เมื่อได้รับแรงดันไฮดรอลิก AMP จะแปลงการยืดตามยาวเป็นส่วนขยายในแนวรัศมีของแผ่นนอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและภายในของรูปร่างเกลียวเพิ่มขึ้นเนื่องจากข้อ จำกัด ในรัศมีของเส้นใยรูปที่ 2D แสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้แรงดันไฮดรอลิก 1 MPa รูปร่างของแผ่นกลมจะขยายเป็น 25% ของพื้นที่เดิม
เรานำเสนอแนวทางที่สองในการผลิตสิ่งทออัจฉริยะ โดยที่เราติด AMF เข้ากับผ้าชิ้นแบน และกำหนดค่าใหม่จากโครงสร้างแบบพาสซีฟไปจนถึงโครงสร้างที่มีการควบคุมเชิงรุกแผนภาพการออกแบบของตัวขับเคลื่อนการดัดแสดงไว้ในรูปที่ 13A โดยที่ AMP พับลงตรงกลางแล้วติดกาวเข้ากับแถบผ้าที่ยืดออกไม่ได้ (ผ้าคอตตอนมัสลิน) โดยใช้เทปกาวสองหน้าเป็นกาวเมื่อปิดผนึกแล้ว ด้านบนของ AMF จะยืดออกได้อย่างอิสระ ในขณะที่ด้านล่างถูกจำกัดด้วยเทปและผ้า ส่งผลให้แถบโค้งงอเข้าหาผ้าเราสามารถปิดการใช้งานส่วนใดๆ ของตัวกระตุ้นการโค้งงอได้ทุกที่เพียงแค่ติดแถบเทปไว้ส่วนที่ปิดใช้งานไม่สามารถเคลื่อนที่ได้และกลายเป็นส่วนที่ไม่โต้ตอบ
ผ้าได้รับการปรับปรุงใหม่โดยการติด AMF ไว้บนผ้าแบบดั้งเดิม(A) แนวคิดการออกแบบสำหรับการดัดงอโดยการติด AMF ที่พับไว้บนผ้าที่ยืดออกไม่ได้(B) การดัดต้นแบบของแอคชูเอเตอร์(C) การกำหนดค่าใหม่ของผ้าสี่เหลี่ยมให้เป็นหุ่นยนต์สี่ขาที่แอคทีฟผ้าที่ไม่ยืดหยุ่น: ผ้าฝ้ายเจอร์ซีย์ผ้ายืด: โพลีเอสเตอร์ข้อมูลจำเพาะโดยละเอียดสามารถพบได้ในส่วนวิธีการ
เราสร้างต้นแบบการดัดงอแอคทูเอเตอร์หลายตัวที่มีความยาวต่างกัน และอัดแรงดันด้วยระบบไฮดรอลิกเพื่อสร้างการเคลื่อนที่แบบโค้งงอ (รูปที่ 3B)ที่สำคัญ AMF สามารถวางเป็นเส้นตรงหรือพับเพื่อสร้างเป็นเกลียวหลายเส้น จากนั้นจึงติดกาวเข้ากับผ้าเพื่อสร้างแรงขับดัดงอด้วยจำนวนเกลียวที่เหมาะสมนอกจากนี้เรายังแปลงแผ่นทิชชู่แบบพาสซีฟให้เป็นโครงสร้างเตตระพอดแบบแอคทีฟ (รูปที่ 3C) โดยเราใช้ AMF เพื่อกำหนดเส้นทางขอบของเนื้อเยื่อสี่เหลี่ยมที่ขยายไม่ออก (ผ้าคอตตอนมัสลิน)AMP ติดอยู่กับผ้าด้วยเทปสองหน้าตรงกลางของแต่ละขอบจะถูกติดเทปให้เป็นแบบพาสซีฟ ในขณะที่มุมทั้งสี่ยังคงทำงานอยู่ผ้าคลุมด้านบนผ้ายืด (โพลีเอสเตอร์) เป็นตัวเลือกมุมทั้งสี่ของผ้าจะงอ (คล้ายขา) เมื่อกด
เราสร้างม้านั่งทดสอบเพื่อศึกษาเชิงปริมาณคุณสมบัติของสิ่งทออัจฉริยะที่พัฒนาแล้ว (ดูส่วนวิธีการและรูปที่ S1 เพิ่มเติม)เนื่องจากตัวอย่างทั้งหมดทำจาก AMF แนวโน้มทั่วไปของผลการทดลอง (รูปที่ 4) จึงสอดคล้องกับคุณลักษณะหลักของ AMF กล่าวคือ แรงดันขาเข้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการยืดตัวของทางออกและเป็นสัดส่วนผกผันกับแรงอัดอย่างไรก็ตาม ผ้าอัจฉริยะเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะที่สะท้อนถึงการกำหนดค่าเฉพาะของพวกเขา
โดดเด่นด้วยโครงสร้างสิ่งทออันชาญฉลาด(A, B) กราฟฮิสเทรีซิสสำหรับแรงดันขาเข้าและการยืดออกและแรงสำหรับแผ่นทอ(ค) การขยายพื้นที่ของแผ่นทอ(D,E) ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันขาเข้ากับการยืดออกและแรงสำหรับเสื้อถัก(F) การขยายพื้นที่ของโครงสร้างที่ขยายในแนวรัศมี(G) มุมการดัดของไดรฟ์ดัดงอที่มีความยาวต่างกันสามแบบ
AMF ของแผ่นทอแต่ละแผ่นอยู่ภายใต้แรงดันขาเข้า 1 MPa เพื่อสร้างการยืดตัวประมาณ 30% (รูปที่ 4A)เราเลือกเกณฑ์นี้สำหรับการทดลองทั้งหมดด้วยเหตุผลหลายประการ: (1) เพื่อสร้างการยืดตัวอย่างมีนัยสำคัญ (ประมาณ 30%) เพื่อเน้นเส้นโค้งฮิสเทรีซีส (2) เพื่อป้องกันการหมุนเวียนจากการทดลองต่างๆ และต้นแบบที่นำกลับมาใช้ใหม่ซึ่งส่งผลให้เกิดความเสียหายหรือความล้มเหลวโดยไม่ได้ตั้งใจ.ภายใต้แรงดันของเหลวสูงมองเห็นโซนตายได้ชัดเจน และเปียยังคงนิ่งอยู่จนกว่าแรงดันขาเข้าจะถึง 0.3 MPaแผนภาพฮิสเทรีซีสของการยืดตัวด้วยแรงดันแสดงช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างขั้นตอนการปั๊มและการปล่อย ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการสูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญเมื่อแผ่นทอเปลี่ยนการเคลื่อนที่จากการขยายตัวเป็นการหดตัว(รูปที่ 4A)หลังจากได้รับแรงดันขาเข้า 1 MPa แผ่นทออาจมีแรงหดตัว 5.6 N (รูปที่ 4B)กราฟฮิสเทรีซีสของแรงกดยังแสดงให้เห็นว่ากราฟรีเซ็ตเกือบจะทับซ้อนกับกราฟเพิ่มแรงดันการขยายพื้นที่ของแผ่นทอขึ้นอยู่กับปริมาณแรงกดที่ใช้กับ AMF แต่ละตัวใน 2 AMF ดังที่แสดงในแผนภาพพื้นผิว 3 มิติ (รูปที่ 4C)การทดลองยังแสดงให้เห็นว่าแผ่นทอสามารถสร้างพื้นที่ขยายได้ถึง 66% เมื่อ AMF ของเส้นยืนและเส้นพุ่งของมันได้รับแรงดันไฮดรอลิก 1 MPa พร้อมกัน
ผลการทดลองสำหรับแผ่นถักแสดงรูปแบบที่คล้ายคลึงกับแผ่นทอ ซึ่งรวมถึงช่องว่างฮิสเทรีซีสที่กว้างในแผนภาพแรงตึง-ความดัน และเส้นโค้งแรงกดที่ทับซ้อนกันแผ่นถักแสดงให้เห็นการยืดตัว 30% หลังจากนั้นแรงอัดอยู่ที่ 9 N ที่ความดันขาเข้า 1 MPa (รูปที่ 4D, E)
ในกรณีของแผ่นทอทรงกลม พื้นที่เริ่มต้นเพิ่มขึ้น 25% เมื่อเทียบกับพื้นที่เริ่มต้นหลังจากได้รับแรงดันของเหลว 1 MPa (รูปที่ 4F)ก่อนที่ตัวอย่างจะเริ่มขยายตัว จะมีโซนตายตัวของแรงดันขาเข้าขนาดใหญ่ถึง 0.7 MPaคาดว่าเขตมรณะขนาดใหญ่นี้เนื่องจากตัวอย่างถูกสร้างขึ้นจาก AMF ที่มีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งต้องใช้แรงกดดันที่สูงกว่าเพื่อเอาชนะความเครียดเริ่มต้นบนรูป4F ยังแสดงให้เห็นว่ากราฟการปล่อยเกือบจะเกิดขึ้นพร้อมกับกราฟการเพิ่มความดัน ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการสูญเสียพลังงานเพียงเล็กน้อยเมื่อเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของแผ่นดิสก์
ผลการทดลองสำหรับตัวกระตุ้นการดัดงอทั้งสามตัว (การกำหนดค่าใหม่ของเนื้อเยื่อ) แสดงให้เห็นว่าเส้นโค้งฮิสเทรีซิสของพวกมันมีรูปแบบที่คล้ายกัน (รูปที่ 4G) โดยที่พวกมันพบกับโซนตายตัวของแรงดันขาเข้าสูงถึง 0.2 MPa ก่อนที่จะยกขึ้นเราใช้ของเหลวในปริมาณเท่ากัน (0.035 มล.) กับตัวขับดัดงอสามตัว (L20, L30 และ L50 มม.)อย่างไรก็ตาม แอคชูเอเตอร์แต่ละตัวประสบกับแรงดันสูงสุดที่แตกต่างกัน และพัฒนามุมการโค้งงอที่แตกต่างกันแอคชูเอเตอร์ L20 และ L30 มม. มีแรงดันขาเข้า 0.72 และ 0.67 MPa เข้าถึงมุมโค้งงอ 167° และ 194° ตามลำดับตัวขับเคลื่อนการดัดงอที่ยาวที่สุด (ความยาว 50 มม.) ทนทานต่อแรงดัน 0.61 MPa และทำมุมการดัดงอสูงสุดที่ 236°แผนฮิสเทรีซีสของมุมความดันยังเผยให้เห็นช่องว่างที่ค่อนข้างใหญ่ระหว่างเส้นโค้งแรงดันและเส้นโค้งการปล่อยสำหรับไดรฟ์โค้งงอทั้งสามตัว
ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติปริมาณอินพุตและเอาต์พุต (การยืดตัว แรง การขยายพื้นที่ มุมการดัด) สำหรับการกำหนดค่าสิ่งทออัจฉริยะข้างต้นสามารถดูได้ในรูปที่ S2 เพิ่มเติม
ผลการทดลองในส่วนที่แล้วแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความสัมพันธ์ตามสัดส่วนระหว่างแรงดันขาเข้าที่ใช้กับการยืดตัวของทางออกของตัวอย่าง AMFยิ่ง AMB ตึงเครียดมากเท่าใด การยืดตัวก็จะยิ่งเพิ่มมากขึ้นและพลังงานความยืดหยุ่นก็จะสะสมมากขึ้นเท่านั้นดังนั้น ยิ่งมีแรงอัดมากเท่าไรผลการทดลองยังแสดงให้เห็นว่าชิ้นงานมีแรงอัดสูงสุดเมื่อแรงดันขาเข้าถูกกำจัดออกจนหมดหัวข้อนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างการยืดตัวและแรงหดตัวสูงสุดของแผ่นถักและผ้าทอผ่านการสร้างแบบจำลองเชิงวิเคราะห์และการตรวจสอบเชิงทดลอง
แรงหดตัวสูงสุด Fout (ที่ความดันขาเข้า P = 0) ของ AMF เดี่ยวถูกกำหนดไว้ในการอ้างอิง 49 และแนะนำใหม่ดังต่อไปนี้:
ในหมู่พวกเขา α, E และ A0 เป็นปัจจัยการยืด โมดูลัสของ Young และพื้นที่หน้าตัดของท่อซิลิโคน ตามลำดับk คือค่าสัมประสิทธิ์ความแข็งของขดลวดเกลียวx และ li เป็นค่าออฟเซ็ตและความยาวเริ่มต้นแอมป์ตามลำดับ
สมการที่ถูกต้อง(1) ยกตัวอย่างแผ่นถักและทอ (รูปที่ 5A, B)แรงหดตัวของผลิตภัณฑ์ถัก Fkv และผลิตภัณฑ์ทอ Fwh แสดงตามสมการ (2) และ (3) ตามลำดับ
โดยที่ mk คือจำนวนลูป φp คือมุมลูปของผ้าถักระหว่างการฉีด (รูปที่ 5A) mh คือจำนวนเธรด θhp คือมุมการมีส่วนร่วมของผ้าถักระหว่างการฉีด (รูปที่ 5B) εkv εwh คือแผ่นถักและการเสียรูปของแผ่นทอ F0 คือความตึงเริ่มต้นของขดลวดเกลียวที่มาโดยละเอียดของสมการ(2) และ (3) สามารถพบได้ในข้อมูลสนับสนุน
สร้างแบบจำลองการวิเคราะห์สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างการยืดตัวและแรง(A,B) ภาพประกอบแบบจำลองการวิเคราะห์สำหรับแผ่นถักและแผ่นทอ ตามลำดับ(C,D) การเปรียบเทียบแบบจำลองการวิเคราะห์และข้อมูลการทดลองสำหรับแผ่นถักและแผ่นทอRMSE Root หมายถึงข้อผิดพลาดกำลังสอง
เพื่อทดสอบแบบจำลองที่พัฒนาขึ้น เราทำการทดลองการยืดตัวโดยใช้รูปแบบการถักในรูปที่ 2A และตัวอย่างการถักในรูปที่ 2Bแรงหดตัวถูกวัดเพิ่มขึ้น 5% สำหรับแต่ละส่วนขยายที่ถูกล็อคจาก 0% ถึง 50%ค่าเฉลี่ยและส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของการทดลองทั้งห้าแสดงไว้ในรูปที่ 5C (ถัก) และรูปที่ 5D (ถัก)เส้นโค้งของแบบจำลองการวิเคราะห์อธิบายด้วยสมการพารามิเตอร์ (2) และ (3) แสดงไว้ในตาราง1. ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองการวิเคราะห์สอดคล้องกับข้อมูลการทดลองตลอดช่วงการยืดตัวทั้งหมด โดยมีค่าคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ยราก (RMSE) 0.34 N สำหรับเสื้อถัก, 0.21 N สำหรับผ้าทอ AMF H (ทิศทางแนวนอน) และ 0.17 N สำหรับผ้าทอ AMFV (ทิศทางแนวตั้ง)
นอกเหนือจากการเคลื่อนไหวพื้นฐานแล้ว สิ่งทออัจฉริยะที่นำเสนอยังสามารถตั้งโปรแกรมกลไกเพื่อให้การเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น โค้งงอ S การหดตัวในแนวรัศมี และการเปลี่ยนรูปจาก 2D เป็น 3Dเรานำเสนอวิธีการต่างๆ ในการเขียนโปรแกรมสิ่งทออัจฉริยะแบบเรียบให้เป็นโครงสร้างที่ต้องการ
นอกเหนือจากการขยายขอบเขตในทิศทางเชิงเส้นแล้ว แผ่นทอทิศทางเดียวยังสามารถตั้งโปรแกรมทางกลไกเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวหลายรูปแบบ (รูปที่ 6A)เรากำหนดค่าส่วนต่อขยายของแผ่นถักใหม่เป็นการดัดงอ โดยจำกัดหน้าด้านใดด้านหนึ่ง (ด้านบนหรือด้านล่าง) ด้วยด้ายเย็บแผ่นมีแนวโน้มที่จะโค้งงอไปทางพื้นผิวขอบภายใต้แรงกดบนรูป6A แสดงสองตัวอย่างของแผงทอที่จะกลายเป็นรูปตัว S เมื่อครึ่งหนึ่งคับแคบที่ด้านบน และอีกครึ่งหนึ่งคับแคบที่ด้านล่างหรือคุณสามารถสร้างการเคลื่อนไหวโค้งงอเป็นวงกลมโดยจำกัดเฉพาะใบหน้าทั้งหมดได้แผ่นถักแบบทิศทางเดียวสามารถทำเป็นปลอกอัดได้โดยเชื่อมต่อปลายทั้งสองข้างเข้ากับโครงสร้างท่อ (รูปที่ 6B)ปลอกสวมไว้บนนิ้วชี้ของบุคคลเพื่อบีบอัด ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของการนวดบำบัดเพื่อบรรเทาอาการปวดหรือปรับปรุงการไหลเวียนสามารถปรับขนาดให้พอดีกับส่วนอื่นๆ ของร่างกาย เช่น แขน สะโพก และขาได้
ความสามารถในการทอแผ่นในทิศทางเดียว(A) การสร้างโครงสร้างที่เปลี่ยนรูปได้เนื่องจากสามารถตั้งโปรแกรมรูปร่างของด้ายเย็บผ้าได้(B) ปลอกสวมอัดนิ้ว(C) แผ่นถักอีกรุ่นหนึ่งและการนำไปใช้เป็นปลอกสวมอัดที่ปลายแขน(D) ปลอกสวมอัดต้นแบบอีกชิ้นหนึ่งทำจาก AMF ประเภท M เส้นด้ายอะคริลิก และสายรัดตีนตุ๊กแกข้อมูลจำเพาะโดยละเอียดสามารถพบได้ในส่วนวิธีการ
รูปที่ 6C แสดงอีกตัวอย่างหนึ่งของแผ่นทอทิศทางเดียวที่ทำจากเส้นด้าย AMF และเส้นด้ายฝ้ายแผ่นสามารถขยายได้ในพื้นที่ 45% (ที่ 1.2 MPa) หรือทำให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงกลมภายใต้แรงกดนอกจากนี้ เรายังติดแผ่นไว้สำหรับสร้างปลอกสวมอัดบริเวณปลายแขนโดยติดสายรัดแม่เหล็กไว้ที่ส่วนท้ายของผ้าปลอกสวมอัดปลายแขนต้นแบบอีกชิ้นแสดงในรูปที่ 6D ซึ่งแผ่นถักแบบทิศทางเดียวทำจาก Type M AMF (ดูวิธีการ) และเส้นด้ายอะคริลิกเพื่อสร้างแรงอัดที่แข็งแกร่งขึ้นเราได้ติดสายรัดตีนตุ๊กแกไว้ที่ปลายผ้าปูที่นอนเพื่อให้ติดง่ายและสำหรับขนาดมือที่แตกต่างกัน
เทคนิคการยับยั้งชั่งใจซึ่งแปลงส่วนขยายเชิงเส้นเป็นการเคลื่อนที่แบบโค้งงอ ยังใช้ได้กับแผ่นทอแบบสองทิศทางอีกด้วยเราทอด้ายฝ้ายที่ด้านหนึ่งของผืนผ้าที่ทอด้วยด้ายยืนและพุ่งเพื่อไม่ให้ด้ายขยายตัว (รูปที่ 7A)ดังนั้น เมื่อ AMF สองตัวได้รับแรงดันไฮดรอลิกแยกจากกัน แผ่นงานจะเกิดการเคลื่อนไหวโค้งงอสองทิศทางเพื่อสร้างโครงสร้างสามมิติตามอำเภอใจในอีกแนวทางหนึ่ง เราใช้เส้นด้ายที่ขยายไม่ได้เพื่อจำกัดทิศทางเดียวของแผ่นทอแบบสองทิศทาง (รูปที่ 7B)ดังนั้นแผ่นจึงสามารถทำการดัดและยืดได้อย่างอิสระเมื่อ AMF ที่เกี่ยวข้องอยู่ภายใต้แรงกดดันบนรูป7B แสดงตัวอย่างที่มีการควบคุมแผ่นถักแบบสองทิศทางให้พันรอบสองในสามของนิ้วมนุษย์ด้วยการงอ จากนั้นจึงขยายความยาวเพื่อคลุมส่วนที่เหลือด้วยการเคลื่อนไหวยืดการเคลื่อนย้ายผ้าปูที่นอนสองทางมีประโยชน์สำหรับการออกแบบแฟชั่นหรือการพัฒนาเสื้อผ้าที่ชาญฉลาด
แผ่นทอสองทิศทาง แผ่นถัก และความสามารถในการออกแบบที่ขยายได้ในแนวรัศมี(A) แผงหวายแบบผูกมัดแบบสองทิศทางเพื่อสร้างโค้งงอแบบสองทิศทาง(B) แผงหวายแบบสองทิศทางที่มีข้อจำกัดทางเดียวทำให้เกิดการงอและการยืดตัว(C) แผ่นถักที่มีความยืดหยุ่นสูง ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับความโค้งของพื้นผิวที่แตกต่างกัน และแม้แต่รูปแบบโครงสร้างท่อ(D) การกำหนดเส้นแบ่งเส้นกึ่งกลางของโครงสร้างที่ขยายออกแนวรัศมีจนกลายเป็นรูปทรงพาราโบลาไฮเปอร์โบลิก (มันฝรั่งแผ่นทอด)
เราเชื่อมต่อห่วงสองห่วงที่อยู่ติดกันของแถวบนและล่างของส่วนที่ถักด้วยด้ายเย็บเพื่อไม่ให้คลี่ออก (รูปที่ 7C)ดังนั้นแผ่นทอจึงมีความยืดหยุ่นเต็มที่และปรับให้เข้ากับส่วนโค้งของพื้นผิวต่างๆ ได้ดี เช่น ผิวของมือและแขนของมนุษย์นอกจากนี้เรายังสร้างโครงสร้างแบบท่อ (ปลอกหุ้ม) โดยเชื่อมต่อปลายของส่วนที่ถักตามทิศทางการเคลื่อนที่แขนเสื้อพันรอบนิ้วชี้ของบุคคลนั้นได้ดี (รูปที่ 7C)ลักษณะโค้งมนของผ้าทอช่วยให้สวมใส่ได้พอดีและเปลี่ยนรูปได้ดีเยี่ยม ทำให้ใช้งานง่ายในการสวมใส่แบบสมาร์ท (ถุงมือ ปลอกสวมอัด) ให้ความสบาย (ผ่านความพอดี) และให้ผลในการรักษา (ผ่านการบีบอัด)
นอกเหนือจากการขยายรัศมี 2 มิติในหลายทิศทางแล้ว แผ่นทอทรงกลมยังสามารถตั้งโปรแกรมเพื่อสร้างโครงสร้าง 3 มิติได้อีกด้วยเราจำกัดเส้นกึ่งกลางของการถักเปียทรงกลมด้วยเส้นด้ายอะคริลิกเพื่อขัดขวางการขยายตัวในแนวรัศมีที่สม่ำเสมอเป็นผลให้รูปร่างแบนดั้งเดิมของแผ่นทอทรงกลมถูกเปลี่ยนให้เป็นรูปร่างไฮเปอร์โบลิกพาราโบลา (หรือมันฝรั่งแผ่นทอด) หลังจากผ่านแรงดัน (รูปที่ 7D)ความสามารถในการเปลี่ยนรูปร่างนี้สามารถนำไปใช้เป็นกลไกการยก เลนส์สายตา ขาหุ่นยนต์เคลื่อนที่ หรืออาจเป็นประโยชน์ในการออกแบบแฟชั่นและหุ่นยนต์ไบโอนิค
เราได้พัฒนาเทคนิคง่ายๆ ในการสร้างตัวขับเคลื่อนแรงดัดงอโดยการติด AMF ไว้บนแถบผ้าที่ไม่ยืด (รูปที่ 3)เราใช้แนวคิดนี้เพื่อสร้างเธรดที่ตั้งโปรแกรมรูปร่างได้ ซึ่งเราสามารถกระจายส่วนที่ใช้งานและส่วนพาสซีฟหลายส่วนอย่างมีกลยุทธ์ใน AMF เดียวเพื่อสร้างรูปร่างที่ต้องการเราประดิษฐ์และตั้งโปรแกรมไส้หลอดแอคทีฟสี่เส้นที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างจากเส้นตรงเป็นตัวอักษร (UNSW) เมื่อความดันเพิ่มขึ้น (รูปที่ S4 เพิ่มเติม)วิธีการง่ายๆ นี้ช่วยให้ AMF มีความสามารถในการเปลี่ยนรูปเพื่อเปลี่ยนเส้น 1D ให้เป็นรูปทรง 2D และอาจเป็นโครงสร้าง 3D ได้ด้วย
ในแนวทางที่คล้ายกัน เราใช้ AMF เดี่ยวเพื่อกำหนดค่าชิ้นส่วนของเนื้อเยื่อปกติแบบพาสซีฟใหม่ให้เป็น tetrapod ที่ทำงานอยู่ (รูปที่ 8A)แนวคิดการกำหนดเส้นทางและการเขียนโปรแกรมคล้ายคลึงกับแนวคิดที่แสดงในรูปที่ 3Cอย่างไรก็ตาม แทนที่จะใช้แผ่นสี่เหลี่ยม พวกเขาเริ่มใช้ผ้าที่มีลวดลายสี่ด้าน (เต่า ผ้าฝ้ายมัสลิน)ขาจึงยาวขึ้นและสามารถยกโครงสร้างให้สูงขึ้นได้ความสูงของโครงสร้างจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นภายใต้ความกดดันจนกระทั่งขาตั้งฉากกับพื้นหากแรงดันขาเข้ายังคงเพิ่มขึ้น ขาจะย้อยเข้าด้านใน ส่งผลให้ความสูงของโครงสร้างลดลงสัตว์เตตราพอดสามารถเคลื่อนที่ได้หากขาของพวกมันมีรูปแบบทิศทางเดียว หรือใช้ AMF หลายตัวร่วมกับกลยุทธ์การจัดการการเคลื่อนไหวหุ่นยนต์เคลื่อนที่แบบอ่อนจำเป็นสำหรับงานที่หลากหลาย รวมถึงการกู้ภัยจากไฟป่า อาคารที่ถล่มหรือสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย และหุ่นยนต์ส่งยาทางการแพทย์
ผ้าได้รับการปรับแต่งใหม่เพื่อสร้างโครงสร้างที่เปลี่ยนรูปทรง(A) กาว AMF เข้ากับขอบของแผ่นผ้าแบบพาสซีฟ และเปลี่ยนเป็นโครงสร้างสี่ขาที่บังคับทิศทางได้(BD) อีกสองตัวอย่างหนึ่งของการปรับโครงสร้างเนื้อเยื่อ โดยเปลี่ยนผีเสื้อและดอกไม้ที่ไม่โต้ตอบให้กลายเป็นผีเสื้อที่เคลื่อนไหวผ้าไม่ยืด: ผ้าฝ้ายมัสลินธรรมดา
นอกจากนี้เรายังใช้ประโยชน์จากความเรียบง่ายและความอเนกประสงค์ของเทคนิคการปรับโครงสร้างเนื้อเยื่อใหม่โดยการแนะนำโครงสร้างที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพเพิ่มเติมอีกสองโครงสร้างสำหรับการปรับรูปร่างใหม่ (รูปที่ 8B-D)ด้วย AMF แบบกำหนดเส้นทางได้ โครงสร้างที่เปลี่ยนรูปร่างได้เหล่านี้จะได้รับการกำหนดค่าใหม่จากแผ่นเนื้อเยื่อแบบพาสซีฟไปเป็นโครงสร้างแบบแอคทีฟและควบคุมทิศทางได้ด้วยแรงบันดาลใจจากผีเสื้อพระมหากษัตริย์ เราจึงสร้างโครงสร้างผีเสื้อที่เปลี่ยนแปลงได้โดยใช้ผ้ารูปทรงผีเสื้อ (ผ้าฝ้ายมัสลิน) และผ้า AMF ยาวติดอยู่ใต้ปีกเมื่อ AMF อยู่ภายใต้ความกดดัน ปีกจะพับขึ้นเช่นเดียวกับผีเสื้อ Monarch ปีกซ้ายและขวาของหุ่นยนต์ผีเสื้อจะกระพือในลักษณะเดียวกันเพราะทั้งสองปีกถูกควบคุมโดย AMFปีกผีเสื้อมีไว้เพื่อการแสดงผลเท่านั้นมันบินไม่ได้เหมือน Smart Bird (Festo Corp., USA)นอกจากนี้เรายังทำดอกไม้ผ้า (รูปที่ 8D) ประกอบด้วยกลีบ 5 กลีบ 2 ชั้นเราวาง AMF ไว้ใต้แต่ละชั้นหลังขอบด้านนอกของกลีบในช่วงแรก ดอกไม้จะบานเต็มที่ โดยกลีบทั้งหมดจะบานเต็มที่ภายใต้ความกดดัน AMF ทำให้เกิดการโค้งงอของกลีบดอกไม้ ส่งผลให้กลีบปิดAMF ทั้งสองจะควบคุมการเคลื่อนไหวของสองชั้นอย่างอิสระ ในขณะที่กลีบทั้งห้าของชั้นหนึ่งจะโค้งงอในเวลาเดียวกัน