Textiles inteligentes usando fluido

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 11067 (2022) Citar este artículo

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La unión de textiles con músculos artificiales para crear textiles inteligentes está atrayendo gran atención de la comunidad científica y la industria. Los textiles inteligentes ofrecen muchos beneficios que incluyen comodidad adaptativa y alta conformidad con los objetos al tiempo que proporcionan una actuación activa para el movimiento y la fuerza deseados. Este documento presenta una nueva clase de textiles inteligentes programables creados a partir de diferentes métodos de tejer, tejer y pegar fibras musculares artificiales impulsadas por fluidos. Se desarrollan modelos matemáticos para describir la relación fuerza-alargamiento de las láminas textiles de punto y tejido, seguidos de experimentos para validar la eficacia del modelo. Los nuevos textiles inteligentes son altamente flexibles, adaptables y mecánicamente programables, lo que permite movimientos multimodales y capacidades de cambio de forma para su uso en aplicaciones más amplias. Se crean diferentes prototipos de los textiles inteligentes con validaciones experimentales que incluyen varias instancias de cambio de forma, como elongación (hasta un 65 %), expansión de área (108 %), expansión radial (25 %) y movimiento de flexión. También se explora el concepto de reconfigurar tejidos convencionales pasivos en estructuras activas para estructuras de transformación de formas bioinspiradas. Se espera que los textiles inteligentes propuestos contribuyan a la progresión de los dispositivos portátiles inteligentes, los sistemas hápticos, la robótica blanda bioinspirada y la electrónica portátil.

Los robots rígidos son efectivos cuando trabajan en entornos estructurados, pero encuentran problemas al tratar con contextos desconocidos de entornos cambiantes, lo que restringe sus aplicaciones de búsqueda o exploración. La naturaleza siempre nos sorprende con numerosas estrategias inteligentes para manejar los factores externos y las versatilidades. Por ejemplo, los zarcillos de las plantas trepadoras realizan movimientos multimodales como doblarse y torcerse en espiral para explorar el entorno desconocido y encontrar soportes adecuados1. La Venus atrapamoscas (Dionaea muscipula) está equipada con pelos sensibles en sus hojas que, al activarse, se cierran de golpe para atrapar a sus presas2. Los cuerpos que se transforman o cambian de forma desde superficies bidimensionales (2D) a formas tridimensionales (3D) que imitan estructuras biológicas se han convertido en temas de investigación interesantes en los últimos años3,4. Estas configuraciones robóticas blandas alteran sus formas para adaptarse a entornos versátiles, proporcionan movimientos multimodales y ejercen fuerza para generar trabajo mecánico. Sus alcances se han ampliado a una amplia gama de aplicaciones robóticas, incluidas estructuras desplegables5, robots reconfigurables y autoplegables6,7, dispositivos biomédicos8, locomoción9,10 y electrónica extensible11.

Se han realizado muchos estudios para desarrollar una hoja plana programable que se transforma en una estructura 3D compleja al activarse3. Una idea simple para generar estructuras que cambian de forma es combinar capas de diferentes materiales que producen movimientos de flexión y arrugas cuando son activados por estímulos12,13. Este concepto ha sido implementado por Janbaz et al.14 y Lee et al.15 para producir robots de cambio de forma multimodal con respuesta térmica. Las estructuras basadas en origami incorporadas con elementos que responden a estímulos se han explotado para crear estructuras 3D complejas16,17,18. Inspirándose en la morfogénesis de las estructuras biológicas, Emmanuel et al. creó elastómeros que cambian de forma mediante la disposición de conductos de aire dentro de una superficie de goma, que se transforman en formas 3D arbitrarias complejas al ser presurizados19.

La integración de textiles o telas en robots blandos que se transforman en forma es otro diseño conceptual emergente que atrae un gran interés. Los textiles son materiales suaves y flexibles hechos de hilos mediante técnicas de entrelazado como tejido, tejido, trenzado o anudado. Los textiles tienen características sorprendentes, que incluyen flexibilidad, adaptabilidad, elasticidad y transpirabilidad, lo que los hace extremadamente populares en todos los aspectos de la vida, desde la ropa hasta las aplicaciones médicas20. Hay tres enfoques amplios para incorporar textiles en la robótica21. El primer enfoque es utilizar textiles como sustratos pasivos o la base para albergar otros componentes. En esta circunstancia, los textiles pasivos brindan un ajuste cómodo a los usuarios mientras llevan componentes rígidos (motores, sensores, fuentes de alimentación). La mayoría de los robots portátiles blandos o exoesqueletos blandos pertenecen a este enfoque. Por ejemplo, exoesqueletos suaves que se pueden usar para ayudar a caminar22 y asistencia en las articulaciones del codo23,24,25, un guante suave que se puede usar para ayudar con las manos y los dedos26 y robots blandos bioinspirados27.

El segundo enfoque es utilizar textiles como componentes pasivos y restringidos de dispositivos robóticos blandos. Los actuadores basados ​​en textiles entran en esta categoría en la que los textiles normalmente se construyen como contenedores externos para restringir los tubos blandos internos o las vejigas que forman actuadores reforzados con fibras blandas. Tras la presurización por una fuente neumática o hidráulica externa, estos actuadores suaves ejercen un cambio de forma, ya sea alargando, doblando o torciendo, de acuerdo con sus composiciones y configuraciones iniciales. Por ejemplo, Thalman et al. presentó un exotraje de ortesis de tobillo y pie hecho de una serie de bolsas de tela para ayudar en la flexión plantar para la rehabilitación de la marcha28. Las capas textiles con diferente capacidad de estiramiento podrían combinarse para producir movimientos anisotrópicos29. OmniSkins: pieles robóticas suaves hechas de varios actuadores suaves y materiales de sustrato que podrían permitir la transformación de objetos pasivos en robots activos multifuncionales que podrían realizar deformaciones y locomoción multimodal para diversas aplicaciones30. Zhu et al. desarrollaron láminas musculares de tela fluídica que producían movimientos de elongación, flexión y varios cambios de forma31. Buckner et al. integró fibras funcionales en tejidos convencionales para crear tejidos robóticos que tenían múltiples funciones, como actuación, detección y rigidez variable32. Otros enfoques de esta categoría pueden encontrarse en estos trabajos21,33,34,35.

El último enfoque que aprovecha las excelentes propiedades textiles en el campo de la robótica blanda es el uso de hilos activos o filamentos que responden a estímulos para construir textiles inteligentes mediante el uso de enfoques tradicionales de fabricación de textiles, como técnicas de trenzado, tejido y tejido21,36,37. Dependiendo de la composición del material, los hilos activos inducen un cambio de forma cuando son activados por entradas eléctricas, térmicas o de presión, lo que da como resultado la deformación del tejido. En este enfoque, el cambio de forma de los textiles ocurre a nivel interior (hilos) en lugar de a nivel exterior cuando se integran textiles convencionales en sistemas robóticos blandos. Por lo tanto, los textiles inteligentes ofrecen una gran capacidad de control en términos de movimiento multimodal, cambio de forma programable, capacidad de estiramiento y ajuste de la rigidez. Por ejemplo, las aleaciones con memoria de forma (SMA) y los polímeros con memoria de forma (SMP) podrían incorporarse a las telas para controlar activamente sus formas mediante excitación térmica, como un dobladillo enrollado38, recuperación de arrugas36,39, retroalimentación táctil y háptica40,41 y wearables autoajustables42. Sin embargo, el uso de calentamiento y enfriamiento térmico resultó en una respuesta lenta, enfriamiento complejo y control. Recientemente, Hiramitsu et al. implementaron delgados músculos McKibben43,44 (un tipo de músculos neumáticos artificiales) como urdimbres para crear múltiples formas de textiles activos al cambiar las estructuras tejidas45. Aunque este enfoque ofrece una gran fuerza, estaba limitado a la tasa de expansión (< 50 %) y no podía lograr un tamaño pequeño (< 0,9 mm de diámetro) debido a la naturaleza del músculo de McKibben. Además, encontró desafíos para formar patrones textiles inteligentes a partir del método de tejido, que requiere un ángulo de flexión pronunciado. Para formar una gama más amplia de textiles inteligentes, Maziz et al. desarrolló textiles electroactivos para dispositivos portátiles tejiendo y tejiendo hilos de polímeros eléctricamente sensibles46.

Los últimos años han sido testigos del surgimiento de una nueva clase de músculos artificiales térmicamente sensibles construidos a partir de fibras poliméricas económicas altamente retorcidas47,48. Estas fibras están disponibles comercialmente y son fáciles de incorporar en tejidos o tejidos a máquina para producir prendas inteligentes asequibles. A pesar de los avances, estos nuevos textiles inteligentes térmicos están limitados por un tiempo de respuesta lento debido a los requisitos de calentamiento y enfriamiento (por ejemplo, textiles controlados térmicamente) o a las dificultades para fabricar patrones de tejido y punto complejos que se pueden programar para formar deformaciones y movimientos deseados, como radiales. expansión, transformación de forma de 2 a 3D o expansión bidireccional como proponemos aquí.

Para superar estos desafíos antes mencionados, este documento presenta una nueva clase de textiles inteligentes impulsados ​​por fluidos formados a partir de nuestras fibras musculares artificiales (AMF) recientemente blandas49,50,51. Los AMF son altamente flexibles, escalables con tamaños que se pueden reducir a 0,8 mm de diámetro, longitud larga (al menos 5000 mm) que ofrece una alta relación de aspecto (longitud por diámetro), así como una alta elongación (al menos 245%), alta eficiencia energética y respuesta rápida de al menos 20 Hz). Para crear textiles inteligentes, empleamos AMF como hilos activos para formar láminas musculares activas en 2D mediante técnicas de tejido y tejido. Examinamos cuantitativamente la relación de expansión y la fuerza de contracción de estos textiles inteligentes con respecto al volumen y la presión del fluido de entrada aplicado. Se han desarrollado modelos analíticos para establecer la relación fuerza-alargamiento de láminas tricotadas y tejidas. También presentamos varias técnicas para programar mecánicamente los textiles inteligentes para lograr un movimiento multimodal que incluye elongación bidireccional, flexión, expansión radial y capacidad de crecimiento de 2 a 3D. Para demostrar la capacidad de nuestros enfoques, también integramos los AMF en telas o textiles comerciales para reconfigurarlos de estructuras pasivas a activas que pueden inducir diferentes deformaciones. También demostramos este concepto a través de varios bancos de pruebas experimentales que incluyen filamentos de flexión programables para lograr las letras deseadas y estructuras bioinspiradas que se transforman en forma de objetos como una mariposa, estructuras de cuatro patas y una flor con movimientos complejos.

Un textil es una estructura bidimensional flexible creada al entrelazar filamentos unidimensionales como hilos, hilos y fibras. Los textiles son una de las tecnologías más antiguas de la humanidad, siendo ampliamente utilizados en todos los aspectos de la vida gracias a su comodidad, adaptabilidad, transpirabilidad, apariencia y protección. Los textiles inteligentes (también conocidos como prendas inteligentes o tejidos robóticos) se utilizan cada vez más en estudios de investigación debido a su gran potencial en aplicaciones robóticas20,52. Se espera que los textiles inteligentes mejoren las experiencias humanas para interactuar con cuerpos blandos, abriendo un cambio de paradigma en el campo donde una pieza de tela delgada y flexible puede controlarse en movimiento y fuerza para realizar tareas específicas. En este trabajo, exploramos dos métodos para producir textiles inteligentes basados ​​en nuestros AMF recientes:49 (1) usar los AMF como hilos activos para construir textiles inteligentes mediante técnicas tradicionales de fabricación de textiles; (2) pegar directamente los AMF en tejidos convencionales para inducir el movimiento y la deformación deseados.

Los AMF consisten en un tubo interior de silicona para recibir energía hidráulica y una bobina helicoidal exterior para restringir su expansión radial. Por lo tanto, los AMF producen un alargamiento longitudinal tras la presurización y posteriormente ejercen una fuerza de contracción al liberar la presión para volver a la longitud inicial. Poseen características similares a las fibras tradicionales, incluida la flexibilidad, el diámetro pequeño y la longitud larga. Sin embargo, los AMF superan a sus contrapartes tradicionales al ser activos y controlables en términos de movimiento y fuerza. Motivados por los recientes desarrollos vertiginosos en el campo de los textiles inteligentes, presentamos aquí cuatro enfoques principales para producir textiles inteligentes mediante la implementación de AMF en técnicas de fabricación de telas establecidas desde hace mucho tiempo (Fig. 1).

Diferentes enfoques para crear textiles inteligentes a partir de fibras musculares artificiales.

El primer enfoque es tejer. Utilizamos la técnica de tejido de trama para producir una hoja de tejido activa que puede expandirse en una dirección con la presurización hidráulica. Las sábanas para tejer son muy elásticas y muy estirables, pero son más propensas a deshilacharse que las sábanas para tejer. Un AMF puede formar un solo curso o una hoja de tejido completa dependiendo de los enfoques de control. Además de la hoja plana, los patrones de tejido tubular son aplicables para AMF para hacer estructuras huecas. El segundo enfoque es el tejido en el que utilizamos dos AMF como urdimbre y trama para formar una hoja de tejido rectangular que puede ejercer una expansión bidireccional independiente. Las sábanas para tejer ofrecen un mayor grado de control (dos direcciones) en comparación con las sábanas para tejer. También tejemos un solo AMF con hilos convencionales para producir una hoja de tejido más simple que solo puede expandirse en una dirección. El tercer enfoque es la expansión radial, una variante de la técnica de tejido en la que, en lugar de estar dispuesto rectangularmente, el AMF se alinea en forma de espiral con hilos que proporcionan una restricción radial. En este caso, la hoja de tejido se expandirá radialmente al recibir la presión de entrada. El cuarto enfoque es pegar los AMF a una hoja de tela pasiva para crear movimientos de flexión en las direcciones deseadas. Reconfiguramos una hoja de tejido pasiva en una activa enrutando un AMF alrededor de su límite. Esta característica programable del AMF abre numerosas posibilidades para estructuras blandas bioinspiradas que se transforman en forma donde podemos convertir objetos pasivos en objetos activos. Este enfoque es simple, fácil y rápido, pero puede comprometer la durabilidad de los prototipos. Los lectores pueden consultar otros enfoques de la literatura que detallan los pros y los contras del desempeño de cada tipo de textil21,33,34,35.

La mayoría de los filamentos o hilos que producen textiles convencionales comprenden una estructura pasiva. En este trabajo, aprovechamos nuestros AMF desarrollados anteriormente que se pueden fabricar en metros de longitud con diámetros submilimétricos, reemplazando los filamentos convencionales de los textiles pasivos por los AFM para formar textiles inteligentes y activos para aplicaciones más amplias. Las siguientes secciones describen métodos de fabricación detallados para producir prototipos textiles inteligentes y presentan sus características y comportamientos básicos.

Fabricamos manualmente una hoja de tejido de tres AMF utilizando la técnica de tejido de trama (Fig. 2A). Las selecciones de materiales y las especificaciones detalladas de AMF y prototipos se pueden encontrar en la sección "Métodos". Cada AMF siguió un camino serpenteante (también conocido como curso) que formó bucles simétricos. Los bucles de cada curso se aseguraron con los bucles de los cursos justo por encima y por debajo de ellos. Los bucles de la misma columna que eran perpendiculares al curso se agruparon en una columna. Nuestro prototipo de tejido constaba de tres hileras con siete bucles para cada hilera (o siete columnas). Los bucles de las hiladas superior e inferior no estaban asegurados para que pudiéramos conectarlos a las varillas de metal correspondientes. El prototipo de tejido era más propenso a deshilacharse que el tejido de punto convencional debido a la mayor rigidez de los AMF en comparación con los hilos convencionales. Por lo tanto, restringimos los bucles de las hileras adyacentes con una cuerda elástica delgada.

Se logran diferentes prototipos de textiles inteligentes variando las configuraciones de AMF. (A) Hoja de tejer hecha de tres AMF. (B) Hoja de tejido bidireccional hecha de dos AMF. (C) Una hoja de tejido unidireccional hecha de un AMF e hilos acrílicos podría levantar una carga de 500 g, que es 192 veces más pesada que su masa (2,6 g). (D) Estructura de expansión radial hecha de un solo AMF e hilos de algodón como restricciones radiales. Las especificaciones detalladas se pueden encontrar en la sección "Métodos".

Aunque los bucles serpenteantes de la hoja de tricotar podrían estirarse en diferentes direcciones, nuestro prototipo de tricotado se expandió principalmente en la dirección de la columna tras la presurización debido a la restricción en la dirección del curso. El alargamiento de cada AMF contribuyó a la expansión general del área de la hoja de tejer. Según los requisitos específicos, podríamos controlar tres AMF de forma independiente desde tres fuentes de fluido diferentes (Fig. 2A) o simultáneamente desde una sola fuente de fluido a través de un distribuidor de fluido de 1 a 3. La figura 2A muestra una instancia del prototipo de tejido que se expandió un 35 % de su área inicial al presurizar (1,2 MPa) tres AMF simultáneamente. Se observa que el AMF logró un alto alargamiento de al menos el 250% de su longitud inicial49 y, por lo tanto, la relación de expansión de la hoja de tejido se puede hacer más alta que la de la versión actual.

También creamos una hoja de tejido bidireccional formada a partir de dos AMF utilizando la técnica de tejido plano (Fig. 2B). Los AMF de urdimbre y trama se entrelazaron en ángulo recto para formar un patrón entrecruzado simple. Nuestro prototipo de tejido se clasificó como tejido plano equilibrado porque tanto la urdimbre como la trama estaban hechas de filamentos del mismo tamaño (las especificaciones detalladas se muestran en la sección "Métodos"). A diferencia de los hilos convencionales que son capaces de pliegues agudos, los AMF usados ​​requieren un cierto radio de curvatura cuando se vuelve hacia atrás para otra línea del patrón de tejido. Como resultado, la hoja de tejido fabricada con AMF es menos densa en comparación con los textiles de tejido convencionales. El radio de curvatura mínimo de los AMF tipo S (DE 1,49 mm) es de 1,5 mm. A modo de ilustración, nuestro prototipo de tejido presentado en este documento tenía un patrón de líneas de 7 × 7 donde cada cruz estaba estabilizada por un nudo hecho con una cuerda elástica delgada. Se puede lograr un mayor número de líneas utilizando la misma técnica de tejido.

La hoja de tejido expandió su área hacia la dirección de la urdimbre o la trama cuando el AMF correspondiente recibió la presión del fluido. Por lo tanto, controlamos la dimensión de la hoja de tejido (largo y ancho) variando independientemente la amplitud de la presión de entrada aplicada a los dos AMF. La figura 2B muestra el prototipo de tejido que se expandió un 44 % de su área inicial al presurizar (1,3 MPa) un AMF a la vez. Se logró una expansión del área del 108% al presurizar simultáneamente los dos AMF.

También fabricamos una hoja de tejido unidireccional formada a partir de un solo AMF como urdimbre e hilos acrílicos como trama (Fig. 2C). El AMF se dispuso en un zigzag de siete líneas, mientras que los hilos entrelazaron estas líneas AMF para formar una lámina textil rectangular. Este prototipo de tejido era más denso que el de la Fig. 2B gracias a los suaves hilos acrílicos que llenaban fácilmente toda la hoja. Dado que usamos solo un AMF como urdimbre, la hoja de tejido solo puede expandirse hacia la dirección de la urdimbre tras la presurización. La figura 2C muestra una instancia del prototipo de tejido que se expandió un 65 % de su área inicial cuando se presurizó (1,3 MPa). Además, esta hoja de tejido (que pesaba 2,6 g) podía levantar una carga de 500 g, que es 192 veces más pesada que su masa.

En lugar de colocar un AMF en un diseño en zigzag para crear una hoja de tejido rectangular, hicimos una forma de espiral plana de un AMF y luego lo restringimos radialmente con hilos de algodón para crear una hoja de tejido circular (Fig. 2D). La alta rigidez del AMF le impidió llenar el área más central de la hoja circular. Sin embargo, este relleno se puede hacer con hilos elásticos o telas estirables. Al recibir presión hidráulica, el AMF transformó su elongación longitudinal en la expansión radial de la lámina. También vale la pena señalar que tanto el diámetro exterior como el interior de la forma de espiral se expanden debido a la restricción radial de los hilos. La figura 2D muestra la forma de la lámina circular que se expandió un 25 % de su área inicial bajo una presión hidráulica aplicada de 1 MPa.

Presentamos aquí el segundo método para crear textiles inteligentes donde pegamos un AMF a una pieza de tejido plano para reconfigurarlo de una estructura pasiva a una activa y controlable. El concepto de diseño de un actuador de flexión se ilustra en la Fig. 3A, donde un AMF se pliega en su punto medio y se pega a una tira de tela no estirable (tela de muselina de algodón) utilizando cinta adhesiva de doble cara como elemento de unión. Tras la presurización, la parte superior del AMF se alarga libremente mientras que la parte inferior está restringida por la cinta y la tela, lo que da como resultado un movimiento de flexión de la tira hacia el lado de la tela. Podemos desactivar cualquier segmento en cualquier ubicación del actuador de flexión simplemente colocando un trozo de cinta encima. Los segmentos desactivados no pueden ejercer ningún movimiento y se convierten en segmentos pasivos.

Reconfiguración de tejidos pegando AMFs a tejidos convencionales. (A) Concepto de diseño de actuadores de flexión fabricados pegando un AMF plegable a un tejido no estirable. (B) Prototipo de actuador de flexión. (C) Reconfiguración de una tela rectangular en un robot activo de cuatro patas. Tejido no estirable: muselina de algodón tejido liso; tejido elástico: poliéster. Las especificaciones detalladas se pueden encontrar en la sección "Métodos".

Fabricamos varios prototipos de actuadores de flexión con diferentes longitudes y los presurizamos hidráulicamente para generar el movimiento de flexión (Fig. 3B). Se observa que el AMF puede disponerse en línea recta o plegarse para formar múltiples líneas antes de adherirse a la tela para crear un actuador de flexión con el número de líneas correspondiente. También reconfiguramos una lámina de tela pasiva en una estructura activa de cuatro patas (Fig. 3C) donde trazamos los límites de la tela rectangular no estirable (tela de muselina de algodón) con un AMF. El AMF se pegó a la tela con la ayuda de un trozo de cinta adhesiva de doble cara. Los segmentos medios de cada borde se grabaron para volverse pasivos, dejando cuatro esquinas activas. Una cubierta superior hecha de tela elástica (poliéster) era opcional. Las cuatro esquinas de la tela se doblaron hacia abajo (parecían piernas) cuando se presurizó.

Construimos una plataforma de prueba para examinar cuantitativamente las características de los textiles inteligentes desarrollados (consulte la sección "Métodos" y la Fig. S1 complementaria). Dado que todos los especímenes estaban hechos de AMF, la tendencia general de los resultados experimentales (Fig. 4) concuerda con la característica fundamental de AMF donde la presión de entrada tiene una relación proporcional con el alargamiento de salida y una relación proporcional inversa con la fuerza de contracción. Sin embargo, estos textiles inteligentes tienen sus propias características distintivas que representan sus configuraciones particulares.

Características de las configuraciones textiles inteligentes. (A,B) Perfiles de histéresis de presión de entrada y elongación y fuerza de salida de la hoja de tejido. (C) Expansión del área de la hoja de tejido. (D, E) Relación entre la presión de entrada y el alargamiento y la fuerza de salida de la hoja de tejido. (F) Área de expansión de la estructura de expansión radial. (G) Ángulos de flexión de tres longitudes diferentes de actuadores de flexión.

Cada AMF de la hoja de tejido recibió una presión de entrada de 1 MPa para generar aproximadamente un 30 % de elongación (Fig. 4A). Seleccionamos este umbral para todo el experimento por varias razones: (1) para crear un alargamiento sustancial (alrededor del 30 %) para resaltar su perfil de histéresis, (2) para evitar daños inesperados o mal funcionamiento como resultado del movimiento cíclico y prototipos reutilizables para diferentes experimentos bajo alta presión de fluido. Era claramente visible una zona muerta, donde la hoja de tejido permaneció estática hasta que la presión de entrada alcanzó 0,3 MPa. El gráfico de histéresis de presión-alargamiento mostró una amplia brecha entre las fases de presurización y liberación, lo que indica una pérdida de energía significativa cuando la hoja de tejido cambia su movimiento de expansión a contracción. (Figura 4A). La hoja de tejido podría ejercer una fuerza de contracción de 5,6 N después de recibir una presión de entrada de 1 MPa (Fig. 4B). El gráfico de histéresis de fuerza de presión también mostró que la curva de liberación casi se superponía a la curva de presurización. La expansión del área de la hoja de tejido se basa en las amplitudes de presión suministradas a cada uno de los dos AMF, que se muestran en el gráfico de superficie tridimensional (Fig. 4C). Los experimentos también revelaron que la hoja de tejido podía generar una expansión del área del 66 % cuando sus AMF de urdimbre y trama recibían simultáneamente una presión hidráulica de 1 MPa.

Los resultados experimentales de la sábana de tejido tienen un patrón similar al de la sábana de tejido, incluido el amplio intervalo de histéresis en el gráfico de presión-alargamiento y las curvas superpuestas en la relación de fuerza de presión. La hoja de tejido generó un alargamiento del 30% y posteriormente ejerció una fuerza de contracción de 9 N cuando recibió una presión de entrada de 1 MPa (Fig. 4D, E).

En el caso de la hoja de tejido circular, hubo una expansión de su área inicial al 25% después de recibir una presión de fluido de 1 MPa (Fig. 4F). Había una zona muerta sustancial de presión de entrada hasta 0,7 MPa antes de que la muestra comenzara a expandirse. Se esperaba esta gran zona muerta porque el espécimen estaba hecho de un AMF más grande que requería una presión más alta para superar su tensión inicial. La Figura 4F también mostró que las curvas de liberación casi superpusieron las curvas de presurización, lo que denota una pérdida de energía insignificante al cambiar los movimientos circulares de la hoja.

Los resultados experimentales para tres actuadores de flexión (reconfiguración de la tela) mostraron que sus perfiles de histéresis comparten patrones similares (Fig. 4G), en los que experimentaron una zona muerta de presión de entrada de hasta 0,2 MPa antes de subir. Suministramos el mismo volumen de fluido (0,035 ml) a los tres actuadores de flexión (L20, L30 y L50 mm). Sin embargo, cada actuador experimentó diferentes picos de presión y generó diferentes ángulos de flexión. Los actuadores L20 y L30 mm experimentaron una presión de entrada de 0,72 y 0,67 MPa para alcanzar un ángulo de flexión de 167° y 194°, respectivamente. El actuador de flexión más largo (L50 mm) experimentó una presión de 0,61 MPa para lograr el ángulo de flexión más grande de 236°. El gráfico de histéresis del ángulo de presión también mostró una brecha relativamente amplia entre las curvas de presurización y liberación de los tres actuadores de flexión.

La relación entre el volumen de entrada y las características de salida (alargamiento, fuerza, expansión del área, ángulo de flexión) de las configuraciones de textiles inteligentes anteriores se puede encontrar en la Fig. S2 complementaria.

Los resultados experimentales de la sección anterior demostraron claramente la relación proporcional entre la presión de entrada aplicada y el alargamiento de salida de las muestras hechas de AMF. Cuanta más presión recibe el AMF, más elongación genera y más energía elástica acumula. En consecuencia, más fuerza de contracción ejerce. Los resultados también revelaron que las muestras alcanzaron su máxima fuerza de contracción cuando la presión de entrada se eliminó por completo. Esta sección tiene como objetivo establecer la relación directa entre el alargamiento y la fuerza de contracción máxima de las láminas de tejido y tejido mediante modelos analíticos y validación experimental.

La fuerza de contracción máxima Fout de un solo AMF (cuando la presión de entrada P = 0) se ha presentado en la referencia 49, que se reintroduce de la siguiente manera:

donde α, E, A0 representan la relación de estiramiento, el módulo de Young y el área de la sección transversal del tubo de silicona, respectivamente; k es el coeficiente de rigidez de la bobina helicoidal; x y li son el desplazamiento y la longitud inicial del AMF, respectivamente.

Adaptando la Ec. (1) para el caso de hojas de tejer y tejer (Fig. 5A,B). La fuerza de contracción de una hoja de tejido Fkv y una hoja de tejido Fwh se expresan mediante las Ecs. (2) y (3), respectivamente.

donde mk es el número de columnas y φp es el ángulo de bucle en la fase de presurización de la hoja de tejido (Fig. 5A); mh es el número de líneas y θhp es el ángulo de enclavamiento en la fase de presurización de la hoja de tejido (Fig. 5B); εkv y εwh son la deformación de la hoja de tejido y la hoja de tejido, respectivamente; F0 es la tensión inicial de la bobina helicoidal. Derivaciones detalladas de las ecuaciones. (2) y (3) se pueden encontrar en la Información de apoyo.

Modelos analíticos para establecer la relación fuerza-alargamiento. (A, B) Ilustración del modelo analítico para tejer y tejer hojas, respectivamente. (C, D) Comparación entre modelos analíticos y datos experimentales para tejer y tejer hojas, respectivamente. Error cuadrático medio de raíz RMSE.

Para validar los modelos desarrollados, realizamos experimentos de fuerza de elongación utilizando la muestra de tejido de la Fig. 2A y la muestra de tejido de la Fig. 2B. La fuerza de contracción se recolectó en cada elongación bloqueada de 0 a 50 % con un incremento del 5 %. Los valores medios y la desviación estándar de cinco ensayos se representaron en la Fig. 5C (para tejer) y en la Fig. 5D (para tejer). La curva del modelo analítico se rigió por las Ecs. (2) y (3) con los parámetros que se muestran en la Tabla 1. Los resultados muestran que los modelos analíticos siguieron de cerca los datos experimentales para todo el rango de elongación con un error cuadrático medio (RMSE) de 0,34 N para tejido, 0,21 N para tejido AMF H (dirección horizontal), y 0,17 N para tejer AMF V (dirección vertical).

Además de los movimientos básicos, los textiles inteligentes propuestos se pueden programar mecánicamente para proporcionar movimientos más complejos, como la flexión en forma de S, la compresión radial y el cambio de forma de 2 a 3D. Presentamos aquí varias técnicas para programar un textil plano inteligente en las estructuras deseadas.

Junto con la expansión del área en una dirección recta, las hojas de tejido unidireccionales se pueden programar mecánicamente para producir un movimiento multimodal (Fig. 6A). Reconfiguramos el alargamiento de la hoja de tejido en movimiento de flexión restringiendo su cara (ya sea superior o inferior) usando hilo de coser. La lámina tiende a doblarse hacia la cara restrictiva tras la presurización. La Figura 6A muestra dos instancias de la hoja de tejido, donde se transformó en una forma de s al restringir una mitad en la cara superior y la otra mitad en la cara inferior. Alternativamente, al restringir solo una cara completa, se podría generar un movimiento de flexión en bucle. La hoja de tejido unidireccional también se puede implementar como un manguito de compresión uniendo sus dos extremos para formar una estructura tubular (Fig. 6B). La manga podría encerrar el dedo índice humano y proporcionar fuerza de compresión, que es una terapia de masaje para aliviar el dolor o mejorar la circulación sanguínea. Se puede ampliar para adaptarse a otras partes del cuerpo, como brazos, muslos y piernas.

Capacidades de hojas de tejido unidireccional. (A) Programabilidad de formas mediante hilo de coser para producir estructuras que cambian de forma. (B) Manguito de compresión para un dedo. (C) Otra realización de la hoja de tejido y su implementación como una manga de compresión del antebrazo. (D) Otro prototipo de manga de compresión hecha de AMF tipo M, hilos acrílicos y una correa de velcro. Las especificaciones detalladas se pueden encontrar en la sección "Métodos".

La Figura 6C presenta otra realización de las hojas de tejer unidireccionales hechas de un solo AMF e hilos de algodón. La lámina podría generar una expansión del área del 45 % (a 1,2 MPa) o inducir un movimiento circular tras la presurización. También implementamos la sábana para crear una manga de compresión para el antebrazo colocando una correa magnética en los extremos de la sábana. Otro prototipo de manga de compresión para el antebrazo se muestra en la Fig. 6D, donde la hoja de tejido unidireccional se hizo de un AMF tipo M (consulte la sección "Métodos") e hilos acrílicos para generar una fuerza de compresión más fuerte. Equipamos los extremos de la sábana con tiras de velcro para facilitar la sujeción y adaptarse a varios tamaños de brazos.

La técnica de restricción para transformar el alargamiento recto en movimiento de flexión también es aplicable para la hoja de tejido bidireccional. Entrelazamos hilos de algodón en una cara de la hoja de tejido en las direcciones de urdimbre y trama para impedir su expansión (Fig. 7A). Por lo tanto, cuando dos AMF recibieron presión hidráulica de forma independiente, la lámina ejerció un movimiento de flexión bidireccional, formando estructuras 3D arbitrarias. En el otro enfoque, usamos hilos inextensibles para restringir una dirección de la hoja de tejido bidireccional (Fig. 7B). Como resultado, la lámina podría generar un movimiento independiente de flexión y alargamiento al presurizar los AMF correspondientes. La Figura 7B mostró un caso en el que se controló la hoja de tejido bidireccional para que envolviera dos tercios del dedo humano mediante un movimiento de flexión y luego extendiera su longitud para cubrir el resto mediante un movimiento de elongación. El movimiento bidireccional de la hoja puede beneficiar el diseño de moda o el desarrollo de prendas inteligentes.

Capacidades de una hoja de tejido bidireccional, hoja de tejido y estructura de expansión radial. (A) Restricción bidireccional de una hoja de tejido bidireccional para producir una flexión bidireccional. (B) Restricción unidireccional de una hoja de tejido bidireccional para producir flexión y alargamiento. (C) Hoja de tricotado altamente conformable que podría adaptarse a varias curvaturas superficiales o incluso formar una estructura tubular. (D) Restricción de la línea central de una estructura de expansión radial para formar una forma de paraboloide hiperbólica (una patata frita).

Unimos dos bucles adyacentes de las hileras superior e inferior de la hoja de tejido con hilo de coser para evitar que se deshiciera (Fig. 7C). En consecuencia, la hoja de tricotar es completamente flexible y muy adaptable a varias curvaturas superficiales tales como las superficies de la piel de la mano y el brazo humanos. También creamos una estructura tubular (manga) uniendo dos extremos de la hoja de tejido en la dirección de la pasada. La manga abrazaba muy bien el dedo índice humano (Fig. 7C). Las características serpenteantes de la sábana ofrecen una gran adaptabilidad y deformabilidad, lo que facilita su uso en prendas inteligentes (guantes, mangas de compresión) que brindan a los usuarios comodidad (por adaptabilidad) y efecto terapéutico (por fuerza de compresión).

Además de la expansión radial 2D en múltiples direcciones, la hoja de tejido circular también se puede programar para formar una estructura 3D. Restringimos la línea central de la hoja de tejido circular con hilos acrílicos para interrumpir su expansión radial uniforme. Como resultado, la forma plana inicial de la hoja de tejido circular se transformó en una forma similar a un paraboloide hiperbólico (o una patata frita) tras la presurización (Fig. 7D). Esta capacidad de cambio de forma se puede implementar como un mecanismo de elevación, una lente óptica, patas para robots de locomoción, o tal vez útil para el diseño de moda y robots bioimitadores.

Hemos desarrollado una técnica simple para crear un actuador de flexión, pegando un AMF a una tira de tela no estirable (Fig. 3). Aprovechamos este concepto para crear filamentos de forma programable, en los que podemos asignar estratégicamente múltiples segmentos activos y pasivos en un solo AMF para producir la forma deseada. Fabricamos y programamos cuatro filamentos activos que podrían transformar sus formas de líneas rectas a letras (UNSW) al ser presurizados (Fig. S4 complementaria). Esta técnica simple permite que la capacidad de cambio de forma de los AMF convierta líneas 1D en formas 2D y posiblemente estructuras 3D.

En un enfoque similar, utilizamos un solo AMF para reconfigurar una pieza de tejido convencional pasivo en una estructura activa de cuatro patas (Fig. 8A). El concepto de enrutamiento y programación era similar al de la Fig. 3C. Sin embargo, comenzamos con una tela con forma de patrón de cuatro patas (forma de tortuga, tela de muselina de algodón) en lugar de utilizar una sábana rectangular. Como resultado, las patas eran más largas y podían elevar la estructura más alto. La altura de la estructura fue aumentando gradualmente al presurizarse hasta que sus patas quedaron perpendiculares al suelo. Si la presión de entrada siguiera aumentando, las patas se doblarían hacia adentro, bajando la altura de la estructura. La estructura de cuatro patas puede ejercer locomoción si sus pies están equipados con patrones unidireccionales o utilizando múltiples AMF con estrategias de operación de locomoción. Los robots suaves de locomoción son necesarios en varias tareas, incluidas las misiones de rescate de incendios forestales, edificios derrumbados o entornos peligrosos, y robots de administración de medicamentos para aplicaciones médicas.

Reconfiguración de telas para producir estructuras que cambian de forma. (A) Pegar un AMF a los límites de la hoja de tela pasiva para convertirlo en una estructura controlable de cuatro patas. (B–D) Otros dos ejemplos de reconfiguración de tejido que convierten el tejido pasivo mariposa y flor en tejidos activos. Tejido no estirable: muselina de algodón de tejido liso.

También aprovechamos la simplicidad y la versatilidad de esta técnica de reconfiguración de tejido mediante la introducción de otras dos estructuras de transformación de forma bioinspiradas (Fig. 8B-D). Estas estructuras que cambian de forma se reconfiguraron de láminas de tela pasivas a activas y controlables con la ayuda de enrutamiento de AMF. Inspirándonos en la mariposa Monarca, fabricamos una estructura de mariposa morphing utilizando un trozo de tela con forma de mariposa (tela de muselina de algodón) y un largo AMF pegado debajo de sus alas. Las alas se doblarán hacia arriba al presurizar el AMF. Al igual que la mariposa monarca, las alas izquierda y derecha del robot mariposa aleteaban de la misma manera porque estaban controladas por un solo AMF. La mariposa aleteaba solo como demostración. No podía volar como el Smart Bird (Festo Corp., EE. UU.). También fabricamos una flor de tela (Fig. 8D) que tenía dos capas de pétalos, cinco pétalos para cada capa. Pegamos un solo AMF debajo de cada capa siguiendo los límites exteriores de los pétalos. Inicialmente, la flor estaba en plena floración, en la que todos los pétalos estaban completamente abiertos. Tras la presurización, el AMF provocó el movimiento de flexión de los pétalos, obligándolos a cerrarse. Dos AMF controlaron el movimiento de dos capas de forma independiente mientras cinco pétalos en la misma capa se curvaban al mismo tiempo.

Gracias a la característica de respuesta rápida de los AMF, estas estructuras que cambian de forma podrían funcionar a una velocidad comparativa (2 Hz para la estructura de cuatro patas y 1 Hz para la mariposa y la flor) y una alta durabilidad o repetibilidad (más de 1000 ciclos).

El campo de la robótica basada en textiles está experimentando un cambio de paradigma desde el uso de textiles como sustratos pasivos a textiles inteligentes programables cuyas composiciones consisten en hilos que responden a estímulos. Nuestros actuadores blandos (o AMF) desarrollados recientemente, que se asemejan a los hilos pasivos convencionales en términos de flexibilidad y alta relación de longitud por diámetro, pueden alargarse de un lado a otro bajo presión hidráulica, siendo excelentes elementos candidatos para fabricar textiles inteligentes y activos. Hemos presentado dos enfoques para crear textiles inteligentes basados ​​en AMF: (1) AMF de punto y tejido; y (2) adherir AMF a tejidos pasivos convencionales.

En el primer enfoque, adaptamos las técnicas tradicionales de tejido y tejido para construir una hoja de tejido basada en AMF, una hoja de tejido bidireccional, una hoja de tejido unidireccional y una hoja de tejido circular. En sus configuraciones experimentales actuales, estos textiles inteligentes podrían generar una expansión de área del 35 %, 108 %, 65 % y 25 %, respectivamente. Nuestros resultados son comparables con los de la literatura, por ejemplo, los textiles tejidos hechos de polímeros electroactivos lograron menos del 5 % de tensión46, los textiles activos hechos de músculos McKibben ejercieron una relación de contracción máxima del 7,1 %45, la muñequera SMA tejida logró 36% de contracción42. Generalmente, el AMF (que es impulsado por fluido) tiene un tiempo de respuesta más rápido en comparación con los filamentos térmicamente sensibles. Además, la tasa de elongación de estos textiles inteligentes puede alcanzar un valor superior de al menos el 250 %, que es el límite de elongación de la AMF, como se demuestra en nuestro trabajo reciente49.

Se produjo una brecha de histéresis en los perfiles de histéresis de elongación de presión, siendo una característica inherente de los AMF. Refleja la pérdida de energía al pasar de la fase de presurización a la fase de liberación. Los datos experimentales revelaron que las brechas de histéresis de las configuraciones de tejido y tejido eran significativamente más amplias que las de un solo AMF49. Significa que la histéresis de los AMF es un atributo acumulativo. Las zonas muertas que se encuentran en los gráficos de histéresis representan la tensión inicial de cada configuración particular. Se requiere energía de entrada (presión) para superar estos umbrales a fin de cambiar el estado de configuración de estático a en expansión. La tensión inicial de los AMF también es un atributo acumulativo y está fuertemente correlacionada con las propiedades elásticas de la bobina helicoidal constituyente y el tubo de silicona. Al cambiar el modo de operación AMF de presurización a liberación, la pérdida de energía fue en forma de calor. Sin embargo, dado que la mayoría de nuestros prototipos usaban muy poca energía, el escape de energía en forma de calor era imperceptible. Observamos el funcionamiento de nuestros prototipos bajo una cámara térmica y apenas notamos cambios en su temperatura. El uso de energía de nuestros textiles inteligentes también fue escalable, lo que significa que las estructuras en miniatura consumirán incluso menos energía, al igual que el calor que se escapa. Hemos desarrollado matemáticamente y validado experimentalmente modelos analíticos para establecer la relación fuerza-alargamiento de las configuraciones de tejido y tejido. No pudimos proporcionar un modelo analítico para actuadores de flexión debido a la complejidad al incorporar las especificaciones y propiedades del material base y también el estado de contacto entre el AMF y la base.

También introdujimos varias técnicas programables para crear movimiento multimodal de textiles inteligentes. Con las restricciones adecuadas, la expansión del área ordinaria de los textiles inteligentes podría transformarse en una forma de s, paraboloide hiperbólico, estructura hueca, manguito de compresión, flexión bidireccional, flexión independiente y forma de alargamiento. Nuestras configuraciones de textiles inteligentes ofrecen versatilidad, capacidad de programación y capacidades de cambio de forma, que son características favorables en el campo de la robótica blanda para el desarrollo de prendas inteligentes, dispositivos portátiles y estructuras de transformación de formas bioinspiradas.

En el segundo enfoque, incrustamos los AMF en tejidos pasivos convencionales para crear los movimientos de flexión y las deformaciones deseadas tras la presurización. Este método simple, rápido y fácil facilitó filamentos de forma programable, cuyos segmentos podían programarse mecánicamente para volverse activos o pasivos para generar las deformaciones deseadas. También aplicamos este concepto para reconfigurar láminas de tela planas pasivas en estructuras 3D activas y controlables. Luego demostramos a través de varias estructuras de transformación de formas bioinspiradas, como estructuras de cuatro patas, una mariposa y una flor. La capacidad de transformar láminas 2D pasivas en estructuras 3D activas con los movimientos deseados utilizando AMF abre una nueva posibilidad de manipular objetos para su uso en varios dominios. Por ejemplo, dispositivos compactos y desplegables para misiones espaciales, construcción e industria. También se puede utilizar para crear robots blandos bioinspirados que proporcionan movimientos biomiméticos para decoraciones y diseño de moda, así como dispositivos de asistencia portátiles para visualización háptica, rehabilitación y aumento humano.

Hemos investigado una amplia gama de capacidades de cambio de forma de las configuraciones de textiles inteligentes basadas en AMF centrándonos en sus movimientos (o deformaciones) en lugar de su fuerza generada. Aunque hemos introducido diferentes enfoques para crear diferentes textiles inteligentes para diferentes aplicaciones, estos trabajos son una prueba de concepto que creemos que proporcionará una tecnología alternativa a los textiles inteligentes suaves impulsados ​​por robótica para muchas aplicaciones, que van desde prendas de compresión inteligentes hasta formas -Robots desplazables para búsqueda y rescate, o exhibición. A pesar de los avances, es necesario mejorar varias áreas. Por lo tanto, sugerimos que el trabajo futuro se centre en estudiar exhaustivamente una configuración de tejido inteligente particular en términos de movimiento, fuerza y ​​aplicaciones específicas. Se desean modelos analíticos para actuadores de flexión con fines de control. Otra área que podría mejorar el rendimiento del tejido inteligente es el uso de modelado de histéresis no lineal y control adaptativo donde se utilizará la retroalimentación de salida en tiempo real de un sensor suave para el control de circuito cerrado53,54. Dado que los AMF se pueden hacer de un metro de largo, posiblemente se puedan usar como filamentos en máquinas de tejer, tejer y bordar a pequeña escala para producir textiles inteligentes con las especificaciones deseadas y una alta confiabilidad. Un estudio para demostrar la viabilidad de los textiles inteligentes hechos a máquina y los textiles inteligentes lavables es esencial para acelerar la industria de las prendas inteligentes. Por ejemplo, nuestro músculo artificial se puede utilizar con máquinas de coser o bordar avanzadas y automatizadas, como las de Tajima Industries Ltd, Japón, para formar textiles inteligentes a gran escala. Es deseable desarrollar una fuente de energía hidráulica portátil para impulsar textiles inteligentes para otras aplicaciones. Durante los experimentos, también notamos que había un movimiento de rotación de los AMF individuales que se debe a la naturaleza de la bobina helicoidal como capa de restricción exterior. Sin embargo, esta rotación afectó levemente el alargamiento del textil inteligente. En algunas configuraciones donde los AMF estaban dispuestos en direcciones opuestas, el efecto de rotación es poco probable. Para algunas aplicaciones en las que se desea mucho una extensión puramente lineal, se desean modelos matemáticos que tengan en cuenta este efecto. A través de demostraciones, observamos que la pérdida de presión era insignificante y que la conversión de energía era efectiva incluso con AMF de un metro de largo. Sin embargo, sugerimos un estudio exhaustivo sobre la relación entre la pérdida de presión y las especificaciones de los AMF para beneficiar estrategias de control precisas. Finalmente, se requiere más investigación para explorar el gran potencial de incorporar componentes funcionales en textiles inteligentes para proporcionar beneficios adicionales (detección, rigidez variable) junto con la actuación fundamental.

En conclusión, este artículo presenta una nueva clase de textiles inteligentes construidos a partir de varias configuraciones de músculos artificiales impulsados ​​por fluidos. Los textiles inteligentes propuestos brindan un alto grado de versatilidad y capacidad de programación, lo que permite nuevas posibilidades en el campo de la robótica blanda, incluidas las estructuras que cambian de forma, los robots blandos biomiméticos, los robots de locomoción y las prendas inteligentes. Anticipamos que este concepto inspirará la mejora y el desarrollo relacionados, beneficiando al campo de la robótica en su conjunto.

Utilizamos dos tipos de AMF para configurar textiles inteligentes. Los AMF tipo S se fabricaron con un tubo de caucho de silicona de 1,19 mm de diámetro exterior, 0,64 mm de diámetro interior (Saint-Gobain, Francia) y una bobina de acero inoxidable de 1,49 mm de diámetro exterior, con un diámetro de alambre de 0,17 mm (Asahi Intecc, Japón). Los AMF tipo M se fabricaron con un tubo de caucho de látex de 3,18 mm de diámetro exterior, 1,59 mm de diámetro interior (McMaster-Carr, EE. UU.) y una bobina de acero inoxidable de 3,18 mm de diámetro exterior, con un diámetro de alambre de 0,33 mm (McMaster-Carr, EE. UU.).

La hoja de tejido (Fig. 2A) tiene una dimensión de 54 × 52 mm construida a partir de tres AMF L300 mm tipo S utilizando la técnica de tejido de trama con tres hileras y siete columnas. La hoja de tejido bidireccional (Fig. 2B) tiene una dimensión de 52 × 52 mm construida a partir de dos AMF L400 mm tipo S utilizando la técnica de tejido plano con un patrón de 7 × 7 líneas. La hoja de tejido unidireccional (Fig. 2C) tiene una dimensión de 57 × 27 mm construida a partir de un L400 mm AMF tipo S como urdimbre con siete líneas e hilos acrílicos como trama. La estructura de tejido circular (Fig. 2D) tiene un DE de 58 mm, un DI de 18 mm construido a partir de un L500 mm AMF tipo M. Los tres actuadores de flexión (Fig. 3B) tienen sus longitudes de sección activa de 20, 30 y 50 mm construidos de tres AMF tipo S con las longitudes correspondientes de 60, 80 y 120 mm. La estructura de cuatro patas (Fig. 3C) tiene una dimensión de 60 × 50 mm construida a partir de un L200 mm AMF tipo S enrutando el límite de una pieza de tela rectangular (tela de muselina de algodón). La hoja de tejido unidireccional (Fig. 6C) tiene una dimensión de 130 × 80 mm construida a partir de una L1200 mm AMF tipo S como urdimbre con nueve líneas e hilos de algodón como trama. La hoja de tejido unidireccional (Fig. 6D) tiene una dimensión de 140 × 72 mm construida a partir de un L920 mm AMF tipo S como urdimbre con seis líneas e hilos acrílicos como trama.

La plataforma de prueba consistía en un control deslizante lineal motorizado (Zaber, Canadá) que impulsaba una jeringa médica (BD Biosciences, Canadá) para proporcionar volumen de entrada (agua destilada) y presión a una muestra (Figura complementaria S1). Se colocó un sensor de presión (Honeywell, EE. UU.) justo después de la salida de la jeringa para medir la presión de entrada. En los casos de especímenes de punto y tejido, sus extremos distales se conectaron a un deslizador lineal y un codificador (US Digital, EE. UU.) para medir el desplazamiento de salida. Se usó una cuerda elástica delgada para evitar la holgura al recopilar datos de desplazamiento. El conjunto codificador se reemplazó con una celda de carga (Futek, EE. UU.) al momento de medir la fuerza de contracción. En los casos de actuadores de expansión radial y flexión, se ubicó una cámara digital en la parte superior de la plataforma para capturar la deformación de los especímenes.

Conectamos la salida de la jeringa a los tres AMF de la hoja de tejido a través de un distribuidor de fluidos de 1 a 3. En las pruebas de elongación, accionamos el émbolo de la jeringa para suministrar presión hidráulica a la muestra mediante una señal sinusoidal de 0,1 Hz con una amplitud que generó una presión máxima de 1 MPa. En las pruebas de fuerza, suministramos presión hidráulica al espécimen hasta alcanzar 1 MPa y luego conectamos el extremo distal del espécimen a la celda de carga. Posteriormente, retiramos el émbolo de la jeringa mediante una señal sinusoidal de 0,1 Hz con una amplitud que mantuvo la presión hidráulica mínima en 0,1 MPa. También aplicamos este procedimiento de prueba para cada AMF de la hoja de tejido.

Para los experimentos de expansión radial, aumentamos gradualmente la presión de entrada al espécimen hasta alcanzar una presión máxima de 1 MPa y luego reducimos la presión a la etapa inicial a la misma velocidad. La cámara registró la deformación del espécimen durante el procedimiento de prueba y luego la procesó para obtener los cambios de área. Aplicamos un procedimiento similar para medir los cambios de ángulo de los actuadores de flexión.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores reconocen el apoyo de UNSW Start-Up Grant (PS58173), UNSW Scientia Fellowship Grant (PS46197) y Vanguard Grant de National Heart Foundation of Australia (RG204224). Los autores quisieran agradecer a la Sra. Phuong Nga Nguyen por proporcionar materiales de tela para hacer robots blandos bioinspirados.

Escuela de Graduados de Ingeniería Biomédica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), Sydney, NSW, 2052, Australia

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

Escuela de Ingeniería Mecánica y de Fabricación, Facultad de Ingeniería, Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), Sydney, NSW, 2052, Australia

Hoang Phuong Phan

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PTP y TND establecieron los protocolos de fabricación, conceptualizaron las ideas y el diseño del dispositivo, y realizaron experimentos. PTP, MTT, TTH, JD, CCN, H.-PP, NHL y TND escribieron el artículo, supervisaron las actividades de investigación, contribuyeron con reactivos/materiales/herramientas de análisis y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Thanh Nho Do.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Phan, PT, Thai, MT, Hoang, TT et al. Textiles inteligentes que utilizan fibras musculares artificiales impulsadas por fluidos. Informe científico 12, 11067 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15369-2

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Recibido: 06 Abril 2022

Aceptado: 22 junio 2022

Publicado: 30 junio 2022

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

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