可扩展编织执行器为机器人和可穿戴设备提供了新的可能性

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在过去的几十年里，电子工程师们开发出了越来越灵活、多功能和高性能的设备，用于广泛的实际应用。他们的一些努力旨在创造智能和传感纺织品，这些纺织品可用于制造弹性机器人系统、医疗设备和可穿戴技术。
江南大学的研究人员最近推出了一种新的纺织工程方法，用于制造用于医疗技术和机器人系统的编织和软执行器。他们提出的制造策略在《Cell Reports Physical Science》的一篇论文中概述，既可扩展又易于设计，这可能有助于其未来的大规模应用。
“3D 打印和弹性体铸造等传统方法不能完全满足软机器人和可穿戴设备的适应性和舒适性需求，特别是在开发不仅灵活、功能齐全而且成本低廉、易于定制和可扩展的集成设备方面，”该论文的通讯作者孙凤新博士告诉 Tech Xplore。
“受到‘纱线到衣服’制造方法的启发，我们利用双系统编织技术将传感功能和驱动模式无缝集成到软机器人‘服装’中。”
Sun 及其同事采用的技术在编织时将经纱和纬纱（将纱线转化为织物的两种基本成分）排列成清晰的平面布局。这意味着它能够定制编织执行器，这是通过仔细编程纱线的排列和组成来实现的。
“我们的方法可以实现个性化变形和实时传感反馈，使编织执行器特别适用于康复可穿戴设备等应用，”孙博士说。“传感纱线的制作非常简单，类似于编织发型。使用工业编织机将导电纱线以螺旋状编织在弹性芯纱周围，为电流形成通路。”
当用于编织执行器的纱线被拉伸时，由于导电纱线螺旋的分离，电流可以流过的路径会被关闭。这种结构变化反过来会影响流过纱线的电信号，从而实现应变检测。
“我们开发的传感纱线直接集成到我们编织执行器的织物中，”孙博士说。“本质上，当执行器移动时，纱线中的阻力会发生变化，这些数据可用于了解执行器的性能。”
使用该团队的方法生产的传感纱线的一个独特特点是它们完全编织到织物中。这意味着它们不会给纺织品增加任何重量、硬度或体积，从而使执行器能够监测自身的运动而不会失去其灵活性和适应性。
孙博士说：“得益于双系统编织技术，我们可以定制编织的气动执行器，使其仅在我们预期的方向上充气，从而有效地解决软机器人社区面临的'气球状'充气问题。”
“此外，我们的编织策略提供了一种灵活且可扩展的解决方案，用于制造多变形软执行器，例如通过简单地调整纱线张力、密度和编织结构，能够在单一气源下实现双向弯曲、扭曲和螺旋形的软执行器。”
研究人员展示了用这种纱线开发双向弯曲致动器的可行性，这种致动器可用作软机器人夹持器。这些夹持器可用于模仿动物的动作，例如复制章鱼触手的伸展动作，将物体拉近并抓住它们。
更多信息： Haoyun Li 等人，用于医疗保健的具有定向充气、双侧弯曲和自我感应功能的纱线分组编织软机器人，Cell Reports Physical Science (2024)。DOI ：10.1016/j.xcrp.2024.102137
期刊信息： Cell Reports Physical Science