利用图灵模式增强软气动技术

Josiah02

根据《科学报告》最近的一项研究，图灵模式可用于开发一种设计和生产基于织物的软气动执行器（FSPA）的新方法。
基于织物的软气动执行器 (FSPA) 是一种柔性软设备，当对其施加压力时，它们会变形或移动。它们通过充气或放气来发挥作用，从而使织物弯曲、拉伸或扭曲。
软机器人通常依赖于 FSPA，因为它们具有至关重要的灵活性和适应性。与传统的刚性机器人部件不同，FSPA 可以安全地与人类和精密物体交互。
由于其柔软轻便的特性，FSPA 非常适合可穿戴设备、自适应庇护所、机器人夹持器和辅助设备等应用。它们的价值在于低成本、安全性和灵活性。
然而，设计和制造 FSPA 极具挑战性。研究团队通过流程自动化解决了这一挑战。
该团队由日本丰田中央研发实验室的 Masato Tanaka 博士和 Tsuyoshi Nomura 博士以及美国丰田汽车工程与制造北美公司的 Yuyang Song 博士组成。
Phys.org 采访了研究人员，他们分享了进行这项研究的动机。
田中博士说：“这项研究的动机源于软机器人领域对气动执行器的公认需求，这种执行器可以使用简单的机制执行受控运动，而无需依赖专门的材料或技术。”
图灵模式
“我们的目标是开发简单、低成本的 FSPA，以实现形状变形功能。我们特别注重将艾伦·图灵的形态发生理论（称为图灵图案）融入这些表面纹理的设计过程中，”Nomura 博士说。
1952 年，艾伦·图灵提出了形态发生理论，描述了自然界中的图案（条纹、螺旋等）如何从均匀分布的状态产生。
宋博士说：“受艾伦·图灵工作的启发，图灵模式可以从各向同性反应扩散方程中推导出来，我们采用基于梯度的方向优化方法来设计 FSPA 的表面膜。”
图灵模式源自具有反应和扩散成分的系统。主要思想是，我们有两种相互作用的物质，其中一种物质促进两种物质的促进，而第二种物质抑制或阻止第一种物质。
这种反馈回路的结果是形成稳定的、重复的模式或图灵模式，就像斑马和老虎身上的条纹一样。
反复试验
设计 FSPA 的最大挑战是需要不断反复试验才能找到合适的材料。
“传统的气动结构通常使用具有特定几何特征（例如缝合线）的各向同性材料来实现形状变形，”Tanaka 博士解释道。
传统 FSPA 通常使用以均匀特性著称的软各向同性材料。这可确保材料在施加压力时均匀膨胀或弯曲。
演示开发的 FSPA 的弯曲。
然而，设计和制造一种以可控和可预测的方式变形的材料需要反复试验，而且可能非常耗时。研究团队的目标是通过流程自动化和优化来绕过这些限制，从而在软机器人应用中实现更先进、更可控的运动。
“我们采用基于梯度的方向优化方法来设计这些结构的表面膜。这种方法假设在膜上使用各向异性材料，其中方向可以自由变化，这使得制造这种结构成为一项重大挑战，”宋博士说。
野村博士补充道：“我们的研究利用图灵模式来弥合基于材料方向的优化设计和 3D 打印之间的差距，从而解决了这一挑战。”
流程自动化
FSPA 由材料组成，该材料是用于构造执行器的织物，以及根据压力做出运动的执行器。
他们的方法的第一步是优化材料的方向，即柔性织物的纤维如何排列在执行器的表面上。
为此，他们采用了非线性有限元法。经过优化，取向布局被转化为材料上的特定图案。
这些特定图案是由研究人员使用的各向异性反应扩散系统数学模型生成的。该图案填充整个表面并确保材料以所需的方式变形。
田中博士解释说：“通过求解这些方程并结合有关优化材料各向异性分布的信息，我们生成了与原始材料各向异性相对应的各向异性图灵图案纹理。”
为了制造 FSPA，研究人员探索了两种方法：热粘合和刺绣。
在热粘合过程中，Dyneema 等硬质织物被激光切割成所需的图灵图案，然后使用热压机将其粘合到 TPU 薄膜等较软的织物上。相比之下，刺绣技术使用硬线将图灵图案嵌入柔软的织物中，从而形成不同硬度的区域，从而实现受控的运动。
“这些展示的制造方法为这些先进的执行器提供了可扩展且经济高效的生产可能性，”宋博士解释道。
与经典作品比较
研究团队将他们的设计与经典的简单设计进行了比较，发现他们的图灵模式设计表现出相当且更好的性能。
对于 C 形设计，图灵模式被证明比传统设计更有效，可将执行器边缘之间的距离减少约 10%。
对于扭转运动，图灵图案设计的表现与经典设计类似。然而，S 形弯曲传统上很难实现。
野村博士说：“我们的方法可以通过使用优化方法设计印刷在膜上的纹理图案，用简单的气动输入实现任何运动。”
研究团队表示，未来的研究可以考虑将图灵图案设计与形状记忆或电活性聚合物等尖端材料相结合，以开发具有改进动力学的执行器。
研究人员还预见到探索制造技术的扩展以适应大规模生产和更大的执行器，可能使用柔性材料 3D 打印或自动编织等方法来提高效率和精度。