泡沫流体技术展示了团队的电路设计创新方法

Josiah01

　　当想象下一代可穿戴设备和机器人时，你首先想到的可能不是沙发垫里的泡沫填充物。然而，莱斯大学的工程师们已经证明，空气通过开孔泡沫的透气网状结构这种简单的事情，可用于在基于软纺织品的可穿戴系统中进行数字计算、模拟传感和数字模拟组合控制。
　　“在这项工作中，我们将材料智能（材料感知和响应其环境的能力）与电路驱动逻辑相结合，采用了一种基于流体流过软泡沫的非常简单的方法，”机械工程助理教授丹尼尔·普雷斯顿说，他是《先进功能材料》杂志上发表的这项研究的通讯作者。
　　软体机器人和可穿戴设备中的气动逻辑电路传统上采用与电子电路类似的设计方式，即通过连接元件将电阻器、电容器、二极管和门等各个组件连接在一起。这种传统架构依赖于互连的逻辑门 - 数字系统中的基本构建块，可将一个或多个输入转换为单个输出。
　　在之前的工作中，普雷斯顿创新实验室开发了一种使用气动逻辑电路对纺织可穿戴设备进行无电子控制的方法。然而，这种初始方法并没有依赖软材料固有的特性来最大限度地提高电路设计效率。
　　“任务或操作越复杂，通常所需的逻辑门数量就越多，”普雷斯顿解释道。
　　在实际应用中，这可能导致设备更重、更昂贵、更难制造，也更容易出现故障。为了解决这个问题，研究人员想出了如何利用空气流经泡沫板微孔产生的压力差，以更经济的电路设计执行复杂的气动计算和控制任务。
　　“在这里，我们展示了软材料本身的特性（例如泡沫板的海绵状或孔隙率）可以用来实现流体控制任务，例如感知用户施加的力度或将数字压力信号转换为模拟信号，从而减少对流体逻辑门的依赖并简化操作，”这项研究的主要作者、莱斯大学在项目期间的研究科学家 Anoop Rajappan 说。
　　与液体不同，空气的密度会随着压力而变化，这使得通过泡沫板的气流建模更加复杂。尽管如此，研究人员还是迎难而上。
　　拉贾潘说：“我们开发了一个分析气体流经多孔材料的理论框架，创造了新的实验技术来测量泡沫的流体特性，并最终生成了一个泡沫流体阻力随施加力而变化的模型。”
　　研究人员设计了泡沫基流体电阻器，这是一种限制气动回路中气流的装置，类似于电子电阻器限制电子电路中电流的方式。这些电阻器可用于创建二维气动逻辑电路，可嵌入基于纺织品的可穿戴设备中。
　　Rajappan 表示：“通过重新设计电阻器等电路元件，利用泡沫等软材料的流体特性，我们可以构建可靠、流线型的软机器人和可穿戴设备，这些设备由气动装置驱动，而不再依赖电机和电池等笨重、笨重或刚性的组件。”
　　“例如，可穿戴机器人设备可以为行动不便的用户提供帮助，用纺织品制造可穿戴设备并利用压缩空气为其提供动力可以使其对用户来说舒适、轻便、低成本且不引人注目。”
　　除了普雷斯顿和拉贾潘，这项研究的其他作者还包括刘真、叶菲和拉万德·拉希德。拉贾潘、刘真和叶菲分别接受了杜兰大学、德克萨斯大学达拉斯分校和夏威夷大学的终身制助理教授职位。拉希德是 Helix Earth Technologies 的首席执行官，该公司是普雷斯顿实验室衍生出来的一家初创公司。