通訊作者：Rebecca Kramer-Bottiglio（1）將功能性纖維引入到織物中，實現了機器人織物的設計和制造；（2）對執行器、變剛度支撐結構和傳感結構進行了詳細分析和測試；織物是最普遍和適應性最強的材料。由于其交織的纖維結構，織物具有透氣、舒適和高度緊湊的優點。此外，它們可承受擠壓、撕裂和彎曲等。鑒于這些多功能的特點和獨特的設計空間，織物機器人化未來有助于實現智能自適應服裝、自動展開遮蔽物和輕質、可收納、可變形的機器。在前期的研究中，絕大多數展示了單個機器人部件的成功，但它們通常是被動的或不受控制的，并且致動器依賴外部行為者在單次使用或致動周期后“重置”它們。在這些設計概念中，大多依賴于主機結構的存在，例如可穿戴設備的用戶，獨立運行的織物機器的概念也很少被探索。近日，美國耶魯大學Rebecca Kramer-Bottiglio團隊以“Roboticizing fabric by integrating functional fibers”為題，在新一期的Science Advances上發文，通過使用典型的紡織制造技術將功能纖維集成到傳統織物中，實現了機器人織物。引入了一組致動和可變剛度纖維，以及可印刷的織物內傳感器，可允許自動閉環控制日常織物，同時保持輕質和透氣性。最后，通過將機器人織物應用于可穿戴止血帶、變形和承重可展開結構，以及無繩索、自收起機翼，展示了機器人織物的實用性。圖1A展示了通過受控閉環行為和自主任務執行，功能化織物成為一個完整的獨立機器人平臺。本文的工作填補了文獻中的幾個空白，引入了一組功能性纖維，將驅動、結構控制和傳感功能統一到一個內聚的機器人織物單元中(圖1B和C)。通過使用類似纖維的組件作為活性部件(圖1D)，從而保留了織物的理想品質，不僅輕薄透氣，而且將具備復雜的曲率和無限的表面配置。作者選擇鎳鈦形狀記憶合金作為驅動纖維。形狀記憶合金是導電的，當被編程來記住一個形狀時，它會隨著熱量而激活，這兩個特點使得通過焦耳加熱進行電氣控制成為可能。作者使用形狀記憶合金線來產生彎曲運動(圖2A)。彎曲允許形狀記憶合金線與織物基底“平面內”致動(圖2B)，并且當與織物相對側上的致動器配對時，促進可逆的相反運動。彎曲的金屬絲致動器也可以很容易地通過挑繡(圖2C)固定到織物上。將相對的金屬絲彎曲致動器集成到高柔性織物中的一個挑戰是，任何偏離中心的力都會促使金屬絲扭曲織物，而不是純粹的彎曲。這種扭曲會導致混亂的動作，甚至如果金屬絲在它的內側翻轉，會導致與預期方向相反的彎曲。作者通過將圓形形狀記憶合金線(圖2D)展平成帶狀(圖2E)克服了這一挑戰。為表征壓扁處理的有效性，將形狀記憶合金樣品夾緊在預夾緊結構中，并在不同的進入角度對中心點施加力(圖2G)。在施加的力角為0°時，金屬絲預計會經歷一次快速穿過，在偏轉時保持完全在平面內。相反，在90°時，導線應繞固定軸扭曲出平面。結果證實，通過增加線縱橫比(使線變平)，它們變得更能抵抗面外力，并有利于面內偏轉(圖2H)。“活化”(加熱)形狀記憶合金通過建立內部材料應力來產生力。考慮到彎曲應力在外表面最大，作者認為離中性軸最遠的區域對彎曲力貢獻最大。也就是說，較粗的金屬絲通常比類似橫截面積的薄帶提供更大的輸出力(圖2I)。綜合考慮，作者選擇了縱橫比2.5的形狀記憶合金帶用于所有進一步的演示，因為它提供了輸出彎曲力、系統剛度和穩定的面內運動之間的合理平衡。雖然織物可能配備有局部可靠的致動器，但其固有的支撐結構的缺乏限制了對整個機器人的控制。通過主動軟化和硬化我們的變剛度纖維，可以以更高的可重復性和更少的總致動器來調節致動的方向和程度。此外，按需支撐結構允許機器人織物執行“移動-承載”操作。作者選用的變剛度纖維(圖3A–C)基于熱響應環氧樹脂，當其經歷45°C至60°C范圍內的玻璃化轉變時，會顯著軟化(圖3D和E)。作者還加入了低熔點金屬合金顆粒填料，當冷時，這增加了纖維的剛性。當加熱時，進一步軟化材料(圖3F和G)。纖維通過內部導電不銹鋼絲進行焦耳加熱(圖3E和F)。作者測量了由純環氧樹脂基體和菲爾德金屬復合材料制成的纖維，在一定溫度范圍內的彎曲模量(圖3H)。菲爾德金屬的加入提高了最大剛性模量，同時降低了加熱(即軟)模量。雖然添加菲爾德金屬能增加模量范圍，但菲爾德金屬復合材料的極限彎曲強度低于純環氧樹脂，這可能是由于環氧樹脂和菲爾德金屬顆粒之間的界面結合不良(圖3I)。作者測量了變剛度復合纖維的導熱系數，如預期的那樣，菲爾德金屬體積分數的增加導致導熱系數的增加(圖3J)。作者開發了一個變剛度纖維的數值加熱和冷卻模擬，并將其與實驗數據進行了比較。從65℃完全冷卻到室溫需要70s (圖3K)，盡管僅20s，纖維溫度達到45℃以下，但玻璃化轉變安全完成。另一方面，根據材料成分和鋼加熱絲是否正確地位于纖維中心，加熱時間略有不同(圖3L)。任何機器人的一個重要部分是感知內部或環境變化并做出適當反應的能力。為了制造傳感器，作者使用了一種自凝固的、可涂覆的導電墨水。這種油墨可以容易地滲透并粘合到織物的單根長絲上(圖4A和4B)。滲入纖維組織本身保持了織物的大部分多孔性(圖4C和4d)，并產生了一個導電通路，該通路隨著織物組織的拉伸和纖維間間隙的擴大而改變電阻(圖4E)。在圖4F中，作者展示出了帶有這些印刷傳感器和兩個對抗彎曲的形狀記憶合金帶致動器的織物，傳感器反饋使得控制織物驅動和保持不同的曲率成為可能(圖4G)。作者展示了一系列利用形狀記憶合金帶致動器、變剛度纖維和織物內應變傳感器的演示，為機器人織物提出了一系列可能的應用，包括可穿戴止血帶、變形和承重可展開結構，以及無繩索、自收起機翼。通過將織物作為機器人的基礎，可實現從普通材料轉變到智能自適應服裝、自展開結構或輕質變形機械。通過利用成熟的紡織品制造工藝，預計未來將會出現大量生產的機器人織物卷，并可根據需要進行編程，以適應各種任務。由這種材料制成的自重構機器，可以根據需要彎曲和扭曲成新的復雜形狀。當然，在機器人織物發揮其全部潛力之前，仍有許多障礙需要克服。對于可穿戴設備來說，可洗性和散熱將非常重要。增加的剛性和體積也可能使可穿戴的機器人織物不舒服或難以穿上和脫下。此外，熱控制材料通常具有短的循環次數，并且功率效率低，這導致電池尺寸增加。[1] Trevor L. Buckner, et al. Roboticizing fabric by integrating functional fibers, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. , 2020.DOI: 10.1073/pnas.2006211117https://www.pnas.org/content/early/2020/09/22/2006211117
