流体を利用したスマートテキスタイル | 広州ピンクローズグループ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11067 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

テキスタイルと人工筋肉を組み合わせてスマートテキスタイルを作成することは、科学界や産業界から大きな注目を集めています。スマートテキスタイルは、適応性のある快適性や物体への高い適合性など、多くの利点を提供しながら、必要な動きや力をアクティブに作動させます。この論文では、流体駆動の人工筋肉繊維を編み、織り、貼り付けるさまざまな方法で作成された、新しいクラスのプログラム可能なスマートテキスタイルを紹介します。数学的モデルは、織物シートの編み物と織り物の伸びと力の関係を記述するために開発され、その後、モデルの有効性を検証するための実験が行われます。新しいスマートテキスタイルは、柔軟性、形状適合性が高く、機械的にプログラム可能であり、幅広い用途での使用に向けたマルチモーダルな動きや形状変化機能を可能にします。スマートテキスタイルのさまざまなプロトタイプは、伸び (最大 65%)、面積拡大 (108%)、半径方向の拡大 (25%)、曲げ動作など、さまざまな形状変化のインスタンスを含む実験的検証を行って作成されます。生体にインスピレーションを得た形状モーフィング構造のために、パッシブな従来のファブリックをアクティブな構造に再構成するという概念も検討されています。提案されたスマートテキスタイルは、スマートウェアラブルデバイス、触覚システム、生体からインスピレーションを得たソフトロボティクス、ウェアラブルエレクトロニクスの進歩に貢献すると期待されています。

剛体ロボットは、構造化された環境で作業する場合には効果的ですが、変化する環境の未知のコンテキストを処理する際に問題が発生するため、検索や探索などの用途が制限されます。自然は、外部要因や多様性に対処するための数多くの賢明な戦略で常に私たちを驚かせます。たとえば、つる性の植物の蔓は、未知の環境を探索して適切な支持体を見つけるために、曲げたり螺旋状にねじったりするなど、多峰的な動きを行います1。ハエトリソウ (Dionaea muscipula) の葉には敏感な毛があり、トリガーを引くとパチンと閉じて獲物を捕まえます2。二次元 (2D) 表面から生物学的構造を模倣した三次元 (3D) 形状への形状モーフィングまたは形状シフト物体は、近年興味深い研究テーマとなっています 3,4。これらのソフトロボット構成は、多用途の環境に適応するために形状を変化させ、マルチモーダルな動作を提供し、力を加えて機械的仕事を生成します。その範囲は、展開可能な構造 5、再構成可能で自動折り畳み可能なロボット 6,7、生物医学機器 8、移動運動 9,10、伸縮性エレクトロニクス 11 など、幅広いロボット応用に拡大されています。

起動時に複雑な 3D 構造に変形するプログラム可能な平面シートを開発するために、多くの研究が行われてきました3。形状変化構造を生成する簡単なアイデアは、刺激によって引き起こされたときに曲げたりしわの動きを生み出すさまざまな素材の層を組み合わせるというものです12,13。この概念は、Janbaz et al.14 と Lee et al.15 によって実装され、熱応答性のマルチモーダル形状変化ロボットを作成しました。刺激応答要素を組み込んだ折り紙ベースの構造は、複雑な 3D 構造を作成するために利用されています 16、17、18。 Emmanuel らは、生物学的構造の形態形成に触発されて、は、ゴム表面内に気道を配置することによって形状変形エラストマーを作成し、加圧すると複雑な任意の 3D 形状に変形します 19。

テキスタイルやファブリックを形状変形ソフトロボットに統合することも、集中的な関心を集めている新たな概念設計です。テキスタイルは、編み、織り、組紐、結び目などの織り交ぜ技術によって糸から作られる、柔らかく柔軟な素材です。テキスタイルは、柔軟性、適合性、伸縮性、通気性などの驚くべき特性を備えており、衣料品から医療用途に至るまで、生活のあらゆる側面で非常に人気があります20。テキスタイルをロボット工学に組み込むには、大きく 3 つのアプローチがあります21。最も最初のアプローチは、テキスタイルを受動的基板または他のコンポーネントを収容するベースとして使用することです。この状況では、パッシブテキスタイルは、硬いコンポーネント (モーター、センサー、電源) を携行しながらユーザーに快適なフィット感を提供します。ほとんどのソフトウェアラブルロボットまたはソフト外骨格はこのアプローチに属します。たとえば、歩行補助22および肘関節補助23、24、25のためのソフトウェアラブル外骨格、手と指の補助のためのソフトウェアラブルグローブ26、および生物から着想を得たソフトロボット27などです。

2 番目のアプローチは、ソフトロボットデバイスの受動コンポーネントおよび拘束コンポーネントとしてテキスタイルを使用することです。繊維ベースのアクチュエータはこのカテゴリに分類され、繊維は通常、柔らかい繊維で強化されたアクチュエータを形成する内側の柔らかいチューブまたはブラダーを拘束するための外部容器として構築されます。外部の空気圧源または油圧源によって加圧されると、これらのソフトアクチュエータは、初期の組成および構成に従って、伸びたり、曲がったり、ねじれたりする形状変化を引き起こします。たとえば、Thalman et al. は、歩行リハビリテーションのための底屈を補助するために、一連の布製ポーチで作られた足首・足部装具外骨格スーツを導入しました28。異なる伸縮性を持つテキスタイル層を組み合わせて、異方性の動きを生み出すことができます29。オムニスキン - さまざまなソフトアクチュエータと基板材料で作られたソフトロボットスキンを使用すると、受動的オブジェクトを、さまざまなアプリケーションでマルチモーダルな移動や変形を実行できる多機能能動ロボットに変換できます。朱ら。は、伸長、曲げ、さまざまな形状変化の動きを生み出す流体繊維の筋肉シートを開発しました 31。バックナーら。機能性繊維を従来の生地に統合して、作動、感知、可変剛性などの複数の機能を備えたロボット生地を作成しました32。このカテゴリーの他のアプローチは、次の作品にあります21、33、34、35。

ソフトロボット分野で優れたテキスタイル特性を活用する最新のアプローチは、活性糸または刺激応答性フィラメントを使用して、組み紐、編み物、織り技術などの伝統的なテキスタイル製造アプローチを使用してスマートテキスタイルを構築することです21,36,37。材料の組成に応じて、電気、熱、または圧力の入力によって活性糸が形状変化を引き起こし、その結果繊維が変形します。このアプローチでは、従来のテキスタイルをソフトロボットシステムに統合する際に、テキスタイルの形状変化は外部レベルではなく内部レベル（糸）で起こります。したがって、スマートテキスタイルは、マルチモーダルな動作、プログラム可能な形状シフト、伸縮性、および剛性の調整性に関して優れた制御性を提供します。たとえば、形状記憶合金 (SMA) や形状記憶ポリマー (SMP) を生地に組み込んで、裾のロールアップ 38、しわの回復 36,39、触覚および触覚フィードバック 40,41 などの熱励起によって形状を能動的に制御することができます。自己調整ウェアラブル42. しかし、熱による加熱と冷却を使用すると、応答が遅くなり、冷却と制御が複雑になります。最近、平光ら。彼らは、薄いマッキベン筋肉 43,44 (空気圧人工筋肉の一種) を縦糸として実装し、織り構造を変更することで複数の形態のアクティブなテキスタイルを作成しました 45。このアプローチは高い力を提供しますが、拡張率 (< 50%) に制限があり、マッキベン筋の性質により小さなサイズ (直径 < 0.9 mm) を実現できませんでした。また、鋭い曲げ角度が必要な編み方では、スマートなテキスタイルパターンを形成するという課題も見つかりました。より多くのスマートテキスタイルを形成するために、Maziz らは電気応答性ポリマー糸を編んだり織ったりすることにより、ウェアラブルデバイス用の電気活性繊維を開発しました46。

近年、高度に撚られた安価なポリマー繊維から構築された新しい種類の熱応答性人工筋肉の出現が目撃されています47,48。これらの繊維は市販されており、機械編みや織物に簡単に組み込んで、手頃な価格のスマートな衣類を製造できます。進歩にもかかわらず、これらの新しいサーマルスマートテキスタイルは、加熱と冷却の要件（たとえば、熱制御されたテキスタイル）や、放射状などの望ましい変形や動きを形成するようにプログラムできる複雑な編みや織りのパターンを製造するのが難しいため、応答時間が遅く制限されています。ここで提案する拡張、2 次元から 3D への形状変換、または双方向拡張です。

これらの前述の課題を克服するために、この論文では、最近開発された柔らかい人工筋肉繊維 (AMF) から形成された新しい種類の流体駆動スマートテキスタイルを紹介します 49,50,51。 AMF は柔軟性が高く、直径 0.8 mm までスケールダウンできるサイズ、長い長さ (少なくとも 5000 mm) により、高いアスペクト比 (直径あたりの長さ) と高い伸び (少なくとも245%)、高いエネルギー効率、および少なくとも 20 Hz) の高速応答。スマートなテキスタイルを作成するために、AMF をアクティブな糸として採用し、編みと織りの技術によって 2D アクティブなマッスルシートを形成します。これらのスマートテキスタイルの、入力流体量と圧力に対する膨張率と収縮力を定量的に検査します。編まれたシートおよび織られたシートの伸びと力の関係を確立するために、解析モデルが開発されてきました。また、スマートテキスタイルを機械的にプログラムして、双方向の伸長、曲げ、半径方向の拡張、2 次元から 3 次元への成長能力などのマルチモーダルな動作を実現するためのいくつかの手法も紹介します。私たちのアプローチの能力を実証するために、AMFを市販の布地や織物に統合して、さまざまな変形を誘発できる受動的な構造から能動的な構造に再構成します。また、この概念を、目的の文字を実現するためのプログラム可能な曲げフィラメントや、蝶、四本足の構造、複雑な動きをする花などのオブジェクトの形で生体からインスピレーションを得た形状モーフィング構造を含む、いくつかの実験用テストベッドを介して実証します。

テキスタイルは、糸、糸、繊維などの 1 次元フィラメントを絡み合わせて作成される柔軟な 2 次元構造です。繊維は人類最古のテクノロジーの 1 つであり、その快適さ、適応性、通気性、外観、保護性のおかげで生活のあらゆる側面で広く使用されています。スマートテキスタイル (スマートガーメントまたはロボットファブリックとも呼ばれる) は、ロボット応用における大きな可能性があるため、研究で使用されることが増えています 20,52。スマートテキスタイルは、柔らかい物体と対話する人間の体験を向上させ、薄くて柔軟な布地の動きと力を制御して特定のタスクを実行できる分野にパラダイムシフトを開くことが期待されています。この研究では、私たちは最近の AMF に基づいてスマートテキスタイルを製造する 2 つの方法を検討します。49 (1) AMF を活性糸として使用し、伝統的なテキスタイル製造技術によってスマートテキスタイルを構築します。（２）ＡＭＦを従来の布地に直接貼り付けて、所望の動きと変形を誘発する。

AMF は、油圧力を受け取る内側のシリコンチューブと、半径方向の膨張を抑制する外側の螺旋コイルで構成されています。したがって、AMF は加圧時に縦方向の伸びを生じ、その後圧力を解放すると収縮力を発揮して元の長さに戻ります。これらは、柔軟性、細径、長さなど、従来の繊維と同様の特性を備えています。ただし、AMF は、動きと力の点でアクティブで制御可能であるという点で、従来の AMF を上回っています。スマートテキスタイル分野における最近の急速な発展を動機として、ここでは、AMF を長年確立されている織物製造技術に導入することにより、スマートテキスタイルを製造するための 4 つの主なアプローチを紹介します (図 1)。

人工筋肉繊維からスマートテキスタイルを作成するためのさまざまなアプローチ。

最初のアプローチは編み物です。横編み技術を利用して、油圧加圧により一方向に伸縮するアクティブニッティングシートを製造します。編み物シートは伸縮性に優れていますが、織物シートに比べてほつれやすくなります。 1 つの AMF は、制御アプローチに応じて、単一のコースまたは編みシート全体を形成できます。平面シートの他に、管状の編みパターンも AMF に適用して中空構造を作成できます。 2 番目のアプローチは、縦糸と横糸として 2 つの AMF を使用して、独立して双方向の拡張を発揮できる長方形の製織シートを形成する製織です。ウィービングシートは、ニッティングシートと比較して、より高い制御度 (2 方向) を提供します。また、単一の AMF を従来の糸で織り、一方向にのみ拡張できるより単純な織りシートを製造します。 3 番目のアプローチは放射状の拡張です。これは製織技術の変形であり、AMF を長方形に配置する代わりに、放射状の拘束を提供する糸で螺旋状に整列させます。この場合、ウィービングシートは入力圧力を受けると放射状に膨張します。 4 番目のアプローチは、AMF をパッシブファブリックシートに貼り付けて、希望の方向に曲げ動作を生成することです。 AMF をその境界の周囲に配線することにより、パッシブファブリックシートをアクティブファブリックシートに再構成します。 AMF のこのプログラム可能な特性は、受動的な物体を能動的な物体に変えることができる、生体にインスピレーションを得た形状モーフィング軟構造の多くの可能性を開きます。このアプローチはシンプル、簡単、迅速ですが、プロトタイプの耐久性が損なわれる可能性があります。読者は、各種類の繊維の性能の長所と短所を詳しく説明した文献から他のアプローチを参照することができます21、33、34、35。

従来の織物を製造するほとんどのフィラメントまたはヤーンは、受動的な構造を備えています。この研究では、長さ数メートル、直径サブミリメートルにすることができる以前に開発した AMF を活用し、パッシブテキスタイルの従来のフィラメントを AFM に置き換えて、より広範な用途向けのスマートでアクティブなテキスタイルを形成します。次のセクションでは、スマートテキスタイルプロトタイプを作成するための詳細な製造方法について説明し、その基本的な特性と動作を紹介します。

横編み技術を使用して、3 つの AMF から編みシートを手動で作成しました (図 2A)。 AMF およびプロトタイプの材料の選択と詳細な仕様については、「方法」セクションを参照してください。各 AMF は、対称的なループを形成する曲がりくねった経路 (コースとも呼ばれます) をたどりました。各コースのループはそのすぐ上と下のコースのループで固定されていました。コースに垂直な同じカラムのループはウェールにグループ化されました。私たちの編みプロトタイプは、各コースに 7 つのループ (または 7 つのウェール) を備えた 3 つのコースで構成されていました。上部と下部のコースのループは、対応する金属棒に接続できるように固定されていませんでした。従来の糸と比較して AMF の剛性が高いため、編みプロトタイプは従来の編地よりもほつれやすくなりました。そこで、隣接するコースのループを細いゴム紐で拘束しました。

スマートテキスタイルのさまざまなプロトタイプは、AMF 構成を変えることで実現されます。 (A) 3 つの AMF から作られた編みシート。 (B) 2 つの AMF から作られた双方向織りシート。 (C) 1 本の AMF 糸とアクリル糸で作られた一方向織りシートは、その質量 (2.6 g) の 192 倍である 500 g の荷重を持ち上げることができます。 (D) 単一の AMF と半径方向拘束としての綿糸から作られた半径方向拡張構造。詳細な仕様は「メソッド」セクションに記載されています。

編みシートの蛇行ループはさまざまな方向に伸ばすことができますが、今回の編み試作品ではコース方向の拘束により、加圧時に主にウェール方向に伸びました。各AMFの伸びが編みシート全体の面積拡大に寄与しました。特定の要件に応じて、3 つの AMF を 3 つの異なる流体源から独立して制御することも (図 2A)、1 対 3 の流体分配器を介して単一の流体源から同時に制御することもできます。図 2A は、3 つの AMF を同時に加圧 (1.2 MPa) したときに、初期面積の 35% が拡張した編みプロトタイプの一例を示しています。なお、AMF は初期長さ 49 の 250% 以上の高い伸びを達成したため、現行品よりも編みシートの伸縮率を高くすることができます。

また、平織り技術を用いて、2枚のAMFからなる双方向織りシートを作製しました（図2B）。縦糸と横糸の AMF を直角に織り交ぜて、単純な十字パターンを形成しました。私たちの織りのプロトタイプは、縦糸と横糸の両方が同じサイズのフィラメントで作られているため、バランスの取れた平織りとして分類されました（詳細な仕様は「方法」セクションに示されています）。鋭い折り目が可能な従来の糸とは異なり、使用される AMF は織りパターンの別のラインを折り返すときに一定の曲げ半径が必要です。その結果、AMF から作られた織布シートは、従来の織布と比較して密度が低くなります。 AMFタイプS（外径1.49mm）の最小曲げ半径は1.5mmです。実例として、この論文で紹介した織りのプロトタイプは 7 × 7 の線のパターンを持ち、各十字は細い弾性紐で作られた結び目によって安定させられていました。同じ織り技術を使用して、より多くのラインを実現できます。

対応するAMFが流体圧力を受けると、織布シートは縦糸または横糸方向に向かってその面積を拡大します。そこで、2 つの AMF に加える入力圧力の振幅を独立して変化させることで、製織シートの寸法 (長さと幅) を制御しました。図 2B は、一度に 1 つの AMF を加圧 (1.3 MPa) したときに、初期面積の 44% が拡張した製織プロトタイプを示しています。 2つのAMFを同時に加圧すると、108%の面積拡大が達成されました。

また、縦糸として単一のAMFと横糸としてアクリル糸から形成された一方向織りシートも作製しました（図2C）。 AMF は 7 本の線をジグザグに配置し、糸はこれらの AMF 線を織り交ぜて長方形の織物シートを形成しました。この織りプロトタイプは、シート全体を容易に満たす柔らかいアクリル糸のおかげで、図 2B のものよりも密度が高くなりました。たて糸として AMF を 1 つだけ使用したため、加圧時に織りシートはたて糸方向にのみ拡張できます。図 2C は、加圧 (1.3 MPa) 時に初期面積の 65% が膨張した織りプロトタイプの一例を示しています。さらに、この織りシート (重さ 2.6 g) は、その質量の 192 倍である 500 g の荷重を持ち上げることができました。

AMFをジグザグに配置して長方形のウィービングシートを作成する代わりに、AMFを平面状のスパイラル形状にし、綿糸で放射状に拘束して円形のウィービングシートを作成しました（図2D）。 AMF の剛性が高いため、AMF が円形シートの中心領域を埋めることが抑制されていました。ただし、この詰め物は弾性糸や伸縮性のある生地を使用して行うことができます。 AMF は水圧を受けると、その長手方向の伸びをシートの半径方向の膨張に変換します。糸の半径方向の拘束により、スパイラル形状の外径と内径の両方が拡張されることにも注目してください。図 2D は、1 MPa の油圧を加えて初期面積の 25% 膨張した円形シートの形状を示しています。

ここでは、スマートテキスタイルを作成する 2 番目の方法を紹介します。この方法では、AMF を平面状の布地に貼り付けて、パッシブな構造からアクティブな制御可能な構造に再構成します。曲げアクチュエータの設計概念は図 3A に示されており、AMF がその中間点で折り畳まれ、接着要素として両面テープを使用して非伸縮性布地 (綿モスリン布地) のストリップに貼り付けられています。加圧すると、AMF の上部は自由に伸びますが、下部はテープと生地によって拘束され、その結果、生地側に向かってストリップが曲がります。テープをその上に置くだけで、曲げアクチュエータの任意の位置のセグメントを非アクティブにすることができます。非アクティブ化されたセグメントはいかなる動作も実行できなくなり、受動的セグメントになります。

AMFを従来のファブリックに貼り付けることによるファブリックの再構成。 (A) 非伸縮性生地に折り畳み式 AMF を貼り付けて作製した屈曲アクチュエータの設計コンセプト。 (B) 曲げアクチュエータのプロトタイプ。 (C) 長方形の布地をアクティブな 4 脚ロボットに再構成します。非伸縮性生地: 平織りコットンモスリン。伸縮性のある生地：ポリエステル。詳細な仕様は「メソッド」セクションに記載されています。

長さの異なるいくつかの曲げアクチュエータのプロトタイプを作製し、油圧で加圧して曲げ動作を生成しました (図 3B)。織物に貼り付ける前に、ＡＭＦを直線に配置することも、複数の線を形成するように折り畳んで、対応する線数を備えた曲げアクチュエータを作成することもできることに留意されたい。また、受動的な布地シートを能動的な 4 脚構造に再構成し (図 3C)、長方形の非伸縮性布地 (綿モスリン布地) の境界を AMF で配線しました。 AMF は両面テープを使って生地に貼り付けられました。各エッジの中央セグメントはテープでテープで固定され、パッシブになり、4 つのコーナーはアクティブのままになります。伸縮性のある生地（ポリエステル）製のトップカバーはオプションでした。圧力をかけると生地の四隅が下に曲がって（足のように）なりました。

開発したスマートテキスタイルの特性を定量的に検査するためのテストプラットフォームを構築しました（「方法」セクションと補足図S1を参照）。全ての試験片がAMFで作られているため、実験結果の全体的な傾向（図4）は、入力圧力と出力伸びは比例関係、収縮力と反比例関係にあるというAMFの基本特性と一致しています。ただし、これらのスマートテキスタイルには、特定の構成を表す独自の特徴があります。

スマートなテキスタイル構成の特徴。 (A、B) 入力圧力、出力伸び、および製織シートの力のヒステリシスプロファイル。 (C) ウィービングシートの領域拡大。 (D,E) 入力圧力と編みシートの出力伸びおよび力との関係。 (F) 放射状拡張構造の領域拡張。 (G) 3 つの異なる長さの曲げアクチュエータの曲げ角度。

製織シートの各 AMF は 1 MPa の入力圧力を受けて、約 30% の伸びを生成しました (図 4A)。実験全体に対してこのしきい値を選択した理由はいくつかあります。(1) ヒステリシスプロファイルを強調するために大幅な伸び (約 30%) を作成するため、(2) 周期運動およびさまざまな実験で再利用可能なプロトタイプに起因する予期せぬ損傷や誤動作を防ぐため。高い流体圧力下で。入力圧力が 0.3 MPa に達するまで、織布シートが静止したままであるデッドゾーンがはっきりと見えました。圧力と伸長のヒステリシスチャートでは、加圧段階と解放段階の間に大きなギャップがあり、製織シートが膨張から収縮に動きを変えるときに大きなエネルギー損失があることがわかりました。 (図4A)。織りシートは、1 MPa の入力圧力を受けた後、5.6 N の収縮力を及ぼすことができました (図 4B)。加圧力ヒステリシスグラフからも、解放曲線が加圧曲線とほぼ重なっていることが分かりました。ウィービングシートの面積の拡大は、2 つの AMF のそれぞれに供給される圧力振幅に依存しており、これは 3 次元表面プロット (図 4C) に示されています。実験では、縦糸と横糸のAMFが同時に1MPaの油圧を受けたときに、織布シートが66％の面積拡大を生成できることも明らかになった。

編み物シートの実験結果は、圧力-伸びチャートの広いヒステリシスギャップや圧力-力関係の重複する曲線など、織りシートの実験結果と同様のパターンを示しています。編みシートは 30% の伸びを生成し、その後 1 MPa の入力圧力を受けたときに 9 N の収縮力を発揮しました (図 4D、E)。

円形織りシートの場合、1 MPa の流体圧力を受けた後、初期面積から 25% まで膨張しました (図 4F)。試験片が膨張し始める前の 0.7 MPa までは、入力圧力の実質的な不感帯がありました。この大きなデッドゾーンは、試験片が初期張力に打ち勝つためにより高い圧力を必要とするより大きな AMF で作られているため、予想されます。図 4F は、解放曲線が加圧曲線とほぼ重なっていることも示しており、円形シートの動きを切り替える際のエネルギー損失が無視できることを示しています。

3 つの曲げアクチュエータ (生地の再構成) の実験結果は、それらのヒステリシスプロファイルが同様のパターンを共有し (図 4G)、入力圧力が上昇する前に 0.2 MPa までの不感帯を経験することを示しました。 3 つの曲げアクチュエータ (L20、L30、L50 mm) に同量の流体 (0.035 mL) を供給しました。ただし、各アクチュエータでは異なる圧力ピークが発生し、異なる曲げ角度が生成されました。 L20 および L30 mm アクチュエータは、それぞれ 167° および 194° の曲げ角度に達するまでに、0.72 MPa および 0.67 MPa の入力圧力を受けました。最長の曲げアクチュエータ (L50 mm) には 0.61 MPa の圧力がかかり、最大曲げ角度 236° を達成しました。圧力角ヒステリシスチャートでは、3 つの曲げアクチュエータすべての加圧曲線と解放曲線の間に比較的広いギャップがあることも示しました。

上記のスマートテキスタイル構成の入力量と出力特性（伸び、力、面積拡大、曲げ角度）の関係は、補足図S2に見られます。

前セクションの実験結果は、適用された入力圧力と AMF で作られた試験片の出力伸びとの間に比例関係があることを明確に示しました。 AMF が受ける圧力が大きくなるほど、AMF はより多くの伸びを生成し、より多くの弾性エネルギーが蓄積されます。その結果、より大きな収縮力が発生します。結果はまた、入力圧力が完全に取り除かれたときに試験片が最大収縮力に達したことも明らかにしました。このセクションは、解析モデルと実験的検証の両方によって、編物シートおよび織布シートの伸びと最大収縮力との間の直接的な関係を確立することを目的としています。

単一 AMF の最大収縮力 Fout (入力圧力 P = 0 の場合) は参考文献 49 に示されており、次のように再導入されます。

ここで、α、E、A0はそれぞれシリコーンチューブの伸長率、ヤング率、断面積を表します。 k は螺旋コイルの剛性係数です。 x と li は、それぞれ AMF の変位と初期長さです。

方程式の適応（1）シートを編んで織る場合（図5A、B）。編成シートＦｋｖおよび製織シートＦｗｈの収縮力は、式（１）、（２）で表される。それぞれ (2) と (3) です。

ここで、mkはウェール数、φpは編みシートの加圧段階でのループ角度です（図5A）。 mh はライン数、θhp は製織シートの加圧段階での噛み合い角度です (図 5B)。 εkv と εwh は、それぞれ編みシートと製織シートのひずみです。 F0 は螺旋コイルの初期張力です。式の詳細な導出 (2) と (3) はサポート情報に記載されています。

伸びと力の関係を確立するための解析モデル。 (A、B) それぞれ編みシートと織りシートの解析モデルの図。 (C、D) それぞれ編みシートと織りシートの解析モデルと実験データの比較。 RMSE 二乗平均平方根誤差。

開発したモデルを検証するために、図 2A の編成試験片と図 2B の製織試験片を使用して伸び力実験を実施しました。収縮力は、0 ～ 50% まで 5% ずつ増加し、各ブロック伸びで収集されました。 5 回の試行の平均値と標準偏差を図 5C (編み物の場合) と図 5D (織りの場合) にプロットしました。分析モデル曲線は、式によって支配されました。 (2) および (3) は表 1 に示すパラメーターを使用します。結果は、解析モデルが伸び範囲全体について実験データに厳密に従っており、二乗平均平方根誤差 (RMSE) が編み物では 0.34 N、織りでは 0.21 N であることを示しています。 AMF H（横方向）、AMF V（縦方向）織りの場合は0.17 N。

基本的な動作に加えて、提案されたスマートテキスタイルは、S 字型の曲げ、半径方向の圧縮、2 次元から 3 次元への形状変更など、より複雑な動作を提供するように機械的にプログラムすることができます。ここでは、平面スマートテキスタイルを目的の構造にプログラムするためのいくつかのテクニックを紹介します。

直線方向の領域拡大に加えて、一方向の織りシートを機械的にプログラムして、多峰性の動きを生み出すことができます (図 6A)。ウィービングシートの片面（上下いずれか）をミシン糸で拘束することで、シートの伸びを曲げ動作に再構成しました。シートは、加圧されると拘束面に向かって曲がる傾向があります。図 6A は、織りシートの 2 つの例を示しています。半分を上面で拘束し、もう半分を下面で拘束すると、S 字型に変形します。あるいは、1 つの面全体のみを拘束すると、ループ曲げモーションが生成される可能性があります。一方向織りシートは、その両端を結合して管状構造を形成することにより、圧縮スリーブとして実装することもできる（図６Ｂ）。スリーブは人間の人差し指を包み込んで圧縮力を与えることができ、これは痛みを和らげたり血液循環を改善したりするためのマッサージ療法です。腕、太もも、脚などの体の他の部分に合わせて拡大することができます。

一方向織シートの能力。 (A) 形状変化構造を生成するためのミシン糸による形状プログラム可能性。 (B) 指用の圧縮スリーブ。（Ｃ）別のウィービングシートの実施形態および前腕圧縮スリーブとしてのその実装。 (D) AMF タイプ M、アクリル糸、ベルクロストラップで作られた別の圧縮スリーブのプロトタイプ。詳細な仕様は「メソッド」セクションに記載されています。

図６Ｃは、単一のＡＭＦ糸と綿糸で作られた一方向織りシートの別の実施形態を示す。シートは、加圧時に 45% の面積膨張 (1.2 MPa で) を生成したり、ループ運動を誘発したりする可能性があります。また、シートの端に磁気ストラップを取り付けて、前腕用の圧縮スリーブを作成するシートも実装しました。前腕用の別の圧縮スリーブのプロトタイプを図 6D に示します。一方向織りシートは AMF タイプ M (「方法」セクションを参照) とアクリル糸で作られ、より強い圧縮力を生成します。シートの端にはベルクロストラップを装備し、取り付けを容易にし、さまざまな腕のサイズに適応します。

直線の伸びを曲げ運動に変換する拘束技術は、二方向織りシートにも適用できます。綿糸を織りシートの片面に縦糸と横糸の両方向に織り交ぜて、その膨張を妨げました（図7A）。したがって、2つのAMFが独立して水圧を受けると、シートは双方向の曲げ運動を起こし、任意の3次元構造を形成することができました。もう 1 つのアプローチでは、非伸張糸を使用して双方向織りシートの一方向を拘束しました (図 7B)。その結果、対応する AMF を加圧すると、シートは独立した曲げと伸長の動きを生成する可能性があります。図 7B は、双方向織りシートが曲げ動作によって人間の指の 3 分の 2 を包み込み、次に伸長動作によって残りを覆うように長さを伸ばすように制御された一例を示しています。シートの双方向の動きは、ファッションデザインやスマートな衣類の開発に役立つ可能性があります。

双方向織りシート、編みシート、放射状拡張構造の能力。 (A) 二方向織りシートを二方向に拘束して、二方向の曲げを生成します。 (B) 二方向に織ったシートを一方向に拘束して曲げと伸びを生じさせます。 (C) さまざまな表面曲率に適応したり、管状構造を形成することもできる、適合性の高い編みシート。 (D) 放射状拡張構造の中心線を拘束して双曲放物面形状 (ポテトチップス) を形成します。

編みシートの上部コースと下部コースの 2 つの隣接するループをミシン糸で結合し、ほどけないようにしました (図 7C)。その結果、編みシートは全体的に柔軟であり、人間の手や腕の皮膚表面などのさまざまな表面曲率に非常に適合します。また、編みシートのコース方向の両端を結合して筒状の構造（スリーブ）を作成しました。スリーブは人間の人差し指をうまく包み込みました (図 7C)。編みシートの曲がりくねった特徴は、優れた適合性と変形性を提供し、着用者に快適さ（適応性による）と治療効果（圧縮力による）を提供するスマート衣類（手袋、圧縮スリーブ）での使用を容易にします。

複数の方向への 2D 放射状の拡張に加えて、円形の織りシートをプログラムして 3D 構造を形成することもできます。円形の織りシートの中心線をアクリル糸で拘束し、均一な放射状の広がりを乱します。その結果、円形織りシートの初期平面形状は、加圧により双曲放物面状の形状（またはポテトチップス）に変形した（図７Ｄ）。この形状変化機能は、昇降機構、光学レンズ、移動ロボットの脚として実装でき、またファッションデザインや生体模倣ロボットにも役立つ可能性があります。

私たちは、伸縮性のない布地に AMF を貼り付けることで、曲げアクチュエーターを作成する簡単な技術を開発しました (図 3)。私たちはこの概念を活用して、形状プログラム可能なフィラメントを作成しました。これにより、単一の AMF 内に複数のアクティブセグメントとパッシブセグメントを戦略的に割り当てて、目的の形状を作り出すことができます。加圧時に形状を直線から文字（UNSW）に変換できる4つのアクティブフィラメントを作製してプログラムしました（補足図S4）。この単純な技術により、AMF の形状変更機能を利用して 1D 線を 2D 形状、場合によっては 3D 構造に変換することができます。

同様のアプローチで、単一の AMF を利用して、受動的な従来のファブリックを能動的な 4 脚構造に再構成しました (図 8A)。ルーティングとプログラミングの概念は図 3C のものと同様でした。ただし、長方形のシートではなく、四本足のパターンの生地（亀のような形状、綿のモスリン生地）から始めました。その結果、脚が長くなり、構造物をより高く持ち上げることができました。加圧すると構造物の高さが徐々に増加し、脚が地面に対して垂直になりました。入力圧力が上昇し続けると、脚が内側に曲がり、構造の高さが低くなります。四本脚構造は、足に一方向パターンが装備されている場合、または移動操作戦略を備えた複数の AMF を使用している場合に移動を発揮できます。移動ソフトロボットは、山火事、倒壊した建物、危険な環境からの救助活動、医療用途の薬物送達ロボットなど、さまざまな作業で必要とされます。

形状モーフィング構造を生成するためのファブリックの再構成。 (A) AMF をパッシブファブリックシートの境界に貼り付けて、制御可能な 4 脚構造にします。 (B–D) パッシブなファブリックのバタフライとフラワーをアクティブなファブリックに変えるファブリック再構成の別の 2 つの例。非伸縮性生地: 平織りコットンモスリン。

また、他の 2 つの生体からインスピレーションを得た形状モーフィング構造を導入することで、このファブリック再構成技術のシンプルさと多用途性を活用します (図 8B ～ D)。これらの形状モーフィング構造は、ルーティング AMF の助けを借りて、パッシブなファブリックシートからアクティブで制御可能なファブリックシートに再構成されました。オオカバマダラからインスピレーションを得て、蝶の形をした布地 (綿モスリン生地) とその羽の下に貼り付けられた長い AMF を使用して、蝶のモーフィング構造を作成しました。 AMFに圧力をかけると翼が上向きに曲がります。オオカバマダラと同様に、蝶型ロボットの左右の羽は単一の AMF によって制御されているため、同じように羽ばたきました。蝶はデモンストレーションのために羽ばたきました。スマートバード（Festo Corp.、米国）のように飛行することはできませんでした。また、各層に 5 枚の花びらを 2 枚重ねた布製の花 (図 8D) も作製しました。花びらの外側の境界に沿って、各レイヤーの下に 1 つの AMF を貼り付けました。当初、花はすべての花びらが完全に開いた満開でした。加圧すると、AMF は花びらを曲げる動きを引き起こし、花びらを閉じます。 2 つの AMF が 2 つのレイヤーの動きを独立して制御し、同じレイヤー内の 5 枚の花びらが同時に湾曲しました。

AMF の高速応答特性のおかげで、これらの形状モーフィング構造は、比較的高速 (4 脚の構造では 2 Hz、蝶と花では 1 Hz) で実行でき、高い耐久性または再現性 (1000 サイクル以上) を実現できました。

テキスタイルベースのロボット分野は、受動的基板としてのテキスタイルの使用から、刺激応答性の糸で構成されるプログラム可能なスマートテキスタイルへのパラダイムシフトを迎えています。当社が最近開発したソフトアクチュエータ（AMF）は、柔軟性と直径当たりの長さの比が高いという点で従来のパッシブヤーンに似ており、油圧下で前後に伸びることができ、スマートでアクティブなテキスタイルを製造するための優れた候補要素です。私たちは、AMF ベースのスマートテキスタイルを作成するための 2 つのアプローチを提示しました。(1) AMF を編んで織る。 (2) AMF を従来のパッシブファブリックに貼り付ける。

最初のアプローチでは、従来の編みと織りの技術を応用して、AMF ベースの編みシート、双方向織りシート、一方向織りシート、および円形織りシートを構築しました。現在の実験構成では、これらのスマートテキスタイルは、それぞれ 35%、108%、65%、25% の面積拡大を実現できます。私たちの結果は文献の結果と同等であり、例えば、電気活性ポリマーで作られたニットテキスタイルは 5% 未満の歪みを達成し 46、マッキベン筋肉で作られたアクティブテキスタイルは 7.1% の最大収縮率を発揮し 45、ニット SMA リストスリーブは36% 収縮42。一般に、AMF (流体駆動) は、熱応答性フィラメントと比較して応答時間が速くなります。さらに、これらのスマートテキスタイルの伸び率は、我々の最近の研究で実証されているように、AMF の伸び限界である少なくとも 250% というより高い値に達する可能性があります 49。

圧力と伸びのヒステリシスプロファイルにヒステリシスギャップが発生しましたが、これは AMF の固有の特性です。加圧段階から解放段階に切り替えるときのエネルギー損失を反映します。実験データによると、編成および織り構成のヒステリシスギャップは、単一の AMF49 のヒステリシスギャップよりも大幅に広いことが明らかになりました。これは、AMF のヒステリシスが累積的な属性であることを意味します。ヒステリシスチャートに見られるデッドゾーンは、それぞれの特定の構成の初期張力を表します。構成ステータスを静的状態から拡張状態に変更するには、これらのしきい値を超えるために入力エネルギー (圧力) が必要です。 AMF の初期張力も累積的な特性であり、構成要素である螺旋コイルとシリコーンチューブの弾性特性と大きく相関しています。 AMFの動作モードを加圧から解放に切り替える際、熱としてエネルギーがロスします。しかし、私たちのプロトタイプのほとんどはエネルギーをほとんど使用しなかったため、熱によるエネルギーの逃げは目立ちませんでした。サーマルカメラでプロトタイプの動作を観察しましたが、温度の変化はほとんどありませんでした。当社のスマートテキスタイルのエネルギー使用量も拡張可能で、小型構造の消費エネルギーがさらに少なくなり、逃げる熱も少なくなります。私たちは、編み物と製織の構成の伸びと力の関係を確立するために、数学的に開発し、実験的に検証した解析モデルを作成しました。曲げアクチュエータの解析モデルは、基材の仕様や特性、AMFと基材の接触状態などを組み込む際の複雑さにより提供できませんでした。

また、スマートテキスタイルのマルチモーダルな動きを作成するためのいくつかのプログラム可能な技術も導入しました。適切な制約があれば、スマートテキスタイルの通常の面積拡張は、S 字型、双曲放物面、中空構造、圧縮スリーブ、双方向曲げ、独立して曲げたり伸ばしたりする方法に変換できます。当社のスマートテキスタイル構成は、多用途性、プログラム可能性、および形状変更機能を提供します。これらは、スマートガーメント、ウェアラブルデバイス、および生物由来の形状モーフィング構造の開発のためのソフトロボット分野において有利な特性です。

2 番目のアプローチでは、従来の受動的ファブリックに AMF を埋め込んで、加圧時に望ましい曲げ動作と変形を作り出しました。このシンプルで高速かつ簡単な方法により、形状プログラム可能なフィラメントが容易になり、そのセグメントがアクティブまたはパッシブになるように機械的にプログラムして、所望の変形を生成することができました。また、この概念を適用して、パッシブな平面ファブリックシートをアクティブで制御可能な 3D 構造に再構成しました。次に、4 本足の構造、蝶、花など、いくつかの生物からインスピレーションを得た形状変形構造をデモンストレーションしました。 AMF を使用してパッシブ 2D シートを所望のモーションを持つアクティブ 3D 構造に変換できる機能により、さまざまなドメインで使用するオブジェクトを操作する新たな可能性が開かれます。たとえば、宇宙ミッション、建設、産業向けのコンパクトで展開可能なデバイスなどです。また、装飾やファッションデザインのための生体模倣動作を提供するバイオインスピレーションのソフトロボットや、触覚表示、リハビリテーション、人間拡張のためのウェアラブル支援デバイスの作成にも使用できます。

私たちは、生成される力ではなくその動き（または変形）に焦点を当てて、AMF ベースのスマートテキスタイル構成の幅広い形状変化機能を調査してきました。私たちは、さまざまな用途に応じてさまざまなスマートテキスタイルを作成するためのさまざまなアプローチを導入しましたが、これらの研究は概念実証であり、スマートコンプレッションガーメントから形状に至るまでの多くの用途において、ソフトロボティクス駆動のスマートテキスタイルに代わる技術を提供すると考えています。 - 捜索救助や展示用の移動ロボット。進歩にもかかわらず、いくつかの領域を改善する必要があります。したがって、今後の研究では、動き、力、および特定の用途の観点から、特定のスマートテキスタイル構成を包括的に研究することに重点を置くべきであると提案します。制御目的には、曲げアクチュエータの解析モデルが必要です。スマートテキスタイルの性能を向上させる可能性があるもう 1 つの領域は、ソフトセンサーからのリアルタイム出力フィードバックが閉ループ制御に使用される非線形ヒステリシスモデリングと適応制御の使用です。 AMF はメートル長に製造できるため、小規模の編み機、織機、刺繍機のフィラメントとして使用して、望ましい仕様と高い信頼性を備えたスマートテキスタイルを生産できる可能性があります。スマート衣料産業を加速するには、機械製のスマートテキスタイルと洗えるスマートテキスタイルの実現可能性を実証する研究が不可欠です。たとえば、当社の人工筋肉は、日本のタジマインダストリーズ社のような高度な自動縫製機や刺繍機と併用して、大規模なスマートテキスタイルを形成することができます。さらなる用途のためにスマートテキスタイルを駆動するためのウェアラブル水力電源を開発することが望ましい。実験中に、外側拘束層としての螺旋コイルの性質に起因する個々の AMF の回転運動があることにも気づきました。ただし、この回転はスマートテキスタイルの伸びにわずかに影響を与えました。 AMF が反対方向に配置された一部の構成では、回転効果が発生する可能性は低くなります。純粋に線形の拡張が強く望まれる一部のアプリケーションでは、この効果を考慮した数学的モデルが強く望まれます。メートル長のAMFでも圧力損失が少なく、エネルギー変換が有効であることを実証で確認しました。ただし、正確な制御戦略に利益をもたらすために、圧力損失と AMF の仕様の関係に関する包括的な研究を提案します。最後に、基本的な作動に加えて追加のメリット (センシング、可変剛性) を提供するために、スマートテキスタイルに機能コンポーネントを組み込むことの膨大な可能性を探るため、さらなる研究が必要です。

結論として、この記事では、さまざまな構成の流体駆動型人工筋肉から構築された新しいクラスのスマートテキスタイルを紹介します。提案されたスマートテキスタイルは高度な汎用性とプログラム可能性を提供し、形状変化構造、生体模倣ソフトロボット、移動ロボット、スマートガーメントなどのソフトロボット分野での新たな可能性を可能にします。私たちは、このコンセプトが関連する改善と開発を刺激し、ロボット分野全体に利益をもたらすことを期待しています。

スマートテキスタイルの構成には 2 種類の AMF を使用しました。 AMF タイプ S は、シリコーンゴムチューブ OD 1.19 mm、ID 0.64 mm (Saint-Gobain、フランス) およびステンレス鋼コイル OD 1.49 mm、ワイヤー直径 0.17 mm (Asahi Intecc、日本) で作られました。 AMF タイプ M は、ラテックスゴムチューブ OD 3.18 mm、ID 1.59 mm (McMaster-Carr、米国) およびステンレス鋼コイル OD 3.18 mm、ワイヤ直径 0.33 mm (McMaster-Carr、米国) で作られました。

編みシート (図 2A) は、3 つのコースと 7 つのウェールを備えた横編み技術を使用して、3 つの L300 mm AMF タイプ S から構築された 54 × 52 mm の寸法を持っています。双方向織りシート (図 2B) は、7 × 7 ラインのパターンを持つ平織り技術を使用して、2 つの L400 mm AMF タイプ S から構築された 52 × 52 mm の寸法を持っています。一方向織りシート (図 2C) は、縦糸として 7 本のラインを持つ 1 本の L400 mm AMF タイプ S と横糸としてのアクリル糸から構成される 57 × 27 mm の寸法を持っています。円形織り構造 (図 2D) は、1 つの L500 mm AMF タイプ M から構築された外径 58 mm、内径 18 mm を持っています。 3 つの曲げアクチュエータ (図 3B) は、アクティブセクションの長さ 20、30、および 50 mm で構築されています。対応する長さ 60、80、および 120 mm の 3 つの AMF タイプ S から選択します。 4 脚構造 (図 3C) は、1 枚の長方形の布地 (綿モスリン布地) の境界をルーティングする 1 枚の L200 mm AMF タイプ S から構築された 60 × 50 mm の寸法を持っています。一方向織りシート（図６Ｃ）は、１３０×８０ｍｍの寸法を有し、縦糸として９本の線を有する１本のＬ１２００ｍｍＡＭＦタイプＳ、および横糸として綿糸から構成される。一方向織りシート (図 6D) は、縦糸として 6 本の線を持つ 1 本の L920 mm AMF タイプ S と横糸としてのアクリル糸から構成される 140 × 72 mm の寸法を持っています。

試験プラットフォームは、医療用シリンジ（BD Biosciences、カナダ）を駆動して試料に投入量（蒸留水）と圧力を提供する電動リニアスライダー（Zaber、カナダ）で構成されていました（補足図S1）。圧力センサー (Honeywell、USA) をシリンジ出口の直後に配置し、入力圧力を測定しました。編み物および織物試験片の場合、試験片の先端をリニアスライダおよびエンコーダ（US Digital、米国）に接続し、出力変位を測定しました。変位データを収集する際のたるみを防ぐために、細い弾性紐が使用されました。収縮力を測定するときは、エンコーダーセットをロードセル (Futek、米国) に置き換えました。半径方向の拡張アクチュエータと曲げアクチュエータの場合、試験片の変形を捉えるためにデジタルカメラがプラットフォームの上部に配置されました。

1対3の流体分配器を介してシリンジ出口を編みシートの3つのAMFすべてに接続しました。伸び試験では、シリンジプランジャーを駆動し、振幅0.1Hzの正弦波信号により試験片に最大圧力1MPaを発生する油圧を供給しました。力試験では試験片に1MPaに達するまで油圧を供給し、その後試験片の先端をロードセルに接続しました。続いて、最小油圧を 0.1 MPa に保つ振幅の 0.1 Hz の正弦波信号によってシリンジプランジャーを引き抜きました。また、この試験手順を製織シートの各 AMF にも適用しました。

径方向の膨張実験では、試験片への入力圧力を最大圧力 1 MPa に達するまで徐々に増加させ、その後同じ速度で初期段階まで減圧しました。試験手順中の試験片の変形はカメラによって記録され、後で処理されて領域の変化が取得されます。同様の手順を適用して、曲げアクチュエータの角度変化を測定しました。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、UNSW Start-Up Grant (PS58173)、UNSW Scientia Fellowship Grant (PS46197)、およびオーストラリア国立心臓財団の Vanguard Grant (RG204224) からの支援に感謝しています。著者らは、バイオからインスピレーションを得たソフトロボットを作成するための布地材料を提供してくださった Phuong Nga Nguyen 女史に感謝したいと思います。

ニューサウスウェールズ大学 (UNSW) 工学部生体医工学大学院、ニューサウスウェールズ州シドニー、2052、オーストラリア

フック・ティエン・ファン、マイ・タン・タイ、チュン・ティエン・ホアン、ジェームス・デイヴィス、チー・コン・グエン、ナイジェル・H・ラベル、タイン・ニョ・ドー

ニューサウスウェールズ大学 (UNSW) 工学部機械製造工学部、ニューサウスウェールズ州シドニー、2052、オーストラリア

ホアン・フオン・ファン

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PTP と TND は製造プロトコルを確立し、アイデアとデバイス設計を概念化し、実験を実行しました。 PTP、MTT、TTH、JD、CCN、H.-PP、NHL、および TND が論文を執筆し、研究活動を監督し、試薬/材料/分析ツールを提供し、原稿を改訂しました。

Thanh Nho Doへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

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受信日: 2022 年 4 月 6 日

受理日: 2022 年 6 月 22 日

発行日: 2022 年 6 月 30 日

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

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