Têxteis inteligentes usando fluido

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 11067 (2022) Citar este artigo

5383 Acessos

8 Citações

256 Altmétrico

Detalhes das métricas

O casamento de tecidos com músculos artificiais para criar tecidos inteligentes está atraindo grande atenção da comunidade científica e da indústria. Têxteis inteligentes oferecem muitos benefícios, incluindo conforto adaptativo e alta conformidade com os objetos, ao mesmo tempo em que fornecem atuação ativa para o movimento e a força desejados. Este artigo apresenta uma nova classe de tecidos inteligentes programáveis ​​criados a partir de diferentes métodos de tricô, tecelagem e colagem de fibras musculares artificiais acionadas por fluido. Modelos matemáticos são desenvolvidos para descrever a relação força-alongamento das malhas e tecelagens, seguidos de experimentos para validar a eficácia do modelo. Os novos tecidos inteligentes são altamente flexíveis, adaptáveis ​​e mecanicamente programáveis, permitindo movimentos multimodais e habilidades de mudança de forma para uso em aplicações mais amplas. Diferentes protótipos de têxteis inteligentes são criados com validações experimentais, incluindo várias instâncias de mudança de forma, como alongamento (até 65%), expansão de área (108%), expansão radial (25%) e movimento de dobra. Também é explorado o conceito de reconfigurar tecidos convencionais passivos em estruturas ativas para estruturas de transformação de formas bioinspiradas. Espera-se que os têxteis inteligentes propostos contribuam para a progressão de dispositivos vestíveis inteligentes, sistemas hápticos, robótica macia bioinspirada e eletrônicos vestíveis.

Os robôs rígidos são eficazes ao trabalhar em ambientes estruturados, mas encontram problemas ao lidar com contextos desconhecidos de ambientes em mudança, restringindo assim suas aplicações para pesquisa ou exploração. A natureza sempre nos surpreende com inúmeras estratégias inteligentes para lidar com fatores externos e versatilidades. Por exemplo, as gavinhas das plantas trepadeiras realizam movimentos multimodais, como flexão e torção em espiral, para explorar o ambiente desconhecido e encontrar suportes adequados1. A armadilha de Vênus (Dionaea muscipula) é equipada com pêlos sensíveis em suas folhas que, ao serem acionados, se fecham para capturar a presa2. Corpos que se transformam ou mudam de forma de superfícies bidimensionais (2D) para formas tridimensionais (3D) que imitam estruturas biológicas tornaram-se tópicos de pesquisa interessantes nos últimos anos3,4. Essas configurações robóticas suaves alteram suas formas para se adaptar a ambientes versáteis, fornecem movimentos multimodais e exercem força para gerar trabalho mecânico. Seus alcances foram expandidos para uma ampla gama de aplicações robóticas, incluindo estruturas implantáveis5, robôs reconfiguráveis ​​e autodobráveis6,7, dispositivos biomédicos8, locomoção9,10 e eletrônicos extensíveis11.

Muitos estudos foram conduzidos para desenvolver uma folha planar programável que se transforma em uma estrutura 3D complexa após a ativação3. Uma ideia simples para gerar estruturas que mudam de forma é combinar camadas de diferentes materiais que produzam movimentos de flexão e enrugamento quando acionados por estímulos12,13. Este conceito foi implementado por Janbaz et al.14 e Lee et al.15 para produzir robôs de mudança de forma multimodais responsivos termicamente. Estruturas baseadas em origami incorporadas com elementos responsivos a estímulos foram exploradas para criar estruturas 3D complexas16,17,18. Inspirados na morfogênese de estruturas biológicas, Emmanuel et al. criaram elastômeros que mudam de forma organizando vias aéreas dentro de uma superfície de borracha, que se transformam em formas 3D arbitrárias complexas mediante pressurização19.

A integração de têxteis ou tecidos em robôs macios que mudam de forma é outro projeto conceitual emergente que atrai grande interesse. Têxteis são materiais macios e flexíveis feitos de fios por técnicas de entrelaçamento, como tricô, tecelagem, tranças ou nós. Os têxteis têm características incríveis, incluindo flexibilidade, conformabilidade, elasticidade e respirabilidade, tornando-os extremamente populares em todos os aspectos da vida, desde roupas até aplicações médicas20. Existem três abordagens amplas para incorporar têxteis na robótica21. A primeira abordagem é usar têxteis como substratos passivos ou a base para abrigar outros componentes. Nesta circunstância, os têxteis passivos fornecem um ajuste confortável para os usuários enquanto carregam componentes rígidos (motores, sensores, fontes de alimentação). A maioria dos robôs vestíveis macios ou exoesqueletos macios pertencem a essa abordagem. Por exemplo, exoesqueletos vestíveis macios para assistência na caminhada22 e assistência na articulação do cotovelo23,24,25, uma luva vestível macia para assistência nas mãos e dedos26 e robôs macios bioinspirados27.