Giriş: Fiber-Reinforced Soft Robotics
Yumuşak robotlar, bir niş araştırma alanından tıp, üretim ve araştırma ile ilgili pratik sonuçlarla canlı bir alana kadar büyüdüler. Metallerden ve sert plastiklerden inşa edilen katı robotlardan farklı olarak, yumuşak robotlar silikon elastomerler, hidrogels ve kumaşlar gibi uyumlu malzemelerden inşa edilmiştir.Bu doğal esneklik, insanları özgürce dolaşabilmelerini sağlar ve eşitsiz arazilere adapte edebilir.Ancak bu avantajların da temel bir ticarete olanak sağlar: yük altında yapısal bütünlüğü korumak, yumuşak bir robotun da iyileştirilmesini sağlar.
Fiber takviye:0) Bu meydan okumaya kararlı bir çözüm olarak ortaya çıktı.[DÜT:1]. Yumuşak matrix içinde yüksek güçlü fiberler yerleştirerek, mühendisler, esneklik olmadan mekanik performansı dramatik bir şekilde geliştirebilirler. Fibers bir iskelet olarak hareket eder, çekme yükleri taşımak ve aşırı deformasyonu önlemek için, yumuşak matris dağıtmaları ve bükmeyi sağlarken, bu alanda yeni bir temelleme işlemi gerçekleştirirler.
Bu makale, fiber takviye ardındaki temel ilkeleri araştırıyor, en etkili son yenilikleri vurgulamaktadır, yapısal ve işlevsel faydaları inceler ve aynı zamanda kalan sorunları tartışır. Ayrıca gelişmekte olan teknolojilere de bakar - kendini teşvik eden tasarımları ve akıllı kontrol sistemleri - bu dikkat çekici sistemlerin yeteneklerini daha da genişletir.
Fiber-Reinforced Soft Robotics
Malzemeler ve Fiber Mimarlıklar
Fiber malzemenin seçimi, kompozitlerin son özelliklerinde önemli bir rol oynar. Ortak takviye fiberler şunları içerir:
- [FONT:0)Carbon fiber[[DÜT:1) - olağanüstü bir güç seviyesi ve yüksek sertlik, en az ek kitleye sahip olan uygulamalar için ideal.
- [FONT:0)Kevlar (aramid)) – yüksek sertlik ve etkiye direnç sağlar, robotlarda çarpışmalar veya tekrarlanan dinamik yüklemeyi hayatta tutmalıdır.
- [FONT:0)Glass fiber - iyi çekme gücü ile maliyet etkin bir alternatif, genellikle prototiplerde veya elektrik yalıtımlarının ihtiyaç duyduğu yerde kullanılır.
- [FONT:0]Nylon ve diğer polimer fiberler[Dönetici: 1) İyi elastiklik ve yorgunluk direnci sunar ve düşük sıcaklık döküm süreçleri ile daha uyumlu olabilir.
- [FONT:0)Kondüktif veya optik fiberler[Dönetici: 1) Aynı yapısal element içinde algılama ve iletişim işlevleri sağlar.
Fiberlerin düzenlemesi eşit derecede kritiktir. Üç birincil mimari edebiyata hükmediyor:
- [FONT:0) Uzun (akıl) fiberler ) bir robot kolu veya hareketleyicinin uzunluğu boyunca çalışır ve bir uçaktaki bükme sertlik sağlar.
- [FONT:0)Circumferential (hoop) fiberler [Dönetici:0) Robotun kesitini sarar, iç baskı uygulanan radyal genişlemeyi sınırlandırır - pnömatik veya hidrolik eylemciler için temel.
- [FONT:0]Helical veya braided desenleri[Dönergesel ve çevresel etkiler birleştirin, genişleme ve torsion'ın eş zamanlı kontrolünü sağlar.Baid açısına göre tasarımcılar robotun iç basınç veya dış yüklere tepkisini seçebilirler.
Mekanikler ve Tasarım Prensipleri
Fiber takviye, anisotropic sertlik prensibini kullanır. Çünkü fiberler hareketlerini karşılamak için güçlü ve serttir, ancak optikin mekanik cevabı sadece dışsallığa bağlı hale gelir.Bu, bir eğimli hareketleyici oluşturmak için mühendislere izin verir: 0,3 inç veya robotun deformasyon modları) Aksine, bir eğriyi zorlamak için.
Kompozit teoriye dayanan analitik modeller - klasik laminat teorisi ve fiber-reinforced elastomerik muhafazalar (FREEs) - tasarım sürecini kılavuzluk gibi parametreler, ve fiber yönelim, sonlu elemanlar analizi (FEA) daha önce optimize edilmiştir.
Son zamanlarda yapılan çalışmalar da tanıtıldı:0) Fiber-embedded pnömatik hareketleyiciler[Döneticileri) yumuşak iskeletler, robotik kolları ve prosthetic cihazlar için bir tüp takviye ederek, özel fiber kalıpları tasarlayabilme yeteneği, alandaki ilerlemelere bağlı olarak.
Anahtar Yenilikler Alana Sürüş
Karbon Fiber Dondurucu: Işık Paketinde Yüksek Performans
Karbon fiber, küçük cam elyaf tows veya kumaş tabakalarını talep eden bir go-to materyali haline geldi.Saç gücü - 3,500 MPa'yı aşarak - genellikle on MPa'da bir modulusa sahip olan yumuşak polimer matrisi aşmaktadır.
Önemli bir örnek, arsacıklı versiyonlarına kıyasla on kat artış gösterdi.Beyazsides Research Group[DDDD:0) Karbon fiberler daha yüksek basınçlarda tıkanıklık ve rupture sağlamak için kullanılan yumuşak devreler için kullanılan bükücüler, aynı şekilde bükme ve uygun şekilde sınıflandırma yeteneğinin geliştirilmesine izin verirken, vücut lifleri şarj edilebilir.
Fiber-Embedded Yapıların 3D Baskısı
Ek olarak üretim, fiber-reinforced yumuşak robotların üretimini devrime getirdi. Geleneksel yöntemler, fiberlerin yumuşak bir matris içinde yerleştirilmesini gerektiren, zaman alıcı ve basit geometrilerle sınırlı olan, 03.1600D baskı, fiberlerin otomatik olarak ayrıştırılmasını sağlar).
İki birincil yaklaşım var: (1) Doğrudan ink yazma (DIW) kompozit filamentler, bir nozul ekstrütürünün bir karışımı ve ekspeçelenmiş fiberler ve (2) sürekli bir fiberin matris materyalinin yanında bir noel baskı ile beslendiği, ikincisi, eski bir fiber yolların daha yüksek çözünürlükte daha fazla tasarım esnekliği sunuyor.
Araştırmacılar, Wyss Enstitüsü'nün (D-D-printed soft çatlakları sürekli cam elyaflarla gömülüyorlar) üzerindeki bir helical deseni üzerinde yoğunlaştırdı, böylece ellerin 100 kata kadar farklı bir ağırlığa ihtiyacı var. Aynı teknik, uzun süre boyunca farklı sertleştirici bir sertlikle yumuşak hareket edenler yaratmak için genişletilmiştir.
Başka bir yenilik, temiz bir jel desteği olmadan, üreticiler, iç fiber iskeletlerle ağarmış kalp torbaları veya yumuşak robot yılanları gibi geçici bir jel desteği ile, prototyping ve özelleştirme olmadan yapıtsız yapıların özelleştirmesini sağlamak için hazırlanmaktadır.
Akıllı Fiberler ve Gömülü Senlering
Fonksiyonel fiberlerin entegrasyonu - bu, mantıklı, davranış veya hatta hareket edebilir - akıllı yumuşak robotlara bir adım atılır. Karbon nanotüplerden (CNTs), gümüş metal dolu kapaklar, ya da sıvı-metal kablolar, çatlakları oluşturmak için yumuşak bir matris içinde yerleştirilebilir; bu fiberler güçlendirilmeden daha fazlasını yapar; onlar yapısal sağlık üzerine gerçek zamanlı geri bildirimler sağlarlar (Dönemli)
Örneğin, fiber'in elektrik direnci, robotun kendi eğriliği ile ilgili olarak değiştirildiği zaman, dış sensörler için gerekli adımları ortadan kaldırır ve kapalı denetimleri etkinleştirir. benzer yaklaşımlar, bağlantı güçlerini tespit etmek için kullanılırken, kayma ve hatta hasarlar - felaketten önce doğru eylemlerin gerçekleşmesine izin verir.
Optik fiberler, akıllı takviyelerin başka bir umut verici sınıfıdır. Fiber Bragg granüler (FBGs) temele yazılabilir ve yumuşak endoskopik bir araç ile uygulanan ısıyı ölçebilir.
Daha fazla bakıldığında, araştırmacılar talep üzerine sertlik değiştirebilecek fiberleri keşfediyorlar - örneğin, gömülü bir şekilde dekore edilmiş bir alaşım (SMA) manipülasyon veya elektrik kontrolü altında sıvı ve sağlam bir şekilde formüle edilebilir. Bu “aktif fiberler”, esnek, uyumlu bir devlet ve sert bir yük devretme durumu arasında geçiş yapmak için yumuşak bir robotun kollarına izin verebilir.
Yapısal Faydaları ve Performansları
Geliştirilmiş Yük Kapasitesi ve Rupture'ye Direniş
Fiber takviyenin en acil yararı, yumuşak bir robotun güvenle idare edebileceği yükte dramatik bir artıştır.Instestrid silikon aksiyoncular 50-100 kPa. gömülü fiberler ile aynı eylemci, 500 kPa'yi aşan baskıları sürdürebilir, güçlü nesneleri kaldırmaya, daha büyük güçler uygulamaya ve yüksek basınçlı ortamlarda çalışabilmeye ve yüksek basınçlı ortamlarda ameliyathanelerde çalışabilirler.
Statik yüklere ek olarak, fiber takviye:0) Çevrimdışı yorgunluka karşı direnişi geliştirir). Soft robotlar genellikle 100.000 döngüden sonra orijinal güçten% 90'ı korurlar ve geçici olmayan eşdeğerleri tutuklamaya yol açabilirler.
Kompleks Hareketleri için Anisotropy
Fiber yönelimini kontrol ederek, mühendisler, son derece özel şekillerde hareket eden yumuşak robotlar tasarlayabilirler. Örneğin:
- Baskılandığında bir kıvrık çene, çünkü dış yüzeydeki fiberler, iç yüzey özgürce genişlemelerini önler.
- Bir kamera veya araç döndürmek için bir bükülme hareketi, aksiyel genişlemeyi toklara dönüştüren helical fiberleri gömerek elde etti.
- Başkalarında esnek kalan bir şekilde sertleştirilebilecek bir “yumuşak omurgası”, yılan benzeri arama robotları için boca veya rubble silebilir.
Fiber mimarisi aracılığıyla program kurma yeteneği karmaşık kontrol algoritmaları ve birden fazla eylemci için ihtiyaçtır, düşük maliyet ve güç tüketimi de sağlar. Ayrıca, güçlendirilen tek şey mekanik işlevine katkıda bulunur.
Genişletilmiş Yaşamspan ve Bakım Azaltıldı
Geliştirilen yorgunluk hayatı ve çevresel faktörlere karşı direnç (UV, nem, kimyasallar) doğrudan daha uzun operasyonel yaşamlara çevrilir. Fiber-reinforced soft robotlar endüstriyel pick-ve-place görevleri yerine ay boyunca yedek olmadan çalışabilir. Tıbbi uygulamalarda implantlar yıllarca vücut koreatif çevreye dayanmalıdır, PEEK veya ipek fiberler gibi biyo uyumlu malzemeler kullanarak fiber takviyeler, araştırma alanıdır.
Dahası, sağlık izleme için sensörler gömme yeteneği, potansiyel hataların erken tespit edilebilmesi, beklenmedik kapatmalardan ziyade önleyici bakımlara izin verilmesi anlamına gelir. Bu, onarımlar için erişimin zor olduğu uzak veya tehlikeli ortamlarda özellikle değerlidir.
Uygulama Domainleri
Biyomedikal Cihazlar
Yumuşak robotlar zaten sağlıkta bir ev bulmuş ve fiber takviye, onu kabul eden bir elyaftır. [Dönetici cihazlar) fiberreinforced ipuçları ile hem de eklenmiş aletlerin ağırlığı altında tutmaları için gerekli olan esnekliği sağlayabilir. Örneğin, fiberler için bir fiberreinforced esnek endoskopi, iç baskıyı ayarlayarak, fiberler eklenmiş aletlerin ağırlığı altında tutmaları engellenebilir.
[FONT=0]Prosthetic hand using fiber-embedded “artificials[[Dönetici için) bir firmaya uygun bir şekilde (sağlıklı nesneler için) geri dönmelerine yardımcı olur.
[FONT:0]Sürekli iskeletler[Döneticiler için [Döneticiler için) başka bir umut verici alandır.
Endüstriyel sişikler ve Manipulators
Üretimde, yumuşak kıvrımlar kırılgan eşyaları (elektronik, camware, gıda) işlemek için kullanılır, ancak bu da sert metal çeneleri tarafından zarar görür. Fiber-reinforced kıvrımlar, gerekli olan hafif dokunuşları korurken daha ağır ödeme yüklerini artırabilir. Örneğin, gömülü camlarla bir kavramak için, bir el cam şişe kırılabilir, ancak aynı zamanda bir çiğ yumurtayı da yönetebilir.
Ek olarak, fiber takviye, kum kaplı bileşenleri işlemek veya toz fabrikalarında çalışmak gibi sert ortamlardaki kıvrımların dayanıklılığını artırır. Fibers, yumuşak matrisi giyme ve yırtılmadan korur, kıvrım ömrünü aylarca uzatır.
Keşif ve Çevre İzleme
Yumuşak robotlar, tahmin edilemez arazileri keşfetme konusunda doğal olarak uygundur - susuz, sualtı kayaları ve hatta insan vücudu. Fiber takviye, bu ayarlarda etkileri ve punktürleri önlemeye yetecek kadar sağlam yapar. ”Ücretsiz yumuşak robotlar[Döntgenler, x-resenleri, manevra kabiliyetine sahip yüzlerce metre derinliğine sahip takviye eder.
Uzay keşifinde, her gram sayının önemli olduğu yerde, fiber-reinforced yumuşak robotlar zorlayıcı bir seçenek sunabilir. Düz paketler, pnömatik olarak dağıtılabilir ve sonra sabit yapılar oluşturmak için fiberler aracılığıyla sertleştirilebilir. Future tasks, bu tür robotları uzaylarda sıkı alanları kontrol etmek veya asteroitler üzerinde nazikçe örnek kayalar yapmak için kullanabilir.
Meydanlar ve Sınırlar
İmalat Kompleksi ve Maliyet
Precise fiber yerleştirme, özellikle üç boyutlu şekillerde sürekli fiberler, teknik olarak zorlu ve pahalı kalır.Mevcut 3D baskı yöntemleri, inşa hacmi ve hızda sınırlıdır ve genellikle destek materyallerini satın almak veya kaldırmak gerektirir. Manual işten çıkarma, iş odaklı ve yoğun ve yüksek maliyetlidir. Ticari hacimlere kadar üretim gerektirir.
Interfacial Bonding ve Delamination
Fiber ve yumuşak matrix arasındaki bağ kritiktir. Weak adhesion, kondüktör veya gradient bölgelerin kullanımı dahil olmak üzere matrix-li fiber arabirimlere yol açabilir.
Scalability and Standardization
Fiber-reinforced yumuşak robotlar için evrensel tasarım metodolojisi yoktur. Her uygulama, özel fiber kalıpları, matris malzemeleri ve aktüatör geometrileri gerektirir. Standartlaştırma eksikliği, sonuçları bir laboratuvardan diğerine veya güvenlik-kriptif uygulamalar için devre dışı bırakmak zorlaşır.
Ayrıca, yüksek performanslı fiberlerin maliyeti (karbon, Kevlar, CNT) büyük ölçekli dağıtım için yasaklanabilir. Biyo bazlı veya geri dönüştürülmüş fiberler genellikle daha düşük maliyetli alternatifler olarak araştırılır, ancak genel olarak daha düşük bir güç sunar.
Future Yol Tarifi
Kendini kınayan ve Adaptif Fibers
Metalikler veya mikrokaplar fiber kaplamaya kendilerini adamış polimerler veya mikrokaplar koyarak, küçük gözyaşları otomatik olarak tamir etmelerine izin verebilir. Erken deneyler matrix içindeki damar ağları iyileştirme ajanlarının zarar görmüş bölgelere teslim edebileceğini göstermiştir.Eğer fiberler kendilerini örnek olarak, düzgün bir şekilde tedavi edilebilir bir şekilde, robotun yaşam tarzına izin verebilir.
Bioinspired Hierarchical Designs
Doğa fiber takviyede birçok ders sunuyor. Kan damarlarındaki kolajen liflerin helical düzenlemesi, “-ve kemikli çadırların sınıflandırılması ve örümceklerin dokuma yapılarının tüm ilham verici yeni tasarım yaklaşımları ile çevrilir. Araştırmacılar, bu doğal şablonları taklit eden, parçalarının miktarından daha fazla olan özellikleri geliştirirler.
Adaptif Kontrol için Makine Öğrenmesi ile entegrasyon
Fiberreinforced soft robotlar daha karmaşık hale geldikçe, onları kontrol etmek daha zor hale gelir. Kompozitlerin doğrusal olmayan davranışları, histeriler ve zaman bağımlı etkilerle birlikte, gerçek zamanlı devlet geri bildirimlerini sağlayan akıllı fiberler, özellikle de giriş baskıları ve çıkış hareketleri arasındaki haritayı fiziksel sistemle etkileşime sokabilir.Bu, robotun yük, aşınma veya çevresel koşullarla otomatik olarak değişikliklere uyum sağlamasını sağlar.
Çok fonksiyonel Kompozitler
Gelecekteki fiberreinforced yumuşak robotlar, hareketle, algılama, güç hasat ve veri iletişimi aynı fiber ağ içinde tüm iletişim kurabilir. Örneğin, bir karbon-fiber ağı hem yapısal bir güçlendirme hem de elektrik lifleri için elektrik iletkenliği ile hizmet edebilir, aynı zamanda su pompasını azaltırken verileri aktarabilir ve gerçekten de farklı yumuşak robotlara karar verebilir ve en az dış destekle hareket edebilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Fiber takviye, uygun bir mühendislik disiplinine olan meraktan yumuşak robotları dönüştürdü. Güçlü, hafif fiberleri yumuşak matriklere gömerek, mühendisler hem yumurta hem de motor blokları arasındaki tarihsel ticarete karşı atladılar.En son 3D baskı, akıllı algılama fiberleri - performans zarfını daha da ileri ittiler, daha önce imkansız olan uygulamalar.
Zorluklar: üretim maliyetleri, interfacial dayanıklılık ve standart tasarım yöntemlerine ihtiyaç duyuyor. Ancak kendi kendine özgü malzemeler, biyoinspired mimarlıklar ve makine öğrenme kontrol vaatlerini bu konulara yöneltiyor. Asinforced soft robotlar muhtemelen hastanelerde, fabrikalarda ve keşif misyonlarında ortak bir görüş haline gelecektir.