Tessuti intelligenti che utilizzano fluidi

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11067 (2022) Citare questo articolo

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L’unione dei tessuti con i muscoli artificiali per creare tessuti intelligenti sta attirando grande attenzione da parte della comunità scientifica e dell’industria. I tessuti intelligenti offrono molti vantaggi, tra cui il comfort adattivo e l’elevata conformità agli oggetti, fornendo allo stesso tempo l’attuazione attiva per il movimento e la forza desiderati. Questo articolo introduce una nuova classe di tessuti intelligenti programmabili creati da diversi metodi di lavorazione a maglia, tessitura e adesione di fibre muscolari artificiali guidate da fluidi. Vengono sviluppati modelli matematici per descrivere la relazione di allungamento-forza dei fogli tessili per maglieria e tessitura, seguiti da esperimenti per convalidare l'efficacia del modello. I nuovi tessuti intelligenti sono altamente flessibili, conformabili e programmabili meccanicamente, consentendo movimenti multimodali e capacità di cambiare forma da utilizzare in applicazioni più ampie. Vengono creati diversi prototipi dei tessuti intelligenti con convalide sperimentali che includono vari casi di modifica della forma come allungamento (fino al 65%), espansione dell'area (108%), espansione radiale (25%) e movimento di flessione. Viene inoltre esplorato il concetto di riconfigurazione dei tessuti convenzionali passivi in ​​strutture attive per strutture di trasformazione della forma bio-ispirate. Si prevede che i tessuti intelligenti proposti contribuiranno allo sviluppo di dispositivi indossabili intelligenti, sistemi tattili, robotica morbida di ispirazione biologica ed elettronica indossabile.

I robot rigidi sono efficaci quando lavorano in ambienti strutturati, ma incontrano problemi nell’affrontare contesti sconosciuti di ambienti mutevoli, limitando così le loro applicazioni per la ricerca o l’esplorazione. La natura ci stupisce sempre con numerose strategie intelligenti per gestire fattori esterni e versatilità. Ad esempio, i viticci delle piante rampicanti eseguono movimenti multimodali come piegamenti e torsioni a spirale per esplorare l'ambiente sconosciuto e trovare supporti adeguati1. La Venere acchiappamosche (Dionaea muscipula) è dotata di peli sensibili sulle foglie che, una volta attivato, si chiudono per catturare la preda2. Corpi che si trasformano o cambiano forma da superfici bidimensionali (2D) a forme tridimensionali (3D) che imitano le strutture biologiche sono diventati argomenti di ricerca interessanti negli ultimi anni3,4. Queste configurazioni robotiche morbide alterano le loro forme per adattarsi ad ambienti versatili, forniscono movimenti multimodali ed esercitano forza per generare lavoro meccanico. La loro portata è stata ampliata a un'ampia gamma di applicazioni robotiche, comprese strutture dispiegabili5, robot riconfigurabili e ripiegabili6,7, dispositivi biomedici8, locomozione9,10 ed elettronica estensibile11.

Sono stati condotti molti studi per sviluppare un foglio planare programmabile che si trasforma in una struttura 3D complessa dopo l'attivazione3. Un'idea semplice per generare strutture che cambiano forma è quella di combinare strati di materiali diversi che producono movimenti di flessione e rughe quando attivati ​​da stimoli12,13. Questo concetto è stato implementato da Janbaz et al.14 e Lee et al.15 per produrre robot multimodali che cambiano forma termicamente reattivi. Strutture basate su origami incorporate con elementi sensibili agli stimoli sono state sfruttate per creare strutture 3D complesse16,17,18. Ispirati dalla morfogenesi delle strutture biologiche, Emmanuel et al. hanno creato elastomeri che cambiano forma disponendo le vie aeree all'interno di una superficie di gomma, che si trasformano in complesse forme 3D arbitrarie dopo la pressurizzazione19.

L’integrazione di tessuti o tessuti in robot morbidi che cambiano forma è un altro progetto concettuale emergente che attira un forte interesse. I tessuti sono materiali morbidi e flessibili realizzati con filati mediante tecniche di intreccio come il lavoro a maglia, la tessitura, l'intrecciatura o l'annodatura. I tessuti hanno caratteristiche sorprendenti, tra cui flessibilità, conformabilità, elasticità e traspirabilità, che li rendono estremamente apprezzati in ogni aspetto della vita, dall'abbigliamento alle applicazioni mediche20. Esistono tre approcci generali per incorporare i tessili nella robotica21. Il primo approccio consiste nell’utilizzare i tessuti come substrati passivi o come base per ospitare altri componenti. In questa circostanza, i tessuti passivi offrono una vestibilità comoda agli utenti mentre trasportano componenti rigidi (motori, sensori, alimentatori). La maggior parte dei robot indossabili o degli esoscheletri morbidi appartengono a questo approccio. Ad esempio, esoscheletri morbidi indossabili per l'assistenza alla deambulazione22 e all'articolazione del gomito23,24,25, un guanto morbido indossabile per l'assistenza alle mani e alle dita26 e robot morbidi di ispirazione biologica27.