具有高柔韌性、出色順應性、卓越功率密度和安全交互的軟致動器在執行複雜任務方面取得了獨特的進步，例如內部外科手術、農業收穫、柔性機械手和可穿戴設備，這是傳統聯動剛性機器人無法實現的。最近，由氣動壓力刺激的軟致動器因其相對簡單和快速的驅動而引起了人們對開發軟致動器和機器人的廣泛興趣。然而，由於現有技術體積功率不足、控制複雜、操作壓力大、生產緩慢、成本高，因此很難將現有技術轉化為商業應用。
為了克服這些問題，來自江南大學和香港大學的學者設計了一種基於簡單製造和低成本策略的分層紡織架構的履帶式執行器。與現有的基於紡織品的氣動執行器不同，設計的執行器是通過將花式紗線與新穎的三層針織結構相結合而構建的。製備好的致動器同時具有快速響應 （1100° s−1）、大彎曲致動應變 （1080° m−1）、高功率密度 （272 W m−3）、機械堅固性、易於編程的運動和人體觸覺舒適性，優於目前報導的基於紡織品的氣動致動器。此外，由於工程分層結構的幾何過渡，所開發的促動器表現出優異的雙剛度效應和應力演變，本研究為解決軟流體致動器中柔韌性和力輸出的衝突提供了一種簡便的方法。這一概念作為一種範式，為使用工程紡織結構開發具有出色設計靈活性、適應性和多功能性的軟致動器提供了新的見解，這在醫療康復、物理治療和軟機器人的實際應用中具有巨大的潛力。相關文章以「Bioinspired and Hierarchically Textile-Structured Soft Actuators for Healthcare Wearables」標題發表在Advanced Functional Materials。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202210351
圖1.類履帶式執行器的生物啟發設計和功能多樣性。a） 執行器的各向異性單軸變形，用於受履帶啟發的彎曲致動。b） 通過改變紗線模量和針織方向，將類似履帶的執行器應用於具有不同變形的軟抓手。c） 應用於輔助可穿戴設備以加強人體肌肉運動。
圖2.分層紡織架構的製造和表徵。a） 履帶式致動器的分層製造過程示意圖。b） 花式紗線的照片圖像和原始狀態和拉伸狀態為 120% 伸長率的紗線光學顯微圖像。c） 粗紗的機械性能：相對於臨界點 P ≈ 120% 應變的雙剛度拉伸性能。d） 三層編織結構正面和背面的照片圖像。e-h） 傳統雙針織和三層針織的比較。e） 和 g） 通過環路單元和拓撲編織架構揭示其出色性能的來源。f）和h）顯示了雙機和三層針織在各向異性和雙剛度性能方面的典型機械性能。
圖3.履帶式執行器的致動性能。a） 照片圖像顯示了在 50 kPa 的供應壓力下，毛毛蟲狀三層編織執行器在 0.49 秒內的快速和大彎曲驅動應變。b） 照片圖像顯示了傳統雙編織執行器在 50 kPa 供應壓力下 3 秒內的彎曲驅動。c） 不同施加壓力下的阻斷力。d） 由雙層編織和三層編織製成的執行器的彎曲曲率。e） 不同施加壓力下的體積膨脹率。f） 充氣時改變履帶狀彎曲致動器的幾何尺寸比。 g） 在不同壓力（30 和 50 kPa）下，履帶式致動器在 50 個循環中阻斷力的可逆循環變化。
圖4.具有多模式致動器的編程執行器。a） 基於彎曲執行器縱向截面和橫截面參數分析的雙模量問題示意圖。b） 不同彈性比下彎曲曲率演變的理論曲線和實驗數據。c） 在不同模量比Ehigh/Elow（低彈性區域和高彈性區域之間的模量之比）下，預測彎曲曲率與彈性比wr/W的函數關係。d） 用於多模式驅動的可編程的幾何形狀和彈性。e） 直徑梯度引起的錐形螺旋變形。f） 來自電影 S2 的圖像，顯示了通過順序滾動和螺旋提升膠帶的抓取過程。g） 執行器的平行多模式運動，在空間坐標中具有單位矢量軌跡。
圖5.三層編織執行器在醫療保健輔助可穿戴設備中的應用。a） 執行器在 225 g 假臂上的力矩Mb 作為供應壓力的函數。b） 顯示可穿戴助行器執行器概念用法的序列圖像。c） 由三層編織執行器驅動的氣動手套，用於輔助手指運動。d） 藉助氣動手套抓住水瓶。e） 紡織式氣動手套的可摺疊性。f） 在50 kPa 的供應壓力下抓取直徑為 6 cm 的氣缸時，每個手指的最大接觸壓力。g，h）按摩機器人由葫蘆狀紡織執行器通過三層編織和雙編織結構的組合設計實現，用於對人體手臂上的穴位施加壓力。i） 在不同供應的壓力下，按摩機器人在穴位上易於調節的壓力輸出。
受毛毛蟲運動行為和解剖結構的啟發，本研究設計和演示了可定製和可重新組裝的基於紡織品的軟執行器。其具有卓越的驅動性能、機械堅固性、易於編程的運動和人體觸覺舒適性。理論建模和仿真證明了三層針織架構的分層紡織品設計和各向異性力學的重要作用，這使我們能夠快速編程、製造和實現各種致動器，從而將致動器與多種運動方式耦合，以產生自適應軟機器人，如夾持器。展示了用於可攜式醫療保健可穿戴設備的高性能三層編織執行器的巨大價值，具有更安全、更舒適和實用的功能。這裡介紹的概念也可以適用於其他需要可變剛度和各向異性機械行為的多功能可穿戴設備。（文：SSC）
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