根据《科学报告》最近的一项研究，图灵模式可以用来开发一种设计和生产基于织物的软气动执行器(fspa)的新方法。
基于织物的软气动执行器(fspa)是一种灵活的软装置，当施加压力时可以变形或移动。它们的作用是充气或放气，使织物弯曲、拉伸或扭曲。
软机器人经常依赖于fspa，因为它们具有关键的灵活性和适应性。与传统的刚性机器人部件不同，fspa可以安全地与人类和精致的物体互动。
由于其柔软轻便的特性，fspa非常适用于可穿戴设备、自适应庇护所、机器人抓取器和辅助设备等应用。它们的价值在于成本低、安全、灵活。
然而，设计和制造fspa是具有挑战性的。研究小组通过过程的自动化解决了这个挑战。
该团队由丰田中央研发实验室的田中正人博士和野村刚博士组成。以及来自美国丰田汽车工程与制造北美公司的宋宇阳博士。
Phys.org采访了研究人员，他们分享了他们进行这项研究的动机。
田中博士说:“这项研究背后的动机源于软机器人社区对气动执行器的公认需求，气动执行器可以使用简单的机制执行受控运动，而不依赖于专门的材料或技术。”
“我们的目标是开发简单、低成本的fspa，实现形状变形能力。我们特别专注于将艾伦·图灵的形态发生理论，即图灵模式，融入到这些表面纹理的设计过程中，”野村博士说。
阿兰·图灵在1952年提出了形态发生理论，描述了自然界中的图案(条纹、螺旋等)是如何从均匀分布的状态中产生的。
宋博士说:“受艾伦·图灵的工作启发，图灵模式可以从各向同性反应扩散方程中推导出来，我们采用了基于梯度的定向优化方法来设计fspa的表面膜。”
图灵图案产生于具有反应和扩散成分的系统。主要思想是我们有两种相互作用的物质，其中一种促进两者的作用，另一种抑制或抑制第一种。
这种反馈循环的结果是形成稳定的、重复的图案，或图灵图案，就像斑马和老虎身上的条纹一样。
设计fspa的最大挑战是需要反复试验以找到合适的材料。
“传统的气动结构通常使用具有特定几何特征的各向同性材料，例如缝线，以实现形状变形，”田中博士解释说。
软质各向同性材料以其均匀的性能而闻名，通常用于传统的fspa。这保证了材料在施加压力时均匀地膨胀或弯曲。
然而，设计和制造一种以可控和可预测的方式变形的材料需要反复试验，而且可能很耗时。研究小组的目标是通过过程自动化和优化来绕过这些限制，从而在软机器人应用中实现更先进和可控的运动。
“我们采用基于梯度的定向优化方法来设计这些结构的表面膜。这种方法假设在膜上使用各向异性材料，其中取向可以自由变化，这使得制造这种结构成为一个重大挑战，”宋博士说。
野村博士补充说:“我们的研究通过利用图灵模式来弥合基于材料取向的优化设计和3D打印之间的差距，从而解决了这一挑战。”
fspa由材料组成，它是用于构造致动器的织物和致动器，致动器在压力下执行运动。
他们的方法的第一步是优化材料的方向，也就是说，柔性织物的纤维如何排列在驱动器的表面上。
为此，他们采用了非线性有限元法。经过优化，取向布局在材料上转化为特定的图案。
这些特殊的图案是由研究人员使用的各向异性反应扩散系统的数学模型产生的。这种图案填充整个表面，并确保材料以所需的方式变形。
Tanaka博士解释说:“通过求解这些方程并结合优化材料各向异性分布的信息，我们生成了与原始材料各向异性相对应的各向异性图灵图案纹理。”
为了制造FSPA，研究人员探索了两种方法:热粘合和刺绣。
在热粘合中，像Dyneema这样的刚性织物被激光切割成所需的图灵图案，然后用热压机粘在像TPU薄膜这样的柔软织物上。相比之下，刺绣技术将图灵图案嵌入到柔软的织物中，用坚硬的线，产生不同刚度的区域，允许控制运动。
宋博士解释说:“这些制造方法为这些先进的执行器提供了可扩展和经济高效的生产可能性。”
研究小组将他们的设计与经典的简单设计进行了比较，他们的图灵图案设计显示出可比的更好的性能。
对于c形设计，图灵模式被证明比经典设计更有效，将执行器边缘之间的距离减少了大约10%。
对于扭曲运动，图灵图案的设计与经典设计相似。然而，s形弯曲在传统上很难实现。
野村博士说:“我们的方法可以通过简单的气动输入，通过我们的优化方法设计印在膜上的纹理图案，实现任何运动。”
根据研究团队的说法，未来的研究可以着眼于将图灵图案设计与形状记忆或电活性聚合物等尖端材料相结合，以开发具有改进动力学的致动器。
研究人员还预计将探索制造技术的规模，以适应大规模生产和更大的执行器，可能会使用柔性材料的3D打印或自动编织等方法来提高效率和精度。
更多信息:Masato Tanaka等人，具有可编程图灵图案纹理的织物软气动执行器，科学报告(2024)。期刊信息:科学报告
?2024 Science X Network
引用:利用图灵模式增强软气动技术(2024年9月28日)检索自https://techxplore.com/news/2024-09-turing-patterns-soft-pneumatic-technology.html本文档
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