AdvMater盛开的编织花具有

前言

柔性变形材料通过结构重构或机械性能变化使其能够适应外部环境。柔性的特征使其能够模仿类似肌肉运动的生物活动，因此对比传统的机器人，基于柔性变形材料的软机器人技术能够实现更多的自由度，在未来机器人技术发展中有广泛的应用前景。近年来有研究人员研究了通过设计刚性-柔性结构体积的方法产生柔性变形驱动的可能性，这些方法虽然可以驱动直观形式的柔性变形，但存在结构复杂，制备困难的缺点——在刚性的机械系统中，多个关节或驱动器通常伴随着一个复杂的传感器反馈和控制系统；弹性体通常需要定制设计的模具，且制备复杂，工艺繁杂。

因此研究一种结构和制备简单的柔性变形材料变得十分必要，也成为许多研究者的研究的方向。

成果简介

年2月6日，韩国首尔国立大学Sung-HoonAhn课题组在AdvancedMaterial期刊上发表题为“BloomingKnitFlowers:Loop-LinkedSoftMorphingStructuresforSoftRobotics”的文章。该文章报道了一种使用聚酯纤维包裹的镍钛形状记忆合金（SMA）复合材料，通过简单的编织方式将其编织成环路连接结构从而创建了一种3D形貌柔性变形材料的方法，该方法的柔性变形完全基于区别于体积结构设计的编织方式设计，这使得该材料能够在热激发的条件下发生三维结构转换。由于该材料的编织技术采用的都是纺织工业中的通用技术，不仅使得这种纺织方式设计相对于体积结构设计更加简单，而且为后续实用化提供基础。这种柔性变形材料在可穿戴设备、护甲和软机器人技术领域有广泛的应用前景。视频中研究者将这种材料编织成“花骨朵”形状，在焦耳热激发下，“鲜花”绽放：

图文导读

聚酯纤维

A)将聚酯纤维缠绕在（55wt%Ni/45wt%Ti）形状记忆合金线上

B)不同的编织方式：K表示后续的编织从下面绕过，P表示后续的编织从上面绕过

C)K方式循环编织面料

D)编织的单元运行拉长、加宽和扭曲，显示了材料优异的弹性能力

不同编织方式编织成的2D矩阵（矩阵单元10×10mm）能够构建不同的变形能力

A)热激发后卷曲变形

B)热激发后平面变形

C)热激发后波浪形变形

D)热激发后凸几何变形

Fig3

不同编织方式编织成的3D闭合矩阵（6×22单元）

A)热激发后凸圆环变形

B)热激发后凹圆环变形

C)热激发后直径和高度上均出现变形

D)热激发后在垂直方向上出现波浪形表面

E)热激发后在斜线方向上出现波浪形表面

F)变形原理：热激发后SMA从马氏体向奥氏体转变

G)通过加热冷却循环（反复发生相变）测定轴向膨胀力和轴向承载负荷

H)不同矩阵排布方式的BlockingForce和LoadRange（BlockingForce由奥氏体负荷减去马氏体负荷得到，LoadRange由最大承载负荷减去马氏体负荷）在测试中，Garter模式显示出最高的阻滞力10.5N，Knit模式显示最低的阻滞力5.7N，比例系数约等于0.5

I)测量了在奥氏体和马氏体相的稳定驱动状态以及圆柱体在1mm时的最大承载负荷。测试结果显示最大压缩载荷作用的模式是Garter和Rib模式

Fig4

可变形的“编织花”

A)一个花瓣的编织方式

B)一个受焦耳热激发的变形花瓣

C)使用智能纤维和普通纤维编织成一朵“百合花”

D)通过有选择地应用电流（产生焦耳热）到每一片“花瓣”使“花瓣”变形的变形序列（每个“花瓣”都有一个独立的电流通道）

E)使用智能纤维和普通纤维编织成一朵“水仙花”，包括6个花瓣和一个花蕾共7个电流通道

F)使用智能纤维和普通纤维编织成一朵合瓣的变形花

G)使用智能纤维和普通纤维编织成一朵“水芋花”，在一个花瓣顶部，中间和底部区域有三个电流通道

小结

这种环路连接的变形结构展示了各种不同模式的变形能力，不仅可以实现弯曲和扭转变形，也可以在三维层面上实现体积变形。这种变形依赖于一维智能纤维和纺织方式的巧妙设计。这种通过纺织阵列实现柔性变形的材料有以下几个优点：

较高的灵活度，通过不同纺织方式的循环阵列实现各种转变；

多维的连续的变形，不同维度的平面的空间的各种不同变形方式可以被十分简单的制造出来；

组成简单，结构易设计；

通过纺织法一步制备，能够适应快速大规模的生产；

这种纤维基结构的复合材料有潜能广泛的应用在可穿戴设备、护甲和软机器人领域。

本文来源：刘海州，感谢作者的精彩分享，转载请注明出处

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