유체를 활용한 스마트 섬유

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11067(2022) 이 기사 인용

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스마트 섬유를 만들기 위한 섬유와 인공 근육의 결합은 과학계와 산업계의 큰 관심을 끌고 있습니다. 스마트 직물은 원하는 움직임과 힘에 대한 능동적인 작동을 제공하는 동시에 적응성 편안함과 물체에 대한 높은 적합성을 포함하여 많은 이점을 제공합니다. 이 논문은 유체 구동 인공 근육 섬유를 편직하고, 직조하고, 접착하는 다양한 방법으로 생성된 새로운 종류의 프로그래밍 가능한 스마트 직물을 소개합니다. 편직 및 직조 직물 시트의 신장력 관계를 설명하기 위해 수학적 모델을 개발한 후 모델 효과를 검증하기 위한 실험을 수행했습니다. 새로운 스마트 직물은 유연성이 뛰어나고 적응성이 뛰어나며 기계적으로 프로그래밍이 가능하므로 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있는 다중 모드 동작 및 형태 변형 기능이 가능합니다. 신율(최대 65%), 면적 확장(108%), 반경 방향 확장(25%) 및 굽힘 동작과 같은 다양한 형태 변화 사례를 포함한 실험적 검증을 통해 스마트 직물의 다양한 프로토타입이 생성됩니다. 생체 영감을 받은 형태 변형 구조를 위해 수동적 기존 직물을 활성 구조로 재구성하는 개념도 탐구됩니다. 제안된 스마트 텍스타일은 스마트 웨어러블 디바이스, 햅틱 시스템, 생체모방 소프트 로봇공학, 웨어러블 전자기기의 발전에 기여할 것으로 기대된다.

강성 로봇은 구조화된 환경에서 작업할 때 효과적이지만 변화하는 환경의 알 수 없는 상황을 처리하는 데 문제가 발생하므로 검색이나 탐색에 대한 응용이 제한됩니다. 자연은 외부 요인과 다양성을 처리하는 수많은 현명한 전략으로 항상 우리를 놀라게 합니다. 예를 들어, 덩굴 식물의 덩굴손은 굽힘 및 나선형 비틀기와 같은 다중 모드 동작을 수행하여 미지의 환경을 탐색하여 적합한 지지대를 찾습니다1. 파리지옥풀(Dionaea muscipula)은 잎에 민감한 털을 갖고 있어 방아쇠를 당기면 먹이를 잡기 위해 찰칵 닫힙니다. 생물학적 구조를 모방하는 2차원(2D) 표면에서 3차원(3D) 형상으로의 형태 변형 또는 형태 변화 몸체는 최근 몇 년간 흥미로운 연구 주제가 되었습니다3,4. 이러한 소프트 로봇 구성은 모양을 변경하여 다양한 환경에 적응하고, 다중 모드 동작을 제공하며, 힘을 발휘하여 기계적 작업을 생성합니다. 그 범위는 배치 가능한 구조5, 재구성 가능한 자체 접이식 로봇6,7, 생체 의학 장치8, 운동9,10 및 신축성 전자 장치11를 포함하여 광범위한 로봇 애플리케이션으로 확장되었습니다.

활성화 시 복잡한 3D 구조로 변환되는 프로그래밍 가능한 평면 시트를 개발하기 위한 많은 연구가 수행되었습니다3. 형태 변화 구조를 생성하는 간단한 아이디어는 자극에 의해 촉발될 때 굽힘 및 주름 동작을 생성하는 다양한 재료의 레이어를 결합하는 것입니다. 이 개념은 Janbaz et al.14 및 Lee et al.15에 의해 열적으로 반응하는 다중 모드 형태 이동 로봇을 생산하기 위해 구현되었습니다. 자극 반응 요소와 통합된 종이접기 기반 구조는 복잡한 3D 구조를 만드는 데 활용되었습니다. 생물학적 구조의 형태형성에서 영감을 얻은 Emmanuel et al. 고무 표면 내부에 기도를 배열하여 모양 변형 엘라스토머를 만들었으며, 이는 가압 시 복잡한 임의의 3D 모양으로 변환됩니다.

형태를 변형하는 소프트 로봇에 직물이나 직물을 통합하는 것은 집중적인 관심을 끄는 또 다른 새로운 개념적 디자인입니다. 직물은 편직, 직조, 편조 또는 매듭과 같은 인터레이스 기술을 통해 실로 만든 부드럽고 유연한 소재입니다. 직물은 유연성, 순응성, 신축성 및 통기성을 포함한 놀라운 특성을 가지고 있어 의류에서 의료 응용에 이르기까지 생활의 모든 측면에서 매우 인기가 높습니다20. 섬유를 로봇 공학에 통합하는 데는 세 가지 광범위한 접근 방식이 있습니다21. 첫 번째 접근 방식은 직물을 수동 기판으로 사용하거나 다른 구성 요소를 수용하는 베이스로 사용하는 것입니다. 이러한 상황에서 패시브 직물은 견고한 구성 요소(모터, 센서, 전원 공급 장치)를 운반하면서 사용자에게 편안한 착용감을 제공합니다. 대부분의 소프트 웨어러블 로봇이나 소프트 외골격이 이 접근 방식에 속합니다. 예를 들어 보행 보조22 및 팔꿈치 관절 보조23,24,25를 위한 소프트 웨어러블 외골격, 손 및 손가락 보조26용 소프트 웨어러블 장갑 및 생체 영감 소프트 로봇27이 있습니다.