流体駆動型人工筋肉繊維を使用したスマートテキスタイル

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テキスタイルと人工筋肉を組み合わせてスマートテキスタイルを作成することは、科学界と産業界の両方から大きな注目を集めています。スマートテキスタイルは、適応性のある快適性や物体への高度な適合性など、多くの利点をもたらし、同時に望ましい動きや強さを実現するためのアクティブな作動を提供します。この記事では、流体駆動の人工筋肉繊維を織り、製織し、接着するさまざまな方法を使用して作られた新しいクラスのプログラム可能なスマートファブリックを紹介します。編物および織物シートの伸び力の比を記述する数学的モデルを開発し、その妥当性を実験的にテストした。新しい「スマート」テキスタイルは、高い柔軟性、適合性、機械的プログラミングを特徴としており、幅広い用途でマルチモーダルな動きと変形機能を可能にします。伸長（最大65％）、面積拡張（108％）、径方向拡張（25％）、曲げ動作など、さまざまな形状変化ケースを含む実験検証を経て、さまざまなスマートテキスタイルのプロトタイプが作成されています。生体模倣構造を形成するために、受動的な従来の組織を能動的な構造に再構成するという概念も研究されています。提案されたスマート テキスタイルは、スマート ウェアラブル、触覚システム、生体模倣ソフト ロボット、ウェアラブル エレクトロニクスの開発を促進すると期待されています。
剛体ロボットは、構造化された環境で作業する場合には効果的ですが、変化する環境の未知のコンテキストには問題があり、探索や探索での使用が制限されます。自然は、外部要因や多様性に対処するための多くの独創的な戦略で私たちを驚かせ続けています。たとえば、つる性の植物の蔓は、曲がったり螺旋を描いたりするなど、多様な動きをして、適切な支持体を求めて未知の環境を探索します1。ハエトリソウ (Dionaea muscipula) の葉には敏感な毛があり、トリガーされると、所定の位置にカチッとはまり、獲物を捕まえます2。近年、物体の二次元（2D）表面から生物学的構造を模倣した三次元（3D）形状への変形または変形が興味深い研究テーマとなっています3,4。これらのソフトロボット構成は、変化する環境に適応するために形状を変化させ、マルチモーダルな移動を可能にし、力を加えて機械的作業を実行します。その範囲は、展開可能ロボット 5、再構成可能および自己折りたたみロボット 6、7、生物医学機器 8、車両 9、10、拡張可能なエレクトロニクス 11 など、幅広いロボット工学アプリケーションに広がっています。
起動すると複雑な三次元構造に変形するプログラム可能な平板を開発するために多くの研究が行われてきました3。変形可能な構造を作成するための簡単なアイデアは、刺激にさらされると曲がり、しわが寄る異なる材料の層を組み合わせるというものです 12,13。ジャンバズら。14およびLiら。15 社がこのコンセプトを実装して、熱に敏感なマルチモーダル変形ロボットを作成しました。刺激応答要素を組み込んだ折り紙ベースの構造は、複雑な三次元構造を作成するために使用されてきました 16、17、18。Emmanuel らは、生物学的構造の形態形成に触発されて、形状変形可能なエラストマーは、ゴム表面内に空気チャネルを組織することによって作成され、圧力がかかると複雑な任意の三次元形状に変形します。
テキスタイルやファブリックを変形可能なソフト ロボットに統合することも、幅広い関心を集めている新しいコンセプト プロジェクトです。織物は、編み、織り、組紐、結び目織りなどの製織技術によって糸から作られた、柔らかく伸縮性のある素材です。柔軟性、フィット感、弾力性、通気性などの生地の驚くべき特性により、衣料品から医療用途に至るまであらゆる分野で非常に人気があります20。テキスタイルをロボット工学に組み込むには、大きく 3 つのアプローチがあります21。最初のアプローチは、テキスタイルを他のコンポーネントの受動的な裏地またはベースとして使用することです。この場合、パッシブテキスタイルは、硬いコンポーネント（モーター、センサー、電源）を持ち運ぶときにユーザーに快適なフィット感を提供します。ほとんどのソフトウェアラブルロボットまたはソフト外骨格は、このアプローチに当てはまります。例えば、歩行補助具２２および肘補助具２３、２４、２５用のソフトウェアラブル外骨格、手および指補助具用のソフトウェアラブル手袋２６、およびバイオニックソフトロボット２７などである。
2 番目のアプローチは、ソフト ロボット デバイスの受動的かつ限定的なコンポーネントとしてテキスタイルを使用することです。繊維ベースのアクチュエータはこのカテゴリに分類され、通常、繊維は内側のホースまたはチャンバーを収容する外側の容器として構築され、柔らかい繊維で強化されたアクチュエータを形成します。これらのソフト アクチュエータは、外部の空気圧または油圧源を受けると、元の構成や構成に応じて、伸び、曲げ、ねじれなどの形状変化を起こします。例えば、タルマンら。一連の布地ポケットからなる整形外科用足首服は、歩行を回復するための底屈を容易にするために導入されました28。異なる伸長性を有するテキスタイル層を組み合わせて、異方性の動きを作り出すことができる２９。OmniSkins – さまざまなソフト アクチュエータと基板材料で作られたソフト ロボット スキンは、パッシブ オブジェクトを、さまざまな用途に合わせてマルチモーダルな動きや変形を実行できる多機能アクティブ ロボットに変換できます。朱ら。らは、伸長、屈曲、およびさまざまな変形動作を生成できる液体組織筋肉シート 31 を開発しました。バックナーら。機能性繊維を従来の組織に統合して、作動、感知、可変剛性などの複数の機能を備えたロボット組織を作成します32。このカテゴリの他の方法は、論文 21、33、34、35 に記載されています。
ソフトロボット工学の分野でテキスタイルの優れた特性を活用するための最近のアプローチは、反応性または刺激応答性フィラメントを使用して、織る、編む、織る方法などの伝統的なテキスタイル製造方法を使用してスマートテキスタイルを作成することです21、36、37。材料の組成に応じて、反応性糸は電気、熱、圧力の作用を受けると形状変化を引き起こし、生地の変形につながります。このアプローチでは、従来のテキスタイルがソフト ロボット システムに統合されており、テキスタイルの再形成は外層ではなく内層 (糸) で行われます。そのため、スマート テキスタイルは、マルチモーダルな動き、プログラム可能な変形、伸縮性、および硬さを調整する機能の点で優れた取り扱いを提供します。たとえば、形状記憶合金 (SMA) や形状記憶ポリマー (SMP) を生地に組み込むことで、ヘミング 38、しわ取り 36,39、触覚および触覚フィードバック 40,41、適応機能などの熱刺激を通じて形状を能動的に制御することができます。着られる服。デバイス４２．しかし、加熱と冷却に熱エネルギーを使用すると、応答が遅くなり、冷却と制御が困難になります。より最近では、平光ら。McKibben の微細な筋肉 43,44 である空気圧人工筋肉は、織り構造を変えることによってさまざまな形のアクティブなテキスタイルを作成するための縦糸として使用されます 45。このアプローチは高い力を提供しますが、マッキベン筋の性質により、その拡張率は制限され (< 50%)、小さいサイズは実現できません (直径 < 0.9 mm)。また、鋭角な角を必要とする織り方では、スマートなテキスタイルパターンを形成することが困難でした。より広範囲のスマートテキスタイルを形成するために、Maziz らは、電気活性ウェアラブル織物は、電気感応性ポリマー糸を編んだり織ったりすることによって開発されてきた46。
近年、高度に撚られた安価なポリマー繊維から作られた、新しいタイプの温度感受性人工筋肉が登場しました47,48。これらの繊維は市販されており、織りや織物に簡単に組み込んで、手頃な価格のスマートな衣類を製造できます。進歩にもかかわらず、これらの新しい熱に弱い繊維は、加熱と冷却の必要性（温度制御された繊維など）や、望ましい変形や動きを生成するようにプログラムできる複雑な編み物や織り物のパターンを作成することが難しいため、応答時間が限られています。 。例としては、ここで提供する放射状拡張、2D から 3D 形状への変換、または双方向拡張などが挙げられます。
これらの前述の問題を克服するために、この記事では、最近導入された軟質人工筋肉繊維 (AMF) から作られた新しい流体駆動のスマート テキスタイルを紹介します 49,50,51。AMF は柔軟性と拡張性が高く、直径 0.8 mm や長い長さ (少なくとも 5000 mm) まで縮小でき、高いアスペクト比 (直径に対する長さ) と高い伸び (少なくとも 245%)、高エネルギーを実現します。効率、20Hz 未満の高速応答)。スマートなテキスタイルを作成するために、AMF を活性糸として使用し、編みと織りの技術を通じて 2D の活性な筋肉層を形成します。私たちは、これらの「スマート」組織の膨張率と収縮力を、流体の体積と供給される圧力の観点から定量的に研究しました。編物および織物シートの伸び力の関係を確立するために、解析モデルが開発されています。また、双方向の伸長、曲げ、半径方向の拡張、2D から 3D への移行機能など、マルチモーダルな動きを実現するスマート テキスタイルのいくつかの機械的プログラミング手法についても説明します。私たちのアプローチの強みを実証するために、市販の生地やテキスタイルにAMFを組み込んで、その構成を受動的な構造からさまざまな変形を引き起こす能動的な構造に変更する予定です。また、この概念をいくつかの実験テストベンチで実証しました。これには、プログラム可能な糸の曲げによって目的の文字を生成したり、生物学的構造を蝶、四足構造、花などの物体の形に形状変更したりすることが含まれます。
テキスタイルは、糸、糸、繊維などの 1 次元の糸を織り交ぜて形成された柔軟な 2 次元構造です。繊維は人類最古のテクノロジーの 1 つであり、その快適さ、適応性、通気性、美しさ、保護性により、生活のあらゆる側面で広く使用されています。スマート テキスタイル (スマート クロージングまたはロボット ファブリックとも呼ばれる) は、ロボット応用における大きな可能性があるため、研究で使用されることが増えています 20,52。スマート テキスタイルは、柔らかい物体と対話する人間のエクスペリエンスを向上させることを約束し、薄くて柔軟な生地の動きと力を制御して特定のタスクを実行できる分野にパラダイム シフトをもたらします。この論文では、最新の AMF49 に基づいてスマート テキスタイルを製造するための 2 つのアプローチを検討します。(1) AMF を活性糸として使用し、伝統的なテキスタイル製造技術を使用してスマート テキスタイルを作成します。(2) AMF を従来の生地に直接挿入し、目的の動きと変形を刺激します。
AMF は、油圧力を供給する内部のシリコン チューブと、半径方向の膨張を制限する外部の螺旋コイルで構成されています。したがって、AMFは、圧力が加えられると長手方向に伸び、その後、圧力が解放されると元の長さに戻ろうとする収縮力を示します。これらは、柔軟性、細径、長さなど、従来の繊維と同様の特性を備えています。ただし、AMF は従来の AMF よりも動きと強度の点でよりアクティブで制御されています。ここでは、スマート テキスタイルの最近の急速な進歩に触発され、長年確立されている生地製造技術に AMF を適用してスマート テキスタイルを製造するための 4 つの主要なアプローチを紹介します (図 1)。
一つ目の方法は織り方です。当社は横編み技術を使用して、油圧作動時に一方向に展開する反応性ニット生地を製造しています。ニットシーツは伸縮性に優れていますが、織物シーツに比べてほつれやすい傾向があります。制御方法に応じて、AMF は個別の列を形成することも、完全な製品を形成することもできます。平らなシートに加えて、管状の編みパターンも AMF 中空構造の製造に適しています。2番目の方法は製織です。2つのAMFを縦糸と横糸として使用して、2方向に独立して拡張できる長方形の織物シートを形成します。織物シートは、編物シートよりも（両方向に）より制御しやすくなります。また、従来の糸から AMF を織り、一方向にのみ解くことができるよりシンプルな織りシートを作成しました。3 番目の方法 – 放射状拡張 – は製織技術の変形であり、AMP が長方形ではなく螺旋状に配置され、糸が放射状の拘束を提供します。この場合、編組は入口圧力によって半径方向に膨張します。4 番目のアプローチは、AMF をパッシブファブリックのシートに貼り付けて、目的の方向に曲げ動作を作成することです。AMF をそのエッジに配置することで、パッシブ ブレークアウト ボードをアクティブ ブレークアウト ボードに再構成しました。AMF のこのプログラム可能な性質は、受動的な物体を能動的な物体に変えることができる、生体にインスピレーションを得た形状変換ソフト構造の無数の可能性を開きます。この方法はシンプル、簡単、高速ですが、プロトタイプの寿命を損なう可能性があります。読者は、各組織特性の長所と短所を詳述する文献内の他のアプローチを参照してください 21、33、34、35。
従来の生地の製造に使用されるほとんどの糸には、受動的構造が含まれています。この研究では、メートル長からサブミリメートルの直径に達することができる以前に開発した AMF を使用して、従来のパッシブな繊維糸を AFM に置き換えて、より幅広い用途向けのインテリジェントでアクティブなファブリックを作成します。次のセクションでは、スマート テキスタイル プロトタイプを作成する詳細な方法を説明し、その主な機能と動作を示します。
横編み技術を使用して 3 つの AMF ジャージを手作りしました (図 2A)。AMF およびプロトタイプの材料の選択と詳細な仕様については、「方法」セクションを参照してください。各 AMF は、対称ループを形成する曲がりくねったパス (ルートとも呼ばれます) に従います。各列のループは、その上下の列のループで固定されます。コースに垂直な1本のリングを組み合わせてシャフトを形成します。私たちのニットのプロトタイプは、各列が 7 つの編み目 (または 7 つの編み目) からなる 3 つの列で構成されています。上下のリングは固定されていないので、対応する金属棒に取り付けることができます。従来の糸と比較して AMF の剛性が高いため、ニットのプロトタイプは従来のニット生地よりもほつれやすくなりました。そこで、隣り合う列の輪を細いゴム紐で結びました。
さまざまなスマート テキスタイル プロトタイプが、さまざまな AMF 構成で実装されています。(A) 3 つの AMF から作られたニット シート。(B) 2 つの AMF の双方向織物シート。(C) AMFとアクリル糸で作られた一方向織物シートは、自重(2.6g)の192倍である500gの荷重に耐えることができます。(D) 1 本の AMF と綿糸を放射状拘束として使用した放射状に拡張する構造。詳細な仕様は「メソッド」セクションに記載されています。
ニットのジグザグループはさまざまな方向に伸びることができますが、プロトタイプのニットは進行方向に制限があるため、圧力がかかると主にループの方向に伸びます。各AMFの長さが長くなることにより、ニットシートの総面積の拡大に貢献します。特定の要件に応じて、3 つの AMF を 3 つの異なる流体源から独立して制御することも (図 2A)、1 対 3 の流体分配器を介して 1 つの流体源から同時に制御することもできます。図上。図２Ａは、３つのＡＭＰ（１．２ＭＰａ）に圧力を加えている間に初期面積が３５％増加したニットプロトタイプの例を示す。特に、AMF は元の長さの少なくとも 250% という高い伸びを達成しているため 49、ニットシートは現在のバージョンよりもさらに伸びることができます。
また、平織り技術を使用して 2 つの AMF から形成された双方向織りシートも作成しました (図 2B)。AMFの縦糸と横糸が直角に絡み合い、シンプルな十字模様を形成しています。私たちのプロトタイプの織りは、縦糸と横糸の両方が同じサイズの糸から作られていたため、バランスの取れた平織りとして分類されました（詳細については「方法」セクションを参照）。鋭い折り目を形成できる通常の糸とは異なり、適用された AMF は織りパターンの別の糸に戻るときに一定の曲げ半径を必要とします。したがって、AMP で作られた織物シートは、従来の織物と比較して密度が低くなります。AMFタイプS（外径1.49mm）の最小曲げ半径は1.5mmです。たとえば、この記事で紹介するプロトタイプの織り方は 7×7 の糸パターンを持ち、各交差部が細いゴム紐の結び目で安定化されています。同じ織り技術を使用すると、より多くのストランドを得ることができます。
対応する AMF が流体圧力を受けると、織られたシートが縦糸または横糸方向に面積を拡大します。そこで、2 つの AMP に加える入口圧力の量を独立して変更することで、編組シートの寸法 (長さと幅) を制御しました。図上。図２Ｂは、１ＡＭＰ（１．３ＭＰａ）の圧力を加えながら元の面積の４４％に膨張した織物のプロトタイプを示す。2 つの AMF に同時に圧力を加えると、面積は 108% 増加しました。
また、縦糸とアクリル糸を横糸として使用した単一の AMF から一方向織シートを作成しました (図 2C)。AMF は 7 つのジグザグ列に配置され、糸がこれらの AMF の列を織り合わせて長方形の布地を形成します。この織られたプロトタイプは、シート全体を容易に満たす柔らかいアクリル糸のおかげで、図 2B よりも密度が高くなりました。たて糸として AMF を 1 つだけ使用するため、織られたシートは圧力がかかるとたて糸に向かってのみ拡張できます。図 2C は、圧力の増加 (1.3 MPa) に応じて初期面積が 65% 増加する織られたプロトタイプの例を示しています。さらに、この編組部品（重さ 2.6 グラム）は、その質量の 192 倍である 500 グラムの荷重を持ち上げることができます。
AMF をジグザグに配置して長方形の織物シートを作成する代わりに、AMF の平らな螺旋形状を作製し、綿糸で放射状に拘束して円形の織物シートを作成しました (図 2D)。AMF は剛性が高いため、プレートの中央領域への充填が制限されます。ただし、この詰め物は弾性糸または弾性生地で作ることができます。AMP は油圧を受けると、その長手方向の伸びをシートの半径方向の膨張に変換します。フィラメントの半径方向の制限により、スパイラル形状の外径と内径の両方が増加することにも注目してください。図 2D は、1 MPa の油圧を加えた場合、円形シートの形状が元の面積の 25% まで膨張することを示しています。
ここでは、スマート テキスタイルを作成するための 2 番目のアプローチを紹介します。このアプローチでは、AMF を平らな布地に接着し、パッシブな構造からアクティブに制御される構造に再構成します。曲げ駆動装置の設計図を図に示します。図３Ａでは、ＡＭＰが中央で折り畳まれ、接着剤として両面テープを使用して非伸張性布地（綿モスリン布地）のストリップに接着される。シールされると、AMF の上部は自由に伸びますが、下部はテープと生地によって制限され、ストリップが生地に向かって曲がります。テープを貼り付けるだけで、曲げアクチュエータのどの部分でもどこでも非アクティブ化できます。非アクティブ化されたセグメントは移動できず、パッシブ セグメントになります。
従来の生地にAMFを貼り付けることで生地を再構成。(A) 折り畳まれた AMF を非伸縮性の布地に接着することによって作られた曲げドライブの設計コンセプト。(B) アクチュエータ試作品の曲げ。(C) 長方形の布をアクティブな 4 脚ロボットに再構成します。伸縮性のない生地：コットンジャージ。ストレッチ素材：ポリエステル。詳細な仕様は「メソッド」セクションに記載されています。
私たちは、異なる長さの曲げアクチュエータをいくつか試作し、油圧で加圧して曲げ動作を生み出しました (図 3B)。重要なのは、AMF を直線に配置したり、折りたたんで複数の糸を形成したり、布地に接着して適切な数の糸を備えた曲げドライブを作成したりできることです。また、パッシブ ティッシュ シートをアクティブ テトラポッド構造 (図 3C) に変換し、AMF を使用して長方形の非伸張性ティッシュ (綿モスリン生地) の境界線を配線しました。AMPは両面テープで生地に貼り付けられています。各エッジの中央はテープでテープで固定され、パッシブになりますが、四隅はアクティブのままです。ストレッチ素材のトップカバー（ポリエステル）はオプションです。生地の四隅は押すと曲がります（足のように見えます）。
開発されたスマートテキスタイルの特性を定量的に研究するためにテストベンチを構築しました（「方法」セクションと補足図S1を参照）。すべてのサンプルはAMFで作られているため、実験結果の一般的な傾向（図4）はAMFの主な特性と一致しています。つまり、入口圧力は出口の伸びに正比例し、圧縮力に反比例します。ただし、これらのスマート ファブリックには、その特定の構成を反映する独自の特性があります。
スマートなテキスタイル構成が特徴です。(A、B) 織物シートの入口圧力、出口伸び、および力のヒステリシス曲線。(C) 織物シートの面積の拡大。(D,E) ニットウェアの入力圧力と出力伸びおよび力との関係。(F) 放射状に拡張する構造の領域拡張。(G) 3 つの異なる長さの曲げドライブの曲げ角度。
織布シートの各 AMF に 1 MPa の入口圧力を加えて、約 30% の伸びを生じさせました (図 4A)。実験全体に対してこのしきい値を選択した理由はいくつかあります。(1) ヒステリシス曲線を強調するために大幅な伸び (約 30%) を作成するため、(2) 異なる実験によるサイクルや再利用可能なプロトタイプの偶発的な損傷や故障を防ぐため。。高い流体圧力下で。デッドゾーンははっきりと見え、入口圧力が 0.3 MPa に達するまで編組は動かないままです。圧力伸びヒステリシス プロットは、ポンピング段階と解放段階の間に大きなギャップを示しており、織布シートの動きが膨張から収縮に変化するときに大幅なエネルギー損失があることを示しています。(図4A)。1 MPa の入口圧力を得た後、織られたシートは 5.6 N の収縮力を及ぼすことができました (図 4B)。圧力と力のヒステリシス プロットは、リセット曲線が圧力上昇曲線とほぼ重なっていることも示しています。3D 表面プロット (図 4C) に示すように、織物シートの面積の拡大は、2 つの AMF のそれぞれに加えられる圧力の量に依存しました。実験では、織布シートの縦糸と横糸の AMF に 1 MPa の水圧が同時にかかると、面積が 66% 拡大する可能性があることも示されています。
ニットシートの実験結果は、張力-圧力図における広いヒステリシスギャップや重なり合う圧力-力曲線など、織物シートと同様のパターンを示しています。編まれたシートは３０％の伸びを示し、その後圧縮力は１ＭＰａの入口圧力で９Ｎであった（図４Ｄ、Ｅ）。
円形の織物シートの場合、その初期面積は、1 MPa の液体圧力にさらした後の初期面積と比較して 25% 増加しました (図 4F)。サンプルが膨張し始める前には、最大 0.7 MPa の大きな入口圧力不感帯が存在します。サンプルは初期応力を克服するためにより高い圧力を必要とするより大きな AMF から作られていたため、この大きなデッドゾーンは予想されていました。図上。また、図４Ｆは、解放曲線が圧力増加曲線とほぼ一致していることを示しており、ディスクの動きが切り替わったときのエネルギー損失がほとんどないことを示している。
3 つの曲げアクチュエータ (組織の再構成) の実験結果は、それらのヒステリシス曲線が同様の​​パターン (図 4G) を持ち、上昇する前に最大 0.2 MPa の入口圧力不感帯を経験することを示しています。同量の液体 (0.035 ml) を 3 つの曲げドライブ (L20、L30、および L50 mm) に適用しました。ただし、各アクチュエータでは異なる圧力ピークが発生し、異なる曲げ角度が発生しました。L20 および L30 mm アクチュエータは、0.72 MPa および 0.67 MPa の入口圧力を受け、それぞれ 167° および 194° の曲げ角度に達しました。最長の曲げドライブ (長さ 50 mm) は 0.61 MPa の圧力に耐え、最大曲げ角度 236° に達しました。圧力角ヒステリシス プロットでは、3 つの曲げドライブすべてについて、加圧曲線と解放曲線の間に比較的大きなギャップがあることも明らかになりました。
上記のスマートテキスタイル構成の入力体積と出力特性（伸び、力、面積拡張、曲げ角度）の関係は、補足図S2で見つけることができます。
前のセクションの実験結果は、AMF サンプルの適用入口圧力と出口伸びの間に比例関係があることを明確に示しています。AMB の緊張が強いほど、AMB の伸びは大きくなり、より多くの弾性エネルギーが蓄積されます。したがって、発生する圧縮力も大きくなります。結果は、入口圧力が完全に除去されたときに試験片が最大圧縮力に達することも示しました。このセクションは、解析モデリングと実験的検証を通じて、編物および織物シートの伸びと最大収縮力の間の直接的な関係を確立することを目的としています。
単一 AMF の最大収縮力 Fout (入口圧力 P = 0 における) は参考文献 49 に示されており、次のように再導入されます。
このうち、α、E、A0はそれぞれシリコーンチューブの伸縮率、ヤング率、断面積です。k はスパイラル コイルの剛性係数です。x と li はオフセットおよび初期長です。それぞれAMP。
正しい方程式。(1) 編んだシートや織ったシートを例に挙げます (図 5A、B)。編物Ｆｋｖ、織物Ｆｗｈの収縮力は、それぞれ式（２）、式（３）で表される。
ここで、mk はループ数、φp は射出時の編地のループ角度（図 5A）、mh は糸の本数、θhp は射出時の編地の噛み合い角度（図 5B）、εkv εwh は編まれたシートと織られたシートの変形、F0 はスパイラルコイルの初張力です。方程式の詳細な導出。(2) と (3) はサポート情報に記載されています。
伸びと力の関係の解析モデルを作成します。(A、B) それぞれニットシートと織物シートの解析モデルの図。(C,D) 編物シートと織物シートの解析モデルと実験データの比較。RMSE 二乗平均平方根誤差。
開発したモデルをテストするために、図 2A の編みパターンと図 2B の編組サンプルを使用して伸び実験を実行しました。収縮力は、ロックされた伸長ごとに 0% から 50% まで 5% ずつ測定されました。5 回の試行の平均と標準偏差を図 5C (ニット) と図 5D (ニット) に示します。解析モデルの曲線は方程式で記述されます。パラメータ (2) および (3) を表に示します。1. 結果は、解析モデルが伸び範囲全体にわたって実験データとよく一致しており、二乗平均二乗誤差 (RMSE) はニットウェアの場合は 0.34 N、織物 AMF H (水平方向) は 0.21 N、および 0.17 N でした。織物AMF用。V（垂直方向）。
基本的な動きに加えて、提案されたスマート テキスタイルは、S 字曲げ、放射状の収縮、2D から 3D への変形などのより複雑な動きを提供するように機械的にプログラムすることができます。ここでは、フラットスマートテキスタイルを目的の構造にプログラムするためのいくつかの方法を紹介します。
直線方向の領域の拡大に加えて、一方向の織物シートを機械的にプログラムして多峰性の動きを作り出すことができます (図 6A)。編組シートの延長部分を曲げ動作として再構成し、その一方の面 (上または下) をミシン糸で拘束します。シートは、圧力がかかると境界面に向かって曲がる傾向があります。図上。図６Ａは、半分が上側で締め付けられ、もう半分が下側で締め付けられたときにＳ字形になる織布パネルの２つの例を示す。あるいは、面全体のみが拘束される円形の曲げモーションを作成することもできます。一方向編組シートは、その両端を管状構造に接続することによって圧縮スリーブを作成することもできます (図 6B)。スリーブは人差し指に装着して圧迫を加え、痛みを和らげたり血行を改善したりするマッサージ療法の一種です。腕、腰、脚などの体の他の部分に合わせて拡大縮小できます。
シートを一方向に織る能力。(A) ミシン糸の形状のプログラム可能性による変形可能な構造の作成。(B) 指圧縮スリーブ。(C) 編組シートの別のバージョンと前腕圧縮スリーブとしてのその実装。(D) AMF タイプ M、アクリル糸、ベルクロストラップから作られた別の圧縮スリーブのプロトタイプ。詳細な仕様は「メソッド」セクションに記載されています。
図６Ｃは、単一のＡＭＦ糸と綿糸から作られた一方向織シートの別の例を示す。シートは、圧力下で面積が 45% 膨張するか (1.2 MPa で)、円運動を引き起こす可能性があります。また、シートの端にマグネットストラップを取り付けて前腕圧迫スリーブを作成するシートも組み込みました。別のプロトタイプの前腕圧縮スリーブを図 6D に示します。このスリーブでは、より強力な圧縮力を生成するために、タイプ M AMF (「方法」を参照) とアクリル糸から一方向編組シートが作られています。シートの端にはベルクロストラップが付いており、取り付けが簡単で、さまざまな手のサイズに対応できます。
直線の伸びを曲げ運動に変換する拘束技術は、二方向織シートにも適用できます。縦糸と横糸で織ったシートの片面に綿糸が伸びないように織り込みます（図7A）。このように、２つのＡＭＦが互いに独立して油圧を受けると、シートは双方向の屈曲運動を起こして任意の三次元構造を形成する。別のアプローチでは、非伸張性の糸を使用して、二方向織シートの一方向を制限します (図 7B)。したがって、対応する AMF に圧力がかかると、シートは独立して曲げたり伸ばしたりすることができます。図上。図７Ｂは、双方向編組シートを制御して、曲げ動作で人間の指の３分の２を包み込み、その後、伸ばす動作で長さを伸ばして残りを覆う例を示す。シートの双方向の動きは、ファッションデザインやスマートな衣類の開発に役立ちます。
双方向織物シート、編物シート、および放射状に拡張可能な設計機能。(A) 双方向に接着された双方向の籐パネルで、双方向の曲げを作成します。(B) 一方向に拘束された双方向の籐パネルが屈曲と伸びを生み出します。(C) 弾性の高いニットシート。さまざまな表面曲率に適合し、管状構造を形成することもできます。(D) 双曲線放物線形状を形成する放射状に広がる構造の中心線の境界設定 (ポテトチップス)。
編み部分の上下段の隣り合う2つのループをほつれないようにミシン糸で繋ぎました（図7C）。したがって、織られたシートは十分に柔軟であり、人間の手や腕の皮膚表面などのさまざまな表面曲線によく適合します。また、編み部分の進行方向の端を繋いで筒状の構造（スリーブ）を作りました。スリーブは人差し指にしっかりと巻きつきます (図 7C)。織物の曲がりにより、優れたフィット感と変形性が得られ、スマートウェア（手袋、コンプレッションスリーブ）に使いやすく、快適さ（フィット感による）と治療効果（コンプレッションによる）を提供します。
複数の方向への 2D 放射状の拡張に加えて、円形の織物シートをプログラムして 3D 構造を形成することもできます。丸編みの中心線をアクリル糸で制限し、均一な放射状の広がりを乱します。その結果、丸織シートの元の平らな形状は、加圧後に双曲線放物線形状（またはポテトチップス）に変形した（図７Ｄ）。この形状変化能力は、リフト機構、光学レンズ、モバイルロボットの脚として実装でき、あるいはファッションデザインやバイオニックロボットにも役立つ可能性があります。
私たちは、非伸縮性生地のストリップに AMF を接着することで、たわみドライブを作成する簡単な技術を開発しました (図 3)。私たちはこの概念を使用して、1 つの AMF 内に複数のアクティブおよびパッシブ セクションを戦略的に分散して目的の形状を作成できる、形状プログラム可能なスレッドを作成します。圧力が増加すると、直線から文字（UNSW）に形状を変化させることができる4つのアクティブフィラメントを製造してプログラムしました（補足図S4）。この単純な方法により、AMF の変形機能により 1D 線を 2D 形状、場合によっては 3D 構造に変換することができます。
同様のアプローチで、単一の AMF を使用して、受動的な正常組織の一部を能動的な四足動物に再構成しました (図 8A)。ルーティングとプログラミングの概念は、図 3C に示すものと似ています。しかし、長方形のシーツの代わりに、四足模様の生地（タートル、コットンモスリン）が使用され始めました。そのため脚が長くなり、構造を高く上げることができます。圧力により構造物の高さは徐々に増加し、最終的に脚が地面に対して垂直になります。入口圧力が上昇し続けると、脚が内側に垂れ下がり、構造の高さが低くなります。テトラポッドは、脚に一方向パターンが装備されている場合、または動作操作戦略を備えた複数の AMF を使用している場合に移動を実行できます。ソフト移動ロボットは、山火事、倒壊した建物や危険な環境からの救助、医療用医薬品配送ロボットなど、さまざまな作業に必要です。
生地を再構成して、形状が変化する構造を作成します。(A) AMF をパッシブ ファブリック シートの境界に接着し、操縦可能な 4 脚構造にします。(BD) 受動的な蝶や花を能動的な蝶や花に変える組織再構成の他の 2 つの例。非伸縮性生地: プレーンコットンモスリン。
我々はまた、再形成のための 2 つの追加の生体影響を受けた構造を導入することにより、この組織再構成技術の単純さと多用途性を利用します (図 8B ～ D)。ルーティング可能な AMF を使用すると、これらの形状変形可能な構造は、受動的な組織のシートから能動的な操縦可能な構造に再構成されます。オオカバマダラからインスピレーションを得て、蝶の形をした布地 (コットン モスリン) と、翼の下に貼り付けられた長い AMF を使用して、変形する蝶の構造を作成しました。AMFに圧力がかかると翼が折りたたまれます。オオカバマダラと同様に、バタフライ ロボットの左右の翼は両方とも AMF によって制御されているため、同じように羽ばたきます。バタフライフラップは展示のみを目的としています。Smart Bird (Festo Corp., USA) のように飛行することはできません。また、それぞれ 5 枚の花びらの 2 層からなる布製の花 (図 8D) も作成しました。花びらの外縁の後の各レイヤーの下に AMF を配置しました。最初は、花はすべての花びらを完全に開いた満開です。圧力がかかると、AMF は花びらを曲げる動きを引き起こし、花びらを閉じます。2 つの AMF は 2 つのレイヤーの動きを独立して制御し、同時に 1 つのレイヤーの 5 つの花びらを曲げます。