受自然界中生物的啟發(fā),能夠?qū)χ車h(huán)境(如濕度、熱量、光照、電、磁等)做出響應(yīng),產(chǎn)生變形行為(如收縮、膨脹、彎曲、旋轉(zhuǎn)等)的材料,稱為刺激響應(yīng)型材料。刺激響應(yīng)纖維是紡織材料的基本單元,具有從一維(1D)到三維(3D)的多種可編織性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性,能夠在刺激下表現(xiàn)出從纖維到織物的變形多樣性。因此,刺激響應(yīng)纖維/織物材料可以在驅(qū)動(dòng)、傳感和智能服裝方面發(fā)揮重要作用,并有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、健康監(jiān)測(cè)等重要功能。
近年來(lái),具有自適應(yīng)、可重構(gòu)和多功能特性的仿生軟執(zhí)行器在智能軟體機(jī)器人應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。在可穿戴電子產(chǎn)品的推動(dòng)下,纖維/織物致動(dòng)器因其獨(dú)特的機(jī)械柔韌性/拉伸性、高自由度變形、與人體兼容的形狀因子、以及成熟的工業(yè)化制備等特性,受到特別的關(guān)注。
鑒于此,東華大學(xué)覃小紅教授、王黎明研究員/中科院上海硅酸鹽研究所程蔭副研究員在《Nano Energy》期刊上發(fā)表題為“Stimuli-Responsive Fiber/Fabric Actuators for Intelligent Soft Robots: from Current Progress to Future Opportunities”的綜述文章。文章總結(jié)和討論了纖維/織物制動(dòng)器的制備方法、結(jié)構(gòu)類型、響應(yīng)機(jī)理和相關(guān)應(yīng)用的最新研究發(fā)展,并從制造方法可擴(kuò)展性、多功能提高自適應(yīng)性、可回收設(shè)計(jì)的自修復(fù)/降解性等方面討論了下一代基于纖維/織物的執(zhí)行器/機(jī)器人所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

圖1 纖維/織物制動(dòng)器刺激響應(yīng)機(jī)理、制備方法、結(jié)構(gòu)類型、刺激類型以及應(yīng)用的概述
纖維/織物致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)在一定程度上受到制備方法的影響,同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)制動(dòng)器的性能也至關(guān)重要。這意味著具有不同層次結(jié)構(gòu)的纖維/織物致動(dòng)器在外部刺激下表現(xiàn)出不同的變形行為。如在外部刺激下具有收縮能力的紗線在加工成織物時(shí)可以實(shí)現(xiàn)彎曲變形。目前,纖維/織物制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)類型主要有螺旋結(jié)構(gòu)、并列結(jié)構(gòu)、同軸結(jié)構(gòu)、機(jī)織、針織、編織和非織造結(jié)構(gòu)等。

圖2 纖維制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

圖3 織物制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略-機(jī)織,針織和編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 織物制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略-非織造及其雙層/多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于纖維/織物的致動(dòng)器具有更高的自由度、更小的尺寸和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)更好的適應(yīng)性的固有優(yōu)勢(shì),有望徹底改變我們未來(lái)生活的方方面面,如服裝、人機(jī)交互和醫(yī)療保健。盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種有前途的纖維/織物致動(dòng)器結(jié)構(gòu)和制造技術(shù),但基于纖維/織物的致動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域還有很長(zhǎng)的路要走。如能量存儲(chǔ)和收集、傳感等功能的實(shí)現(xiàn)仍然需要執(zhí)行器和其他設(shè)備的組合,很少有基于纖維/織物的制動(dòng)器能夠?qū)⒍喾N功能集成在一個(gè)材料中。適應(yīng)性也是基于纖維/織物的致動(dòng)器的一個(gè)關(guān)鍵屬性,其受生物系統(tǒng)的啟發(fā),需要被動(dòng)或主動(dòng)適應(yīng)各種任務(wù)和環(huán)境的能力。另外,基于纖維/織物的致動(dòng)器的致動(dòng)性能(如致動(dòng)應(yīng)力、致動(dòng)應(yīng)變、響應(yīng)時(shí)間和能量轉(zhuǎn)換效率等)相對(duì)較弱,限制了其實(shí)際應(yīng)用,因此迫切需要改進(jìn)變形原理,優(yōu)化材料合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)高性能輸出;目前,關(guān)于纖維/織物基致動(dòng)器的大量工作仍然局限于基礎(chǔ)研究和理論設(shè)計(jì),無(wú)法應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的場(chǎng)景。因此,開(kāi)發(fā)穩(wěn)定可靠的制造工具和方法對(duì)于纖維/織物基致動(dòng)器的大規(guī)模生產(chǎn)具有重要意義;基于纖維/織物的致動(dòng)器具有更廣泛的應(yīng)用范圍,在使用過(guò)程中需要考慮其應(yīng)用成本和可持續(xù)設(shè)計(jì),擴(kuò)大其在苛刻環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)基于纖維/織物的制動(dòng)器損壞到一定程度或無(wú)法修復(fù)時(shí),應(yīng)考慮材料的回收利用。這些是推動(dòng)纖維/織物制動(dòng)器進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用需要克服的挑戰(zhàn)。
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近年來(lái),具有自適應(yīng)、可重構(gòu)和多功能特性的仿生軟執(zhí)行器在智能軟體機(jī)器人應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。在可穿戴電子產(chǎn)品的推動(dòng)下,纖維/織物致動(dòng)器因其獨(dú)特的機(jī)械柔韌性/拉伸性、高自由度變形、與人體兼容的形狀因子、以及成熟的工業(yè)化制備等特性,受到特別的關(guān)注。
鑒于此,東華大學(xué)覃小紅教授、王黎明研究員/中科院上海硅酸鹽研究所程蔭副研究員在《Nano Energy》期刊上發(fā)表題為“Stimuli-Responsive Fiber/Fabric Actuators for Intelligent Soft Robots: from Current Progress to Future Opportunities”的綜述文章。文章總結(jié)和討論了纖維/織物制動(dòng)器的制備方法、結(jié)構(gòu)類型、響應(yīng)機(jī)理和相關(guān)應(yīng)用的最新研究發(fā)展,并從制造方法可擴(kuò)展性、多功能提高自適應(yīng)性、可回收設(shè)計(jì)的自修復(fù)/降解性等方面討論了下一代基于纖維/織物的執(zhí)行器/機(jī)器人所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

圖1 纖維/織物制動(dòng)器刺激響應(yīng)機(jī)理、制備方法、結(jié)構(gòu)類型、刺激類型以及應(yīng)用的概述
纖維/織物致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)在一定程度上受到制備方法的影響,同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)制動(dòng)器的性能也至關(guān)重要。這意味著具有不同層次結(jié)構(gòu)的纖維/織物致動(dòng)器在外部刺激下表現(xiàn)出不同的變形行為。如在外部刺激下具有收縮能力的紗線在加工成織物時(shí)可以實(shí)現(xiàn)彎曲變形。目前,纖維/織物制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)類型主要有螺旋結(jié)構(gòu)、并列結(jié)構(gòu)、同軸結(jié)構(gòu)、機(jī)織、針織、編織和非織造結(jié)構(gòu)等。

圖2 纖維制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

圖3 織物制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略-機(jī)織,針織和編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 織物制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略-非織造及其雙層/多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于纖維/織物的致動(dòng)器具有更高的自由度、更小的尺寸和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)更好的適應(yīng)性的固有優(yōu)勢(shì),有望徹底改變我們未來(lái)生活的方方面面,如服裝、人機(jī)交互和醫(yī)療保健。盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種有前途的纖維/織物致動(dòng)器結(jié)構(gòu)和制造技術(shù),但基于纖維/織物的致動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域還有很長(zhǎng)的路要走。如能量存儲(chǔ)和收集、傳感等功能的實(shí)現(xiàn)仍然需要執(zhí)行器和其他設(shè)備的組合,很少有基于纖維/織物的制動(dòng)器能夠?qū)⒍喾N功能集成在一個(gè)材料中。適應(yīng)性也是基于纖維/織物的致動(dòng)器的一個(gè)關(guān)鍵屬性,其受生物系統(tǒng)的啟發(fā),需要被動(dòng)或主動(dòng)適應(yīng)各種任務(wù)和環(huán)境的能力。另外,基于纖維/織物的致動(dòng)器的致動(dòng)性能(如致動(dòng)應(yīng)力、致動(dòng)應(yīng)變、響應(yīng)時(shí)間和能量轉(zhuǎn)換效率等)相對(duì)較弱,限制了其實(shí)際應(yīng)用,因此迫切需要改進(jìn)變形原理,優(yōu)化材料合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)高性能輸出;目前,關(guān)于纖維/織物基致動(dòng)器的大量工作仍然局限于基礎(chǔ)研究和理論設(shè)計(jì),無(wú)法應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的場(chǎng)景。因此,開(kāi)發(fā)穩(wěn)定可靠的制造工具和方法對(duì)于纖維/織物基致動(dòng)器的大規(guī)模生產(chǎn)具有重要意義;基于纖維/織物的致動(dòng)器具有更廣泛的應(yīng)用范圍,在使用過(guò)程中需要考慮其應(yīng)用成本和可持續(xù)設(shè)計(jì),擴(kuò)大其在苛刻環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)基于纖維/織物的制動(dòng)器損壞到一定程度或無(wú)法修復(fù)時(shí),應(yīng)考慮材料的回收利用。這些是推動(dòng)纖維/織物制動(dòng)器進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用需要克服的挑戰(zhàn)。
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