Умный текстиль: многоустойчивые структуры из пряжи

Одним из самых древних изобретений человечества, которым мы до сих пор пользуемся, является одежда. Она защищает нас от воздействия различных факторов окружающей среды. С развитием нашего вида одежда начала приобретать эстетический, этический, классовый и даже религиозный подтекст, помимо практического. Развитие наук и технологий позволило нам создавать ткани из самых разных природных и синтетических материалов, функциональность которых варьируется от конечной области применения. Одним из самых недавних новшеств является носимая электроника, которая выражается не только в аксессуарах, но и во внедрении тех или иных устройств в одежду пользователя либо в саму ткань. Ученые из Гарвардского университета (Кембридж, Массачусетс, США) разработали платформу для производства «умной» ткани, обладающей удивительными свойствами. Как работает данная платформа, какими же свойствами обладает изготавливаемая ткань, и где она будет полезной? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Упругие оболочки, то есть тонкие изогнутые структуры, широко распространены как в природе, так и в технике: от клеток крови и яиц до резервуаров высокого давления и кровельных конструкций. На разных масштабах длины они характеризуются нелинейным механическим поведением, например потерей устойчивости, и подвержены механическим неустойчивостям. Хотя традиционно такие неустойчивости рассматривались как предвестники разрушения, их можно использовать для придания упругим оболочкам определенных функциональных свойств. Использование эффекта резкого переключения эластомерных оболочек позволило создать прыгающие устройства, плавающие устройства, программируемые жидкости и пассивные клапаны. Упругие оболочки с малым отношением толщины к радиусу также могут иметь две устойчивые конфигурации. Это свойство было использовано при создании переключаемых оптических линз, клапанов для автономного управления мягкими приводами и устройств для управления распространением переходных волн.

Для изготовления изогнутых оболочек используют различные подходы. Некоторые оболочки изначально формируют таким образом, чтобы их изогнутая форма была их ненапряженным состоянием. В других случаях кривизна возникает в первоначально плоских листах из-за остаточных напряжений, возникающих в результате роста, набухания или механического нагружения. Сложные формы, включая спирали и седловидные поверхности, получают, соединяя эластичные листы, предварительно растянутые в разных направлениях, а затем снимая с них нагрузку, в результате чего образуются многослойные структуры. Увеличение сложности таких форм потребовало бы соединения эластичных листов с более сложными полями деформаций, что, вероятно, сделало бы процесс ручным и требующим индивидуального изготовления.

Перспективный способ создавать сложные поверхности и заданные поля деформаций, сохраняя при этом автоматизированное и масштабируемое производство, заключается в использовании существующих технологий текстильного производства. Ученые стремятся расширить применение этих технологий, которые на протяжении тысячелетий использовались для изготовления одежды, чтобы с их помощью создавать также носимые устройства на основе многослойных изогнутых упругих оболочек. Недавние исследования позволили лучше понять происхождение кривизны в трикотажных полотнах, открыв возможности для создания текстильных материалов со сложной трехмерной формой. Кроме того, текстильные материалы гибкие, податливые и способны защищать от воздействия окружающей среды, что делает их естественным выбором для носимых устройств. Текстиль может служить основой, к которой крепятся приводы, датчики, источники питания и другие отдельные компоненты, однако развитие технологий создания текстильных структур, включая поперечное вязание, привело к появлению приводов и датчиков, непосредственно интегрированных в текстиль. Это стало возможным благодаря тому, что механические свойства трикотажных полотен, связанных поперечным вязанием, можно настраивать по всей их поверхности. Однако по-прежнему остается нерешенной задача формализации правил, которые позволили бы переводить требуемые функциональные характеристики в конструкцию на уровне отдельных петель.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые используют управляемые механические неустойчивости для придания текстильным материалам функциональных свойств и показывают, что поперечное вязание позволяет создавать многослойные текстильные структуры с несколькими устойчивыми состояниями. Сначала ученые вводят выраженную кривизну в трикотажные полотна за счет изменения рисунка вязания. Затем они исследуют взаимосвязь между геометрией, которую определяют различные периодические узоры вязания, и механическими свойствами полотен, проявляющимися в виде скачкообразных переходов между состояниями. Ученые показывают, что кривизна трикотажных материалов возникает из-за предварительных напряжений, формирующихся в процессе производства: конечно-элементное моделирование двухслойных структур с взаимно перпендикулярными внутренними напряжениями воспроизводит изогнутые формы, наблюдаемые в изготовленных трикотажных полотнах. Ученые также исследуют, как изменения геометрии, материала и параметров вязальной машины приводят к появлению нескольких устойчивых состояний. Наконец, они функционализируют такие многослойные структуры, встраивая токопроводящие элементы для создания мягких переключателей со встроенной тактильной обратной связью.

Результаты исследования

Трикотажные полотна с взаимно перпендикулярными напряжениями

Изображение №1

Подобно тому как 3D-принтер с послойным наплавлением превращает одномерную нить в трехмерную структуру, вязальная машина формирует из одномерной пряжи двумерное полотно (1A). Этот процесс происходит ряд за рядом за счет создания взаимосвязанных скользящих петель на одной из двух зеркально расположенных игольниц (1B). Все образцы были изготовлены на автоматизированной двухфонтурной машине для поперечного вязания (Kniterate) из эластомерной нейлон-спандексной пряжи с сердечником (Yeoman Yarns). Чтобы визуализировать сложные узоры вязания, ученые использовали четыре механически идентичные нити разных цветов (две синие и две оранжевые), благодаря чему лицевая сторона получаемого полотна имеет оранжевый цвет, а изнаночная — синий (1B). Все четыре нити проходят по одной и той же траектории, образуя петли, однако оранжевые нити смещены вперед, что достигается посредством процесса, называемого плакированием. В результате на каждой стороне полотна отображается свой цвет. Гладь является простейшим видом трикотажного переплетения: каждая петля гладкого полотна представляет собой одинаковую петлю, сформированную на одной игольнице вязальной машины.

Сначала ученые связали трикотажное полотно гладкого переплетения и вырезали образцы размером 5 × 20 см, ориентированные вдоль направлений основы и утка (1C). Все образцы, вырезанные из этого однородного полотна, загибались по всем четырем краям, приобретая седловидную форму. Образец, длинная сторона которого была ориентирована вдоль направления основы, загибался по длинному краю так, что оранжевая сторона оказывалась снаружи (1D), тогда как образец, длинная сторона которого была ориентирована вдоль направления утка, загибался по длинному краю так, что снаружи оказывалась синяя сторона (1E). Тот факт, что после разрезания края загибались, свидетельствовал о наличии внутренних напряжений в трикотажном полотне. Наблюдаемое загибание соответствовало поведению двухслойного упругого листа с взаимно перпендикулярными внутренними напряжениями.

Эти внутренние напряжения в полотне возникали в процессе производства. В вязальной машине растягивающая нагрузка приводила к растяжению пряжи на 105%. После снятия с игл пряжа сокращалась, но из-за взаимосвязанной структуры петель не могла вернуться в исходное состояние, сохраняя растяжение в виде внутреннего напряжения. Анализ траекторий пряжи также подтверждал аналогию между трикотажным полотном и двухслойным упругим листом с взаимно перпендикулярными внутренними напряжениями: на лицевой стороне полотна нити располагались примерно параллельно направлению основы (1F), тогда как на изнаночной стороне нити проходили примерно параллельно направлению утка (1G). Таким образом, полотно можно было рассматривать как двухслойную структуру, в которой на лицевой и изнаночной сторонах действовали взаимно перпендикулярные сжимающие напряжения вдоль направлений основы и утка соответственно.

До этого момента кривизна в образцах была сосредоточена по краям (1D–1E). Выраженная кривизна внутри полотна возникала при вязании отдельных участков текстиля на передней и задней игольницах машины (1B). В частности, ученые начали с вязания узоров в виде ластика (резиночное переплетение) и платочной вязки (или переплетения links-links), состоящих соответственно из полос в направлении основы (вертикальных) и утка (горизонтальных), где каждая полоса представляла собой столбик петель (для ластика) или ряд петель (для платочной вязки), поочередно формируемых на передней и задней игольницах (лицевые и изнаночные петли). Хотя термин «links-links» используется для обозначения более широкой категории узоров вязания, в которых в пределах одного столбика присутствуют петли, сформированные как на передней, так и на задней игольнице, в данной работе ученые обозначали набор горизонтальных и вертикальных полосатых узоров как garter n × n и rib n × n, где n — число петель в полосе, формируемой на передней или задней игольнице.

В этих полосатых полотнах внутренние напряжения вызывали гофрирование параллельно полосам, которое было видно в поперечном сечении (1H и 1I). Хотя оба полотна были гофрированными, форма трикотажной петли, определяемая лицевыми и изнаночными петлями, приводила к различному распределению внутренних напряжений и, как следствие, к различным профилям кривизны (1H–1I). Выраженная кривизна отражалась на механическом отклике текстильных материалов: образец был более мягким при растяжении в направлении, перпендикулярном полосам, поскольку сначала должны были распрямиться гребни гофрированной поверхности, и только после этого начиналось растяжение самого текстильного полотна (1H–1I). В обоих направлениях отклик был плавным, без падения силы, соответствующего скачкообразным потерям устойчивости, и обратимым: образец имел одно устойчивое состояние и после снятия нагрузки возвращался в исходную конфигурацию.

Паттерн вязки и многоустойчивость

Изображение №2

Ученые использовали внутренние напряжения для создания выраженной локальной кривизны и придания ей функциональных свойств. Выбирая определенные узоры вязания с петлями, сформированными на передней и задней игольницах, они создавали в полотне изогнутые формы, скачкообразные потери устойчивости и несколько устойчивых состояний. Ученые рассматривали элементарные ячейки, состоящие из блоков размером 4 × 4, каждый из которых содержал 12 × 12 петель, сформированных либо на передней, либо на задней игольнице. Всего этим правилам соответствовали 216 возможных элементарных ячеек, однако ученые сосредоточились на трех сбалансированных узорах, то есть таких, в которых одинаковое число петель было сформировано на передней и задней игольницах: ступенчатый узор (Step) (2A), узор «Ветряная мельница» (Windmill) (2B) и Н-образный узор (H-shaped) (2C). При выборе узоров с одинаковым числом петель на передней и задней игольницах локальные кривизны фактически компенсировали друг друга, в результате чего глобальная кривизна полотна отсутствовала. Ученые связали образцы, состоящие из повторяющихся 2 × 2 элементарных ячеек, добавив в конце еще один раз первый ряд, который служил областью захвата и облегчал проведение испытаний.

Видео №1

После изготовления все образцы полотна приобретали выраженную естественную кривизну внутри полотна (2D-i, 2E-i, 2F-i). При точечном нагружении все образцы демонстрировали J-образные кривые зависимости силы от смещения (2G, 2H, 2I, видео №1): сначала наблюдалась область низкой жесткости, соответствующая распрямлению, за которой следовал режим увеличения жесткости, связанный с растяжением. Кроме того, в образцах наблюдался гистерезис, обусловленный внутренним трением между нитями. Каждый узор характеризовался уникальным механическим поведением, которое проявлялось на кривых зависимости силы от смещения (2G, 2H, 2I), а также на снимках, сделанных в ключевых точках кривых нагружения и разгрузки (2D, 2E, 2F).

В узоре Step (2A) горизонтальные полосы платочной вязки были искажены, однако характерные горизонтальные складки сохранялись (2D-i). При локальном нагружении посредством растяжения за два края зарегистрированная кривая зависимости силы от смещения оставалась плавной, однако рядом с точкой приложения нагрузки возникала вертикальная складка (2D-ii), подобная «шрамам», наблюдаемым в гофрированных листах. В однородном гофрированном листе положение складки определяется только местом и направлением приложения нагрузки, тогда как в данном образце на конечную конфигурацию также влияет узор вязания. Поэтому связанный образец менее чувствителен к изменениям направления нагрузки. После снятия нагрузки полотно возвращалось в исходную конфигурацию (2D-iii).

Узор Windmill нарушал непрерывность полос, в результате чего возникали неперпендикулярные складки (2E-i). При нагружении в полотне Windmill наблюдалось резкое падение силы (2H), хорошо известное в теории упругости явление, соответствующее скачкообразной потере устойчивости. В результате этого скачкообразного перехода внезапно формировалась вертикальная складка (2E-ii). При разгрузке наблюдалось резкое увеличение силы, соответствующее обратному скачкообразному переходу: вертикальная складка исчезала (2E-iii), а полотно возвращалось в исходную конфигурацию.

Хотя узор Step и узор Windmill являются одностабильными, текстильные полотна с узорами также могут обладать несколькими устойчивыми состояниями. Чтобы отнести полотно к многоустойчивым, при нагружении в нем должно происходить резкое падение силы, соответствующее скачкообразной потере устойчивости и переходу в другую конфигурацию. Кроме того, при разгрузке не должно происходить обратного скачкообразного перехода, а сила должна достигать локального минимума ниже нуля, что указывает на устойчивость второй конфигурации и ее сопротивление разгрузке. И резкое падение силы, и минимум ниже нулевого значения при разгрузке выделены на изображении №2 черными кружками.

Примером такого многоустойчивого текстильного полотна служит Н-образный узор, сочетающий вертикальные и горизонтальные полосы ластика и платочной вязки. Такой образец может складываться в направлении основы, утка или одновременно в обоих направлениях, в результате чего возникают несколько устойчивых состояний (2F). При нагружении образца растяжением за два края возникают два скачкообразных перехода, каждый из которых соответствует исчезновению складки в направлении основы и появлению складки в направлении утка (2I). Новая форма сопротивляется разгрузке, и при разгрузке сила становится отрицательной.

На изображении №2 приведены результаты для образцов, подвергнутых точечной нагрузке, однако многоустойчивость также наблюдается при других условиях нагружения. Например, если растягивать весь край большого образца с Н-образным узором, структура переходит во вторичную конфигурацию. Однако в этих условиях на кривой зависимости силы от смещения скачкообразного поведения не наблюдается, вероятно, из-за демпфирования вдоль протяженного края.

Уникальные кривизна и механический отклик этих трикотажных полотен не могут быть предсказаны исходя из их плоской конфигурации, а определяются предварительными напряжениями, возникающими в процессе производства. Чтобы продемонстрировать это, ученые провели конечно-элементное моделирование с использованием коммерчески доступного программного обеспечения Abaqus 2021. В моделировании трикотажные полотна представляли собой сплошные упругие двухслойные оболочки. Внутренние напряжения, возникающие в процессе вязания, воспроизводили в моделировании путем задания различающихся ортогональных коэффициентов теплового расширения (α_x = 0.165 1/°C, α_y = 0.0198 1/°C) для двух слоев. Моделирование состояло из двух этапов. Сначала температуру повышали, вызывая возникновение внутренних напряжений и кривизны. Затем к модели прикладывали точечную нагрузку.

Изображение №3

В слое, представляющем техническую лицевую сторону полотна и показанном оранжевым цветом, тепловое расширение приводило к горизонтальному расширению слоя, тогда как слой, представляющий техническую изнаночную сторону полотна и показанный синим цветом, расширялся в вертикальном направлении (3A). Как показано на 3B, такого упрощенного представления полотен было достаточно для получения кривизны, наблюдавшейся в экспериментах. На втором этапе к изогнутой модели прикладывали локальное смещение, имитируя условия нагружения в эксперименте. Моделирование выявило скачкообразные переходы и переходы между складчатыми конфигурациями, соответствующие вторичному минимуму на энергетическом ландшафте системы (3C–3D), что подтвердило внутренне присущую текстильному полотну многоустойчивость.

Настройка многоустойчивости

Изображение №4

Чтобы выяснить, насколько универсальна наблюдаемая многоустойчивость, ученые связали Н-образный узор на другой автоматизированной вязальной машине (Shima Seiki SWG N2), используя различные виды пряжи и размеры петель. Помимо использовавшейся ранее эластомерной нейлон-спандексной пряжи, они выбрали 100% шерстяную пряжу и пряжу под названием «fluid rayon», представляющую собой смесь вискозы, спандекса и нейлона. Эти виды пряжи имеют различное строение, что приводит к различиям в крутке и текстуре поверхности (4A). При испытаниях отдельных нитей на растяжение ученые обнаружили, что шерстяная и вискозная пряжа разрушается при более высоких значениях силы и значительно хуже растягивается, чем эластомерная пряжа (4B). Эти виды пряжи связали по тому же узору, что и на 2C, и сравнили их механический отклик. Однако эти виды пряжи также значительно толще и содержат больше свободных радиально расположенных волокон, поэтому для их вязания использовали больший размер петель, что приводило к различиям в общей форме образцов (4C). Несмотря на различия в поверхностных, изгибных и растяжимых свойствах этих видов пряжи, все образцы обладали многоустойчивостью и демонстрировали резкое падение силы на кривой зависимости силы от смещения при нагружении, что является характерным признаком скачкообразной потери устойчивости (4D).

Используя два конца эластомерной пряжи, чтобы учесть меньший класс машины, и тот же узор вязания, что на 2C и 4C, ученые исследовали весь диапазон размеров петель, доступных для вязания (30–55 в единицах машины). Как и ожидалось, увеличение размера петель приводило к пропорциональному увеличению размеров связанного образца (4E). Однако, несмотря на различия в жесткости образцов, во всех случаях наблюдалось падение силы и, следовательно, многоустойчивое поведение (4F).

Наконец, чтобы проверить воспроизводимость механического отклика трикотажных полотен, ученые сосредоточились на эластомерном образце, испытанном на 2C, и десять раз повторили то же испытание на растяжение, вручную возвращая образец в исходное состояние после каждого испытания. Как показано на 4G, многоустойчивый отклик трикотажных полотен оказался обратимым и воспроизводимым.

Изображение №5

Далее ученые управляли многоустойчивостью, изменяя число петель в каждом блоке, сформированном на передней или задней игольнице. Они выбрали Н-образный узор и изменяли размер блоков, сохраняя вращательную и зеркальную симметрию. При сохранении этих симметрий остаются три геометрических параметра. Ученые изменяли число петель, определяющее ширину участка ластика (n_a), высоту участка платочной вязки (n_b), и высоту участка ластика (n_d) (5A). При n_b = 0 или n_d = 0 соответственно получаются узоры ластика и платочной вязки. Ученые рассмотрели двадцать семь уникальных элементарных ячеек с n_a, n_b и n_d ∈ [4, 8, 12]. Минимальный размер, равный четырем петлям, был выбран таким образом, чтобы кривизна внутри образцов оставалась больше размера одной петли. Для каждой геометрии был изготовлен образец из 2 × 2 элементарных ячеек, который подвергали точечному нагружению тем же способом, что показан на изображении №2. Хотя геометрические параметры часто можно свести к меньшему числу безразмерных параметров, ученые показали, что все три параметра (n_a, n_b и n_d) по отдельности влияют на механический отклик.

Для каждого из двадцати семи образцов зависимости силы от смещения представлены на 5B. Образцы классифицировали как одностабильные или многоустойчивые на основании выраженности падения силы при нагружении и наличия минимума силы ниже нуля при разгрузке. Оба этих признака должны присутствовать, чтобы образец можно было классифицировать как многоустойчивый. Многоустойчивые образцы выделены фиолетовым цветом, а одностабильные образцы обозначены цветом в зависимости от преобладающих складок в их устойчивой конфигурации: желтым цветом для вертикальных складок и зеленым для горизонтальных складок (5C).

В рассмотренном пространстве параметров, включающем двадцать семь геометрий, наблюдалось несколько закономерностей (5D). Двенадцать изготовленных образцов были одностабильными в конфигурации платочной вязки, тогда как два были одностабильными в конфигурации ластика. Это объясняется тем, что выбранная элементарная ячейка представляет собой комбинацию обоих типов полос, однако горизонтальные полосы платочной вязки остаются непрерывными по всей длине, тогда как вертикальные полосы ластика прерываются. Преобладание складок ластика наблюдалось только в тех случаях, когда они имели малый радиус кривизны (n_a = 4), большую площадь, соответствующую узору ластика (n_d = 8 или 12), и большой радиус кривизны в направлении платочной вязки (n_b = 12).

Хотя представляется возможным свести эти параметры к безразмерным величинам, результаты показывают, что для получения многоустойчивости необходимо совместно подбирать n_a, n_b и n_d. Для рассматриваемой геометрии изменение параметров участков ластика и платочной вязки не является эквивалентным. Это может быть связано с присущей самим петлям анизотропией формы. Участки ластика в текстильном полотне определяются двумя параметрами: n_a, задающим кривизну складок ластика, и n_d, задающим высоту участка ластика. Участок платочной вязки определяется только одним параметром nb, который задает высоту горизонтальной полосы. Высота этой полосы определяет кривизну участка платочной вязки. Таким образом, кривизну и высоту участков платочной вязки нельзя задавать независимо друг от друга. При большом n_b высота участка платочной вязки увеличивается, но одновременно увеличивается и радиус кривизны, что приводит к менее выраженным складкам. Поэтому, хотя отношение n_d/n_b определяет соотношение между участками ластика и платочной вязки, оно не определяет, будет ли полотно одностабильным или двухстабильным: образцы с одинаковыми значениями n_b и n_d не демонстрируют одинаковой устойчивости.

Функциональность за счет токопроводящих элементов

Ученые использовали как скачкообразное переключение, так и многоустойчивость текстильного полотна для создания кнопочного переключателя без фиксации и фиксирующего переключателя со встроенной тактильной обратной связью. Хотя текстильные датчики позволяют незаметным для пользователя способом собирать большие объемы скалярных или векторных данных, созданные переключатели передают только информацию о том, включены они или выключены. Для устройств ввода, таких как клавиатура, непрерывное измерение не требуется; простой бинарный отклик (включено/выключено) удобен, поскольку требует меньшего объема обработки данных или сигналов. Созданные устройства также обеспечивают встроенную тактильную обратную связь при скачкообразном переходе между состояниями, позволяя пользователю получать информацию о текущем состоянии устройства. В клавиатурах, выключателях света и элементах управления автомобилями тактильная обратная связь позволяет пользователю взаимодействовать с окружающей средой без прямых визуальных сигналов.

Два ключевых свойства данной структуры позволяют создавать такие переключатели со встроенной тактильной обратной связью. Во-первых, при переходе образца из конфигурации «ластик» в конфигурацию «платочная вязка» изменяются области самоконтакта. Встраивая токопроводящую пряжу в области, в которых происходит установление и разрыв контакта, можно создать простой переключатель. Во-вторых, этот переход сопровождается резким падением силы, благодаря чему пользователь может определить момент разрыва контакта без визуального сигнала. Человек способен ощущать силы всего 10–100 мН; продемонстрированные тут падения силы имеют порядок 0.1 Н и поэтому могут быть обнаружены человеком.

Изображение №6

Кнопочный переключатель без фиксации реализован с использованием Н-образного узора с n_a = 8, n_b = 12 и n_d = 4, который демонстрирует скачкообразную потерю устойчивости, но является одностабильным (5B). Ученые добавили токопроводящую пряжу к горизонтальным гребням, которые соприкасаются при разгруженном образце (6A). Они измеряли напряжение на этом контакте как показатель электрической проводимости в зависимости от приложенного смещения (6A). При приложенном смещении 20 мм напряжение падало до нуля, поскольку контакт между первоначально горизонтальными гребнями разрывался. После разрыва контакта происходило резкое падение силы, позволяющее пользователю определить, что переключатель включен. Поскольку эта геометрия не является многоустойчивой, при разгрузке наблюдались обратный скачкообразный переход и восстановление контакта. Схема, в которой текстильный переключатель соединен параллельно со светодиодом, позволяла включать светодиод при разрыве контакта внутри текстильного полотна (видео №2).

Видео №2

Фиксирующий переключатель после активации остается включенным до тех пор, пока его конфигурация не будет изменена, подобно многоустойчивым образцам, показанным на изображении №5. Ученые создали фиксирующий переключатель с использованием Н-образного узора с n_a = 12, n_b = 12 и n_d = 12, обладающего многоустойчивостью. Образец демонстрирует два падения силы, соответствующие формированию двух горизонтальных гребней (6C). Эти два гребня содержат токопроводящую пряжу, и при их соприкосновении напряжение скачкообразно возрастает до 5 В. Этот контакт возникает при смещении между двумя падениями силы; после второго падения силы пользователь понимает, что свет включен (6D).

До этого момента ученые рассматривали периодические геометрии, которые испытывают скачкообразную потерю устойчивости при растяжении. Однако предложенный подход можно обобщить и на непериодические геометрии. Ученые продемонстрировали пример, работающий подобно кнопке: он переключается под действием локальной сжимающей нагрузки и соприкасается с расположенной под ним пластиной. Кнопка спроектирована так, чтобы выступать над плоским узором вязания (ластик 1 × 1, 6E). Одна полоса платочной вязки прерывает этот плоский узор, образуя гребень. Продолжение узора ластика через центр гребня превращает его в кнопку (6E-i). При нажатии этот купол переходит в перевернутую устойчивую конфигурацию и соприкасается с медной лентой, замыкая электрическую цепь (6E-ii, 6E-iii). Этот фиксирующий переключатель переходит из состояния «выключено» в состояние «включено» в нижней точке кривой зависимости силы от смещения, в отличие от двух других примеров, поэтому пользователь может точно определить момент включения переключателя (6F, видео №2).

Изображение №7

Естественным применением таких текстильных переключателей являются носимые устройства. Размещая кнопочный переключатель без фиксации на внутренней стороне колена пользователя (7A), можно определить, согнуто колено или выпрямлено. Когда колено согнуто, два токопроводящих гребня соприкасаются друг с другом, и электрическая цепь замыкается. Когда колено выпрямлено, цепь остается разомкнутой. Микроконтроллер Arduino регистрирует каждый цикл замыкания и размыкания как шаг, а общее количество шагов отображается на встроенном дисплее (7B). Трикотажный элемент в данном случае действует как бинарный датчик, преобразующий сложное движение, связанное с шагом, в простой цикл «включено» и «выключено» (видео №3).

Видео №3

Помимо устройства для нижней конечности, кнопочный переключатель без фиксации также размещали в области локтевого сустава, чтобы определять, согнут или выпрямлен локоть. Гребни соприкасаются, когда локоть пользователя согнут, и контакт разрывается, когда рука выпрямлена (7C). Переключатель встроен в рукав вместе с рядом световых элементов, которые отображают стрелку, когда рука выпрямлена (видео №3). Это позволяет подавать сигнал о повороте, одновременно повышая заметность велосипедиста при езде в темное время суток. Велосипедист может подавать существующий ручной сигнал поворота, а скачкообразное переключение позволяет ощущать, включен ли свет, без визуальной обратной связи или необходимости проверять это зрительно. Подобно тактильной обратной связи в кнопках и переключателях автомобиля, это позволяет велосипедисту сосредоточить внимание на дороге, поскольку управление устройством осуществляется посредством осязания. Все устройство остается мягким и воздухопроницаемым, что особенно важно для одежды, предназначенной для интенсивных физических нагрузок. Таким образом, устройство обеспечивает тактильную обратную связь и позволяет велосипедисту использовать привычные ручные сигналы.

Изображение №8

Хотя текстиль широко используется в носимых устройствах, его также применяют в предметах домашнего обихода и элементах интерьера. Текстиль легко очищать, он удобен в использовании и позволяет рассеивать свет в светильниках и оконных конструкциях. Учитывая эти свойства, ученые разработали адаптируемый текстильный светильник, в котором многоустойчивость позволяет изменять форму и одновременно выполнять функцию электронного фиксирующего переключателя. Для изготовления светильника прямоугольную панель с тремя параллельными фиксирующими переключателями сшили в цилиндр. Все панели были связаны на машине Shima Seiki SWG, что позволило увеличить размер и повысить надежность конструкции. Каждый переключатель состоит из двух колец, которые соприкасаются друг с другом. Параллельно каждому переключателю подключен светодиод, поэтому он загорается, когда переключатель разомкнут. На 8A все три переключателя замкнуты, поэтому светодиоды выключены. Возможны все восемь комбинаций состояний трех светодиодов, три из которых показаны на 8B–8D. Все текстильное полотно является многоустойчивым, а переключатели охватывают весь цилиндр, благодаря чему светильник можно перестраивать в любую форму и получать любую комбинацию включенных светодиодов (8E, видео №4).

Видео №4

По мере изменения формы конструкции отдельные элементарные ячейки совершают скачкообразные переходы в обоих направлениях, обеспечивая тактильную обратную связь, которая помогает пользователю понимать, как будет изменяться освещение. Этот текстильный светильник также легкий и портативный: его масса составляет 71.4 г вместе со всей электроникой, а размер позволяет удерживать его в одной руке. Текстильная часть светильника была спроектирована и связана на промышленной машине; ее изготовление занимает 25 минут. Благодаря масштабируемости такой подход открывает путь к созданию интерактивного текстиля, способного изменять форму, для использования в домашних условиях.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые показали, что машинное вязание позволяет создавать многоустойчивые текстильные структуры, способные менять форму и сохранять разные конфигурации. Встраивание токопроводящих элементов превращает их в мягкие переключатели с тактильной обратной связью.

Ученые разработали умное трикотажное полотно, которое может скачкообразно переходить между несколькими устойчивыми конфигурациями. Такое свойство называется многоустойчивостью. Было показано, что поперечное вязание позволяет создавать сложные изогнутые структуры, используя только пряжу. Для этого они применили высокоэластичную пряжу и метод плакирования, при котором разные нити располагаются на противоположных сторонах полотна. Возникающие при производстве внутренние напряжения заставляют полотно самопроизвольно изгибаться и приобретать трехмерную форму. Затем ученые систематически комбинировали горизонтальные и вертикальные полосы, создавая структуры, способные скачкообразно переходить между устойчивыми конфигурациями. Анализ геометрии и свойств материала позволил определить условия возникновения многоустойчивости. Поведение полотен также удалось воспроизвести с помощью конечно-элементного моделирования.

Встраивание тонких токопроводящих нитей превратило трикотажные структуры в мягкие растяжимые электрические переключатели. При переходе полотна из одной конфигурации в другую изменяется контакт между токопроводящими участками, а резкое падение силы создает тактильную обратную связь, позволяющую определить момент переключения без визуального контроля. Ученые продемонстрировали несколько вариантов применения таких переключателей. Один из них использовался для подсчета шагов: переключатель размещали в области колена, а микроконтроллер Arduino регистрировал циклы сгибания и разгибания ноги. Аналогичный переключатель, встроенный в рукав, позволял подавать сигнал о повороте при езде на велосипеде и ощущать состояние светового сигнала без необходимости смотреть на него.

Еще одним прототипом стал легкий перестраиваемый светильник с тремя многоустойчивыми переключателями. Изменяя форму текстильного цилиндра, пользователь мог включать различные комбинации светодиодов. Скачкообразные переходы отдельных участков полотна обеспечивали тактильную обратную связь, а сам светильник оставался мягким, легким и портативным.

Поскольку для создания таких структур используется оборудование, близкое к промышленным вязальным машинам, технология потенциально пригодна для масштабного производства. Ученые рассматривают многоустойчивый текстиль как перспективную основу для мягких носимых устройств, способных отслеживать движения, обеспечивать тактильную обратную связь и изменять форму.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?