神奇的“智能软体服装”来袭！缝纫机+莱卡布制成的仿生复合材料肌肉
导读
来自加利福尼亚大学和新南威尔士大学的研究团队近日在国际机器人期刊《软体机器人（softrobotics）》上发表了一篇文章，提出了一种基于流体压力驱动的柔性驱动器，片状流体织物肌肉（FFMS，Fluidic Fabric Muscle Sheets）。FFMS由柔软的织物和弹性管制成。通过不同的设计，FFMS可以产生实现拉伸，弯曲，以及挤压变形。它的响应频率可以达到5Hz，经过特殊设计的FFMS可以形变超过原长度的100％，并拉起大于其自身115倍的重量。它可以被定制成各种形状和尺寸，用于需要和人发生直接接触的装备上，如可穿戴设备（助力）和生物医学（康复）等应用场景，经过测试，FFMS可以与人体安全地紧密接触并施加超过106帕斯卡的压力。
作者：Riddick
1. 片状流体织物肌肉（FFMS）的简介
柔性（软体）机器人技术有很大潜力被应用于开发可穿戴设备，包括助力、康复等用途。研究者们已经开发出了用于辅助行走的柔性外骨骼和用于手指活动康复的柔性康复手套。由于人体表明形状的不规则，以及人体关节活动的高自由度，由传统的机械结构和电机驱动的可穿戴设备，很大程度上需要复杂的结构设计来提供更高的自由度，同时借助于精确的控制算法来确保可穿戴设备的舒适性和安全性。毋庸置疑的是刚性可穿戴设备可以提供更大的驱动力，但是就安全性，舒适性和个性化设计来说，柔性可穿戴设备有着很大的优势。
图1 刚性可穿戴设备和柔性可穿戴设备
我们的躯干被像背阔肌，腹横肌这种呈现片状的肌肉所包裹，能够牵引或者支撑我们躯干实现大范围的整体运动，比如转体，维持身体姿态等。来自加利福尼亚大学和新南威尔士大学的研究者们受到片状肌肉群的启发，研究一种新型的柔性驱动器，他们称之为“片状流体织物肌肉”（FFMS，Fluidic Fabric Muscle Sheets）。这种柔性驱动器是由流体（气体，液体）的压力来提供动力，将一组中空弹性管阵列内嵌到片状的复合织物材料（例如氨纶）中，从而通过在弹性管内注入流体，来实现驱动器在平面内产生形变。
图2 片状肌群和FFMS（片状流体织物肌肉）
FFMS驱动器的示意图
研究者指出，他们设计的FFMS驱动器有可伸缩性，安全，驱动效率高以及尺寸可调整等优点，并且成本很低。今天小编就带大家来了解下这种看起来像衣物布料一样驱动器的设计原理，以及它是怎么被制造和应用的（文末附有原论文完整的视频）。
FFMS驱动器重物（15kg）提升
复杂变形的多层FFMS驱动器
2. FFMS驱动器的原理和制造
图中展示了一个FFMS（片状流体织物肌肉）的实物，正是仿造了片状肌群来设计制造。把一组弯曲的弹性管阵列缝到织物中就得到了“一片”FFMS驱动器。当注入流体（气体或者液体），弹性管内压力上升，FFMS驱动器将会沿着单一方向拉伸。
FFMS驱动器示例
研究者所采用的织物为氨纶，俗称莱卡，是一种弹力纤维，由美国杜邦公司于1958年发明。其具有很强的弹性，伸展度可达600%，且能回复原样，比橡胶的强度更大、更透气，也更耐磨。由于织物对弹性管施加周向约束，当流体被泵入弹性管中时导致弹性管沿着轴向伸长。弹性能就被储存在弹性织物结构中。当流体的压力减小/体积减小时，织物内存储的弹性势能得到释放。
FFMS驱动器的原理
FFMS的制造过程非常的简单，一旦完成FFMS的弹性管分布的设计后，可以用工业织布的方式来用自动化设备完成FFMS驱动器的制造。生产的过程如图中所展示，首先将织物层层叠起，然后用线缝合这些织物层，并在之间留下空隙以便弹性导管的插入。织物中通道的路径决定了最终FFMS的形变特性。织物的缝制可以用手工缝制，缝纫机缝制，以及计算机自动缝制。当FFMS的尺寸满足要求时，计算机缝制是首选，因为其保证了很高的准确性以及效率。手工缝制是效率最低的方法，但是可以缝制极为复杂的表面。
FFMS驱动器的制造
FFMS驱动器可以实现的平面内的旋转（通过对于不同的流体通道的差动控制）。这种运动可以用在一些生物医学装置中（例如内窥镜探头）。先给3个弹性管中都通以相同的气压。当一侧的压力减小时，FFMS可以实现在平面内的大幅度旋转（90°）。
FFMS旋转驱动器
FFMS驱动器也可以实现向平面外的弯曲运动。研究者将刚性的玻璃纤维层（黑色部分）和FFMS缝制起来。对FFMS加压会产生超过180°的大幅度弯曲。这种驱动器设计可以被用于可穿戴康复设备中。
FFMS弯曲驱动器
研究者还设计了一个巨型的FFMS驱动器来证明FFMS执行器可以被用于重载的机械工作。该驱动器内有三根强力弹性管，在流体压力约为276 kPa时，提起了足足15 kg的质量。
收缩变形的FFMS驱动器
如果两个FFMS层沿正交方向相互交叠，可以产生三维（3D）形状变化。研究者把两个七个通道的FFMS层缝合在一起。当两个FFMS层中施加的流体压力相等时，整个结构保持平坦。当在每一层中施加的流体压力不相等时，可以产生不同的3D或双曲面形状。
多层的FFMS驱动器原理
3. FFMS的应用案例
FFMS驱动器有望在可穿戴设备中应用。研究者用可以向平面外弯曲的FFMS驱动器制作了康复手套，手套产生的弯曲力足以张开和闭合手指以进行抓握。
FFMS驱动器制成的康复手套
研究者还演示了FFMS可以被用于肢体的可穿戴压力服装。这种压力服装呈套筒状， FFMS会对包覆的部分产生压缩力。这可用于为肢体提供大面积的有效压缩，对某些受伤的恢复或疾病治疗非常有好处。
FFMS驱动器制成的压力康复服装
设计制作FFMS驱动器还可以被用于制作能够提供皮肤拉伸的触觉反馈或向诸如手指的微小身体部位提供压缩力，从而产生高度可感知的触觉。
FFMS收缩指环
FFMS皮肤拉伸装置
4. FFMS的发展前景分析
可以看出，这种用缝纫机制作的FFMS（片状流体织物肌肉）为可穿戴设备的设计和发展提供了新的更广泛的思路。研究者指出，FFMS设备对四肢较大区域的压缩力对于触觉反馈，深静脉血栓形成的预防性压缩治疗，肌肉骨骼恢复，对于淋巴或心血管循环疾病，或其他生物医学装置的开发都能够有很大帮助。
通过FFMS驱动器，甚至可以制造出针对大面积身体区域的智能服装，包括实现全身致动的西服或柔软的外骨骼，这可以极大地帮助实现全身触觉的虚拟现实，以及人类的康复应用，甚至是太空探索。希望小编介绍的这篇文章，能为相关领域的研究者或者是工程师提供思路和灵感，开发更人性化的可穿戴设备！
原文视频：
FFMS驱动器的简介
FFMS驱动器的制造过程
文献：
Zhu, M., Do, T. N., Hawkes, E., & Visell, Y.(2020). Fluidic fabric muscle sheets for wearable and soft robotics. SoftRobotics.
原文链接：
https://www.liebertpub.com/doi/abs/10.1089/soro.2019.0033
END
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