최근 연구에 따르면과학 보고서, 튜링 패턴을 사용하여 직물 기반 연성 공압 액추에이터(FSPA)를 설계하고 생산하는 새로운 방법을 개발할 수 있습니다.

직물 기반 소프트 공압식 액추에이터(FSPA)는 압력이 가해지면 변형되거나 움직일 수 있는 유연하고 부드러운 장치입니다.이는 직물을 구부리거나 늘리거나 비틀게 만드는 팽창 또는 수축 기능을 합니다.

소프트 로봇 공학은 중요한 유연성과 적응성 때문에 FSPA에 의존하는 경우가 많습니다.기존의 견고한 로봇 부품과 달리 FSPA는 인간 및 섬세한 물체와 안전하게 상호 작용할 수 있습니다.

부드럽고 가벼운 특성 덕분에 FSPA는 웨어러블 장치, 적응형 대피소, 로봇 그리퍼 및 보조 장치와 같은 응용 분야에 매우 적합합니다.이들의 가치는 저렴한 비용, 안전성 및 유연성에 있습니다.

그러나 FSPA를 설계하고 제작하는 것은 어렵습니다.연구팀은 프로세스 자동화를 통해 문제를 해결했습니다.

팀은 일본 Toyota Central R&D Labs., Inc.의 Masato Tanaka 박사와 Tsuyoshi Nomura 박사, 미국 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc.의 Yuyang Song 박사로 구성되었습니다.

Phys.org는 이 연구를 수행하려는 동기를 공유한 연구원들과 이야기를 나눴습니다.

"이 연구의 동기는 특수 재료나 기술에 의존하지 않고 간단한 메커니즘을 사용하여 제어된 움직임을 수행할 수 있는 공압 액추에이터에 대한 소프트 로봇 커뮤니티의 필요성이 인식된 데서 비롯됩니다."라고 Tanaka 박사는 말했습니다.

튜링 패턴

"우리의 목표는 모양 변형 기능을 달성하는 간단하고 저렴한 FSPA를 개발하는 것이었습니다. 특히 Turing 패턴으로 알려진 Alan Turing의 형태 형성 이론을설계이러한 표면 질감의 과정"이라고 Nomura 박사는 말했습니다.

앨런 튜링(Alan Turing)은 1952년에 형태발생 이론을 제시하여 자연의 패턴(줄무늬, 나선 등)이 균일하게 분포된 상태에서 어떻게 발생할 수 있는지 설명했습니다.

Song 박사는 "튜링 패턴이 등방성 반응 확산 방정식에서 파생될 수 있는 Alan Turing의 연구에서 영감을 받아 FSPA의 표면 막을 설계하기 위해 기울기 기반 방향 최적화 방법을 사용했습니다."라고 말했습니다.

튜링 패턴은 반응 및 확산 구성요소가 있는 시스템에서 발생합니다.주요 아이디어는 두 가지 상호 작용하는 물질이 있다는 것입니다. 그 중 하나는 두 가지 모두의 촉진을 촉진하고 두 번째는 첫 번째 물질을 억제하거나 억제합니다.

이 피드백 루프의 결과로 얼룩말과 호랑이에서 볼 수 있는 줄무늬와 같은 안정적이고 반복적인 패턴 또는 튜링 패턴이 형성됩니다.

시행착오

FSPA 설계 시 가장 큰 과제는 올바른 재료를 찾기 위해 시행착오를 거쳐야 한다는 것입니다.

"전통적인 공압 구조는 일반적으로 모양 모핑을 달성하기 위해 스티치 라인과 같은 특정 기하학적 특징을 가진 등방성 재료를 사용합니다"라고 Tanaka 박사는 설명했습니다.

균일한 특성으로 알려진 부드러운 등방성 재료는 일반적으로 전통적인 FSPA에 사용됩니다.이는 압력이 가해질 때 재료가 균일하게 팽창하거나 구부러지는 것을 보장합니다.

그러나 제어되고 예측 가능한 방식으로 변형되는 재료를 설계하고 제작하려면 시행착오가 필요하며 시간이 많이 걸릴 수 있습니다.연구팀의 목표는 프로세스 자동화 및 최적화를 통해 이러한 한계를 우회하여 소프트 로봇 응용 분야에서 더욱 발전되고 제어된 움직임을 구현하는 것이었습니다.

"우리는 이러한 구조의 표면 멤브레인을 설계하기 위해 그라데이션 기반 배향 최적화 방법을 사용합니다. 이 방법은 방향이 자유롭게 변할 수 있는 멤브레인에 이방성 재료를 사용한다고 가정하므로 이러한 구조의 제작이 중요한 과제가 됩니다."라고 Dr.. 노래.

Nomura 박사는 "우리 연구는 Turing 패턴을 활용하여 재료 방향 기반 최적화 설계와 3D 프린팅 간의 격차를 해소함으로써 이러한 문제를 해결합니다."라고 덧붙였습니다.

프로세스 자동화

FSPA는 액추에이터를 구성하는 데 사용되는 직물인 재료와 압력에 반응하여 움직임을 수행하는 액추에이터로 구성됩니다.

그들의 방법의 첫 번째 단계는 재료의 방향, 즉 유연한 직물의 섬유가 액추에이터 표면에 배열되는 방식을 최적화하는 것이었습니다.

이를 위해 그들은 비선형 유한요소법을 사용했습니다.최적화 후 방향 레이아웃이 재료의 특정 패턴으로 변환되었습니다.

이러한 특정 패턴은 연구원이 사용하는 이방성 반응 확산 시스템의 수학적 모델에서 생성되었습니다.이 패턴은 전체 표면을 채우고 재료가 원하는 방식으로 변형되도록 합니다.

다나카 박사는 “이 방정식을 풀고 최적화된 재료 이방성 분포에 대한 정보를 통합함으로써 원래 재료 이방성에 해당하는 이방성 튜링 패턴 텍스처를 생성했습니다.”라고 설명했습니다.

FSPA를 제작하기 위해 연구원들은 열 접착과 자수라는 두 가지 방법을 탐구했습니다.

열 접착에서는 Dyneema와 같은 단단한 직물을 필요한 튜링 패턴으로 레이저 절단한 다음 열 프레스를 사용하여 TPU 필름과 같은 더 부드러운 직물에 접착합니다.대조적으로, 자수 기술은 뻣뻣한 실을 사용하여 부드러운 천에 튜링 패턴을 삽입하여 움직임을 제어할 수 있는 다양한 강성 영역을 만듭니다.

송 박사는 "이러한 제조 방법은 이러한 고급 액추에이터에 대한 확장 가능하고 비용 효율적인 생산 가능성을 제공합니다."라고 설명했습니다.

클래식과의 비교

연구팀은 그들의 디자인을 고전적인 단순한 디자인과 비교했으며, Turing 패턴 디자인은 비슷하고 더 나은 성능을 보여주었습니다.

C자형 설계의 경우 Turing 패턴이 기존 설계보다 더 효과적인 것으로 입증되어 액추에이터 가장자리 사이의 거리를 약 10% 줄였습니다.

비틀림 동작의 경우 Turing 패턴 디자인은 클래식 디자인과 유사하게 수행되었습니다.그러나 S자 모양의 굽힘은 전통적으로 달성하기 어렵습니다.

Nomura 박사는 "우리의 방법은 우리의 최적화 접근 방식을 사용하여 멤브레인에 인쇄된 텍스처 패턴을 설계함으로써 간단한 공압 입력으로 모든 동작을 달성할 수 있습니다"라고 말했습니다.

연구팀에 따르면 향후 연구에서는 튜링 패턴 디자인을 형상 기억이나 전기 활성 폴리머와 같은 최첨단 재료와 통합하여 향상된 역학을 갖춘 액추에이터를 개발하는 방안을 모색할 수 있습니다.

연구원들은 또한 효율성과 정밀도를 모두 향상시키기 위해 유연한 재료를 사용한 3D 프린팅이나 자동화된 직조와 같은 접근 방식을 사용하여 대량 생산 및 대형 액추에이터를 수용하기 위한 제조 기술의 확장을 모색할 것으로 예상합니다.

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