根據最近的一項研究科學報告，圖靈模式可用於開發一種設計和生產基於織物的軟氣動執行器（FSPA）的新方法。

基於織物的軟質氣動致動器 (FSPA) 是一種靈活、柔軟的設備，當對其施加壓力時，它們會變形或移動。它們透過充氣或放氣來發揮作用，使織物彎曲、拉伸或扭曲。

軟機器人通常依賴 FSPA，因為它們具有至關重要的靈活性和適應性。與傳統的剛性機器人部件不同，FSPA 可以與人類和精緻的物體安全地互動。

由於其柔軟輕質的特性，FSPA 非常適合穿戴式裝置、自適應庇護所、機器人抓手和輔助設備等應用。它們的價值在於低成本、安全性和靈活性。

然而，設計和製造 FSPA 具有挑戰性。研究團隊透過流程自動化解決了這項挑戰。

該團隊由來自日本豐田中央研發實驗室的 Masato Tanaka 博士和 Tsuyoshi Nomura 博士以及來自美國豐田汽車工程與製造北美公司的 Yuyang Song 博士組成。

Phys.org 採訪了研究人員，他們分享了進行這項研究的動機。

田中博士說：“這項研究背後的動機源於軟機器人社區對氣動執行器的公認需求，氣動執行器可以使用簡單的機制執行受控運動，而不需要依賴專門的材料或技術。”

圖靈模式

「我們的目標是開發簡單、低成本的 FSPA，以實現形狀變形功能。我們特別專注於將艾倫圖靈的形態發生理論（稱為圖靈模式）融入到設計這些表面紋理的過程，」野村博士說。

艾倫·圖靈於 1952 年提出了形態發生理論，描述了自然界中的圖案（條紋、螺旋等）如何從均勻分佈的狀態中產生。

「受艾倫·圖靈工作的啟發，圖靈模式可以從各向同性反應擴散方程式導出，我們採用基於梯度的取向優化方法來設計 FSPA 的表面膜，」宋博士說。

圖靈模式是由具有反應和擴散成分的系統產生的。主要思想是我們有兩種相互作用的物質，其中一種促進兩者的促進，而第二種抑製或抑制第一種物質。

這種回饋循環的結果是形成穩定的重複模式或圖靈模式，就像斑馬和老虎身上的條紋一樣。

反覆試驗

設計 FSPA 的最大挑戰是需要反覆試驗才能找到合適的材料。

「傳統的氣動結構通常使用具有特定幾何特徵（例如縫合線）的各向同性材料來實現形狀變形，」田中博士解釋。

軟各向同性材料以其均勻的特性而聞名，通常用於傳統的 FSPA。這保證了材料在施加壓力時均勻地膨脹或彎曲。

然而，設計和製造以受控和可預測的方式變形的材料需要反覆試驗，並且可能非常耗時。研究團隊的目標是透過流程自動化和最佳化來繞過這些限制，從而在軟機器人應用中實現更先進和受控的運動。

「我們採用基於梯度的取向優化方法來設計這些結構的表面膜。該方法假設在膜上使用各向異性材料，其中取向可以自由變化，這使得此類結構的製造成為一項重大挑戰，」博士說。

「我們的研究透過利用圖靈模式來彌合基於材料取向的最佳化設計和 3D 列印之間的差距，從而解決了這一挑戰，」Nomura 博士補充道。

流程自動化

FSPA 由用於建構致動器的材料和響應壓力執行運動的致動器組成。

他們方法的第一步是優化材料的方向，即柔性織物的纖維如何在致動器表面上排列。

為此，他們使用了非線性有限元素方法。經過優化，方向佈局被轉換成材料上的特定圖案。

這些特定模式是根據研究人員所使用的各向異性反應擴散系統的數學模型產生的。此圖案填滿整個表面並確保材料以所需的方式變形。

「透過求解這些方程式並結合有關優化材料各向異性分佈的信息，我們生成了與原始材料各向異性相對應的各向異性圖靈圖案紋理，」田中博士解釋道。

為了製造 FSPA，研究人員探索了兩種方法：熱黏合和刺繡。

在熱粘合過程中，將迪尼瑪 (Dyneema) 等剛性織物雷射切割成所需的圖靈圖案，然後使用熱壓機將其粘附到 TPU 薄膜等較軟的織物上。相較之下，刺繡技術將圖靈圖案嵌入到帶有硬線的柔軟織物中，產生不同硬度的區域，從而可以控制運動。

「這些製造方法已被證明，為這些先進的執行器提供了可擴展且經濟高效的生產可能性，」宋博士解釋道。

與經典相比

研究團隊將他們的設計與經典的簡單設計進行了比較，他們的圖靈圖案設計顯示出可比且更好的性能。

對於 C 形設計，圖靈模式被證明比經典設計更有效，將致動器邊緣之間的距離減少了約 10%。

對於扭轉運動，圖靈圖案設計的表現與經典設計類似。然而，S形彎曲傳統上很難實現。

「我們的方法可以透過使用我們的最佳化方法設計印刷在膜上的紋理圖案，透過簡單的氣動輸入實現任何運動，」野村博士說。

研究團隊表示，未來的研究可能會考慮將圖靈圖案設計與形狀記憶或電活性聚合物等尖端材料結合，以開發具有改進動力學性能的致動器。

研究人員還預見，將探索製造技術的擴展，以適應大規模生產和更大的執行器，可能使用柔性材料 3D 列印或自動編織等方法來提高效率和精度。

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