توسعه پوشیدنی هایی با قابلیت پیکربندی مجدد

محققان دانشگاه کارنگی ملون (CMU) الگوریتم جدید و قدرتمندی را توسعه داده‌اند که امکان طراحی متاساختار‌های قابل پیکربندی مجدد با سختی قابل تنظیم و شش درجه آزادی (DoF) را فراهم می‌کند.

کد خبر: ۱۲۵۹۹۷۴

شنبه - ۲۰ ارديبهشت ۱۴۰۴ / May 10, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، تصویربرداری حرارتی نشان می‌دهد که با گرم شدن سیم‌ها، ساختار قادر به پیکربندی مجدد برای امکان حرکت است.

این پیشرفت به طراحان اجازه می‌دهد تا مسیر‌های حرکتی پیچیده را مستقیماً در مواد برنامه‌ریزی کنند و کنترل بی‌سابقه‌ای بر نحوه عملکرد مفاصل در سیستم‌های مکانیکی پیشرفته ارائه دهند.

این الگوریتم پیکربندی‌های سینماتیکی متعدد را تفسیر می‌کند و ساخت دستگاه‌های سازگار برای کاربرد‌های متنوع را آسان‌تر می‌کند.

محققان با نشان دادن پتانسیل آن، طیف وسیعی از ساختار‌های پوشیدنی را ایجاد کردند که هر کدام برای انواع حرکات و مکان‌های خاص بدن سفارشی شده‌اند. نوآوری می‌تواند بر رباتیک و پروتز، هوافضا و فناوری پوشیدنی تأثیر بگذارد.

طراحی لمسی نسل بعدی

سیستم‌های مکانیکی با سینماتیک و سختی قابل تنظیم برای کاربرد‌هایی در لامسه مجازی، بهره‌وری و توانبخشی پزشکی حیاتی هستند.

کار‌های قبلی مکانیسم‌های قابل تنظیم سختی را با استفاده از سیستم‌های الکترومغناطیسی، الکترواستاتیک یا پنوماتیک بررسی کرده‌اند، اگرچه این سیستم‌ها اغلب به دلیل پیچیدگی مکانیکی، درجات آزادی (DOF) را محدود می‌کنند. ساختار‌های سازگار با مواد معماری‌شده، جایگزینی ارائه می‌دهند، اما اکثر طرح‌ها به حالت‌های دوتایی و محدوده‌های سختی کم محدود می‌شوند.

برای رفع محدودیت‌های طرح‌های قبلی، محققان دانشگاه CMU مدل توپولوژی آزادی و محدودیت (FACT) مبتنی بر جبر پیچ را بهبود بخشیدند تا امکان پیکربندی مجدد چندوجهی را فراهم کنند و در عین حال رفتار‌های مواد مانند سختی و کمانش میله را نیز در نظر بگیرند. روش آنها از کنترل حرکت فعال در هر شش درجه آزادی، با سختی قابل تنظیم و هندسه‌های قابل تنظیم مناسب برای کاربرد‌های مختلف، از جمله سیستم‌های پوشیدنی، پشتیبانی می‌کند.

محور اصلی این رویکرد، یک چارچوب طراحی اصلاح‌شده است که مکان‌های بهینه میله‌های خمشی را برای حالت‌های حرکتی متعدد تعیین می‌کند. این فرآیند، مدل‌سازی تحلیلی را با شبیه‌سازی‌های المان محدود (FE) ادغام می‌کند تا عملکرد را ارزیابی و اصلاح کند و در نتیجه، دستگاه‌های سازگار متناسب با الزامات سینماتیکی و ساختاری خاص ایجاد شوند.

محققان سه دستگاه نمونه برای نشان دادن نحوه عملکرد سیستم خود ساختند. یکی از آنها یک دستگاه مچ دست است که می‌تواند سفتی خود را تغییر دهد و به کنترل میزان حرکت آزادانه مچ دست کمک کند. دیگری یک "انگشتانه" نوک انگشت است که می‌تواند بین حالت‌های نرم و سفت تغییر کند و حس مواد مختلف مانند ژل یا فلز را شبیه‌سازی کند. سومی یک دستگاه پوشیدنی است که از چندین مفصل برای بازو و دست ساخته شده است و می‌تواند بازخورد لمسی را افزایش دهد یا به تمرین عضلات کمک کند.

کنترل حرکت تطبیقی

میله‌های تغییر دهنده سختی در این دستگاه‌ها به فعال‌سازی الکتروترمال از طریق سیم‌های گرمایشی متکی هستند. اگرچه این روش مؤثر است، اما قابلیت کشش محدود سیم‌های فلزی، حرکت را به فشار در امتداد محور میله محدود می‌کند.

به گفته محققان، این محدودیت را می‌توان با جایگزینی سیم‌های گرمایشی با مواد اپوکسی الکتروترمال، مانند رزین تزریق شده با نانولوله کربنی، که به طور بالقوه امکان حرکت دو جهته را بدون پیچیدگی مکانیکی اضافی فراهم می‌کند، برطرف کرد. تضاد سختی بین حالت‌های قفل شده و قفل نشده نیز ممکن است با چنین تغییراتی بهبود یابد. با این حال، به ویژه برای کاربرد‌های با دقت بالا، مشکلاتی مانند هیسترزیس اپوکسی باید مورد توجه قرار گیرد.

وقتی این میله‌ها تا حدود ۵۴ درجه سانتیگراد گرم می‌شوند، می‌توانند شکل قبلی خود را نیز بازیابی کنند که نشان‌دهنده قابلیت حافظه شکلی است، اما راندمان بازیابی بسته به نوع تغییر شکل متفاوت است. در تنظیمات پوشیدنی، میله‌های غیرفعال و پشتیبانی کاربر می‌توانند به بازیابی حتی بیشتر کمک کنند. سرعت نسبتاً پایین تغییر حالت سیستم در نتیجه خنک‌کننده غیرفعال و گرمایش ژول یکی از معایب آن است.

اگرچه این امر استفاده از آن را در برنامه‌های سریع مانند بازی محدود می‌کند، اما برای کار‌هایی که تغییر گاه به گاه را تحمل می‌کنند، مانند توانبخشی مهارت‌های حرکتی و هاپتیک‌های متمرکز بر بهره‌وری، مناسب است. تحقیقات آینده ممکن است به دنبال راه‌هایی برای گنجاندن دستگاه‌های ترموالکتریک فعال یا بهینه‌سازی مدیریت حرارتی برای کوتاه کردن زمان‌های پیکربندی مجدد باشد.

محققان معتقدند که ایده‌های طراحی ممکن است با سایر قسمت‌های بدن سازگار شوند و علاوه بر پوشیدنی‌های اندام فوقانی، برای آموزش کمکی، واقعیت افزوده یا مجازی یا مراقبت شخصی تطبیقی با رایانه‌ها ارتباط برقرار کنند. بهینه‌سازی طراحی برای قابلیت پوشیدن و راندمان برای استفاده گسترده بسیار مهم خواهد بود و تکنیک‌های ساخت دیجیتال مقیاس‌پذیر مانند چاپ اپوکسی تعبیه‌شده ممکن است تولید را ساده‌تر کند.