В последнее время участились попытки превратить повседневные предметы в их умные эквиваленты. У нас уже есть умные пылесосы, умные холодильники, умные часы и даже умный текстиль. Внедрение электроники в элементы гардероба позволяет создавать одежду, способную считывать биоданные человека, помогать людям с ограниченными возможностями и даже собирать энергию. Любая такая разработка нуждается в электронных компонентах, которые будут выполнять определенную логическую функцию. А что если заменить их на полностью текстильные? Именно это и сделали ученые из университета Райса (Хьюстон, США). Они внедрили струйную логику в текстиль, создав умную одежду. Что такое струйная логика, как именно она была внедрена в текстиль, и на что способна полученная в результате одежда? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Текстиль является неотъемлемой частью нашей цивилизации уже на протяжении тысяч лет. А с появлением носимой электроники и робототехники текстиль, используемый в производстве одежды, стал одним из самых перспективных вариантов для создания мягких приводов, предназначенных для работы в качестве роботизированных «мышц». Такие устройства помогают людям выполнять вполне обыденные действия (встать, взять предмет, поднять руку). Но это не вопрос лени, а вопрос физических возможностей, которые у некоторых людей ограничены ввиду травмы, врожденного или приобретенного дефекта.

Большинство таких актуаторов (приводов) на основе текстиля приводятся в действие с помощью тросов или сухожилий с механическим приводом, с помощью мешочков, надуваемых жидкостью под давлением, или путем внедрения в ткань нитей, меняющих форму, которые реагируют на тепловые, электрические, оптические или химические раздражители. В то же время достижения в области материалов и методов изготовления позволили создать ряд носимых текстильных датчиков, которые могут определять силу, давление, деформацию, температуру и влажность.

Но, несмотря на такой прогресс, большинство важных компонентов таких устройств продолжают изготавливать не из текстиля, а других материалов. А системы контроля и управления этих актуаторов до сих пор зависят от жестких и громоздких компонентов, таких как печатные платы (PCB от printed circuit board) и массивы электромеханических клапанов. Альтернативные методы основаны на использовании внешних устройств, но это сильно ограничивает мобильность пользователя.

Решением всех этих проблем может быть струйная логика — технология построения логических схем на основе явлений гидравлики или пневматики. Загвоздка в том, что существующие мягкие клапаны основаны на изначально трехмерной архитектуре и не могут быть перенесены на гибкие двумерные листы, что исключает их реализацию с использованием текстиля. Кроме того, эластомерная конструкция этих клапанов не позволяет их бесшовную интеграцию с одеждой.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили восполнить этот пробел, создав систему, где цифровая струйная логика встраивается в полностью текстильную основу. Для этого был разработан текстильный компьютер, который принимает пользовательский ввод, сохраняет данные в памяти и приводит в действие пневматические вспомогательные устройства на основе встроенной булевой логики*.

Булева логика* — это форма алгебры, основанная на трех простых словах, известных как логические операторы: «OR», «AND» и «NOT». В основе булевой логики лежит идея о том, что все значения либо истинны, либо ложны.

Созданные текстильные логические модули гибкие и легкие, их можно интегрировать в обычную одежду, они выдерживают десятки тысяч циклов, устойчивы к стирке и небрежному обращению, а также могут последовательно объединяться в цепь для реализации широкого спектра логических функций.

Результаты исследования

Создание текстильного логического элемента

Изображение №1

Комбинируя элементарные логические блоки, которые на базовом уровне являются тканевыми инверторами или «NOT» вентилями, были построены схемы струйной логики. Каждый инвертор, в свою очередь, состоит из пневматического переключателя или реле, соединенного с выходным резистором. Эта архитектура напоминает электронные инверторы семейства p-канальной логики металл-оксид-полупроводник (или PMOS от p-channel metal-oxide-semiconductor).

Инвертор (1B и 1C; видео №1) имеет три пневматических соединения, а именно: порт питания (или впускной), входной порт и выходной порт. Впускной порт получает сжатый воздух при постоянном давлении (P_S) в 50 кПа. Поскольку текстильная логическая платформа использует пневматические сигналы, логические уровни определяются на основе давления воздуха. Высокий логический уровень (или двоичная 1) определяется как давление P в диапазоне 0.8 ≤ P/P_S ≤ 1, а логический низкий уровень (или двоичный 0) — как давление близкое к атмосферному в диапазоне 0 ≤ P/P_S ≤ 0.1.

Демонстрация текстильного инвертора.

Устройства были изготовлены путем термосваривания слоев нейлоновой тафты, покрытой с одной стороны слоем термопластичного полиуретана, который делает ткань непроницаемой и обеспечивает прочную и газонепроницаемую межслойную адгезию.

Ключевым компонентом текстильного инвертора является пневматическое реле (то есть нормально открытый гидравлический клапан), которое изолирует порт подачи от выхода, когда входной порт находится под давлением. Традиционно мягкие клапаны в струйной логике используют одну из двух общих парадигм проектирования, которые ученые называют «пережимной» и «перегибной» конструкциями клапанов.

Пережимные клапаны напрямую используют давление жидкости в линии управления, чтобы деформировать гибкую стенку прилегающего мягкого канала и тем самым ограничить поток в выходной линии. Несмотря на простоту конструкции, эти клапаны обычно влекут за собой перепад давления жидкости между сигналами управления и выходными сигналами, что ограничивает возможность последовательного включения вентилей.

С другой стороны, перегибные клапаны прилагают осевые или поперечные силы, вызывая искривление мягкого канала, создавая перегиб, который перекрывает поток. Этот механизм, основанный на упругой нестабильности, допускает переключение выходного давления, превышающего давление входного сигнала, и обеспечивает резкий и гистерезисный переход клапана.

В результате была создана весьма надежная конструкция клапана, где основной канал потока (который проходит от подачи к выходному порту) размещен между парой надувных мешков, которые соединяются с входным портом (1B); мешочки связаны пневматическими отверстиями, прорезанными в среднем слое, несущем каналы, и они надуваются (или сдуваются) в тандеме, когда вход (давление) становится высоким (или низким).

Верхний и нижний мешочки смещены параллельно каналу и перекрываются на расстояние sL, где L — ширина каждого мешочка. При надувании они создают изгибающий крутящий момент вдоль линий B и C, который складывает средний слой в Z-образную форму, образуя два перегиба в каждой части канала потока (1D).

Максимальный угол изгиба (ϕ) в четырех точках перегиба может быть получен геометрически и определяется выражением sinϕ = x, где x > 0 является решением трансцендентного уравнения:




Изображение №2

Теоретический угол, предсказанный уравнением выше, прекрасно согласуется с экспериментально наблюдаемыми углами перегиба в тестируемых текстильных устройствах (изображение №2).

Для долей перекрытия s < 0.78 (режим I на изображении №2) текстильные слои в области перекрытия испытывают растягивающую нагрузку, когда мешочки находятся под давлением. Когда перекрытие превышает 0.78, уравнение №1 предсказывает углы излома ϕ > 90° (режим II). На практике, однако, сжимающая нагрузка от стенок мешочка вызывает коробление мягкого канала (2Е).

Перекрытие 50 % (s = 0.5) давало надежный перегиб с углом сгиба ϕ = 49° (2А и 2С), что было достаточным для предотвращения прохождения воздуха через канал при давлениях до 100 кПа. Потому было решено разработать все текстильные клапаны со смещением мешочков до 50% перекрытия.

На 1Е показана пневматическая схема текстильного инвертора, содержащая нормально разомкнутое гидравлическое реле (перегибной клапан), соединенное с выходным подтягивающим резистором. А на 1G показан инвертор, функционирующий как струйный вентиль «NOT». С портом включения, установленным на высокий уровень, входной сигнал низкого давления дает выходной сигнал высокого давления, и наоборот. На 1H выходное давление инвертора прослеживается по мере увеличения входного давления от нуля до P_S, а затем обратно до нуля.

Реализация модульной логики и памяти на основе текстиля

Изображение №3

Создав функциональный инвертор на основе текстиля, ученые затем собрали цифровые логические схемы, объединив несколько инверторов в последовательную и параллельную конфигурации. Например, на 3А показан двоичный вентиль NAND (т. е. NOT-AND), построенный с использованием двух текстильных инверторов.

В этой модульной конфигурации инверторы монтируются с помощью застежек-липучек, что позволяет легко снимать и перемещать их, а соединения между ними «соединяются» с помощью гибких полиуретановых трубок.

Один и тот же набор инверторов можно перемонтировать несколькими способами для реализации различных логических функций. В качестве иллюстрации был построен унарный логический буфер и двоичный вентиль NOR(т. е. NOT-OR), реконфигурировав ту же пару инверторов, что и на 3A. Затем были построены двоичные логические элементы «AND» и «OR» за счет добавления третьего инверторного модуля.

В дополнение к комбинационным логическим схемам, описанным выше, были также использованы текстильные логические модули для реализации асинхронной последовательной логики, управляемой вводом. В частности, была построена пневматическая защелка SR (set-reset) из пары инверторов с перекрестной связью (3B).

Защелка имеет два входа с активным высоким уровнем, S и R, которые приводят к высокому или низкому уровню выхода Q соответственно. Когда оба входа неактивны (низкий уровень), состояние выхода сохраняется. Таким образом, одна защелка SR вносит один бит энергозависимой памяти на текстильной основе, способной хранить внутреннее состояние системы.

Во время демонстрации одного из вариантов носимого устройств данная память использовалась для хранения текущего состояния (накачанного или спущенного) вспомогательного пневматического привода (для капюшона) и для переключения его состояния в ответ на действия пользователя.

Реализация взаимодействия с пользователем

Изображение №4

Чтобы текстильные контроллеры могли принимать вводимые пользователем данные, были созданы пневматические кнопочные клапаны (напоминающие электронные переключатели мгновенного действия) путем приклеивания к контроллеру цветных круглых пенопластовых прокладок по входным каналам ткани (4А).

Когда вход клапана подключен к линии подачи воздуха, канал остается открытым благодаря внутреннему давлению газа, и выход клапана обычно высок. Пользователь отправляет сигнал активного низкого уровня на контроллер, нажимая на подушечку пальцем, сужая поток воздуха через канал ниже. А пенорезистор, расположенный после клапана, снижает выходной сигнал. Ослабление давления на подушечку снова открывает канал, а узел кнопки и резистора, таким образом, ведет себя как нормально разомкнутый гидравлический переключатель мгновенного действия (4D).

Чтобы обеспечить управляемую вводом активацию механизма, были использованы пара кнопочных клапанов с цветовой кодировкой для управления входами S и R защелки, используя промежуточный слой инверторов для преобразования выходного сигнала каждой кнопки из активного низкого уровня в активный-высокий (4B).

Таким образом, текстильная система управления объединяет две кнопки, четыре пневматических перегибных клапана и четыре подтягивающих резистора в компактный форм-фактор для легкой интеграции в одежду (4C). Кроме того, внешние трубки между компонентами заменены внутренними каналами, которые проходят между слоями текстиля.

Практическое применение системы

Наконец, чтобы продемонстрировать возможности текстильной логической платформы, ученые создали носимых вспомогательных роботов, интегрировав приведенный выше логический контроллер с двумя пневматическими приводами, а именно: подъемник руки и подъемник капюшона.

И поднятие руки, и одевание/снимание капюшона требуют от человека подъема руки до уровня плеча или выше. Для некоторых людей эта задача либо крайне сложна, либо вовсе невыполнима ввиду нарушений роботы опорно-двигательного аппарата.


Изображение №5

Привод подъема руки состоит из шести надувных мешочков, надежно прикрепленных к одежде пользователя под плечевым суставом. Под давлением мешочки воздействуют на плечо, создавая подъемный момент, который помогает пользователю поднять руку.

Для подъемника воротника были сделаны несколько надувных текстильных воротников. При срабатывании текстильные сильфоны, прикрепленные к петлям воротника, натягивают капюшон на голову пользователя. После этого пара эластичных текстильных «пружин» убирает капюшон в открытое положение, когда давление в приводах сбрасывается.

Чтобы управлять этими приводами в ответ на команды пользователя, их пневматические входы были соединены с Q-выходом текстильного контроллера через промежуточный текстильный инвертор (работающий как вентиль «NOT»). Инвертор пневматически изолирует логическую схему от большой струйной емкости привода, позволяя защелке работать с нормальной скоростью (5А).

Демонстрация работы текстильных вспомогательных приводов.

В заключение своего исследования ученые проверили свои изделия на прочность, проведя тест, имитирующий старение, усталость материала и грубое обращение, ожидаемые при длительной эксплуатации (изображение №6 и видео №4).


Изображение №6

Тест на износ.

Инвертор оставался работоспособным после 20000 циклов срабатывания (6А) при предполагаемом рабочем давлении 50 кПа. При давлении в 100 кПА он выдержал 10000 циклов.

Тест на изгиб (повторяемое складывание; 6B) также не показал никаких деформаций или ухудшения характеристик устройства даже после 1 миллиона циклов (6C). Инвертор оставался работоспособным после 20 циклов машинной стирки (6D). Затем ученые переехали устройство пикапом 5 раз, но и этот грубый тест инвертор выдержал (6E и 6F).

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

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали практическую основу для внедрения струйной логики в двумерный текстильные структуры.

Созданная текстильная логическая платформа поддерживает комбинационные и последовательные логические функции, встроенную память, взаимодействие с пользователем и прямое взаимодействие с пневматическими приводами, сохраняя при этом многие неотъемлемые преимущества текстиля, такие как: комфорт, долговечность, совместимость, низкая стоимость и масштабируемость производства.

Используя свои наработки, ученые создали два простых, но крайне полезных устройства. Одно позволяло человеку поднять руку, а другое могло при нажатии кнопки одеть или снять капюшон с головы человека. Эти действия кажутся весьма простыми, но только если у вас нет никаких проблем с опорно-двигательным аппаратом. В противном случае любые движения, которые превышают ваш диапазон возможностей, становятся практически невыполнимыми.

Именно в этом и заключается основная суть данного исследования — попытка создать удобные и недорогие устройства, которые смогут расширить возможности людей, у которых они ограничены ввиду травм или врожденных дефектов. Если данный труд приведет к созданию хотя бы одного устройства, облегчающего жизнь хотя бы одного человека, это уже будет знаком того, что оно было не зря.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь 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?