니트 기반 변형 가능 구조의 수치 시뮬레이션 방법: 니트모프

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 6630(2022) 이 기사 인용

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형태 변형 동작은 소프트 로봇 공학, 액추에이터 및 센서, 태양 전지, 긴밀한 포장, 유연한 전자 장치 및 생물 의학과 같은 다양한 분야에 응용됩니다. 형상 모핑 구조를 달성하기 위한 가장 일반적인 접근 방식은 형상 기억 합금 또는 하이드로겔을 이용하는 것입니다. 이 두 재료는 다양한 모양을 생성하는 차등 변형을 겪습니다. 이 연구에서 우리는 다양한 소재의 원사로 구성된 2D 니트가 다양한 3차원 형태로 변형되어 전통적인 니트와 형태 변경 구조 사이에 다리를 형성할 수 있다는 새로운 개념을 보여줍니다. 이 개념을 Knitmorphs라고 합니다. 우리의 계산 분석은 열 하중을 받을 때 다양한 재료의 니트 패턴이 안장, 축대칭 컵, 파도가 있는 플레이트와 같은 복잡한 모양으로 변형된다는 것을 보여주는 개념 증명 역할을 합니다. CAD 패키지에서 개발된 평면 및 리브의 2차원 원형 모델을 유한 요소 분석 소프트웨어 Abaqus로 가져온 다음 와이어로 후처리하고 다양한 열 팽창 계수 및 강성의 섬유 재료 특성을 할당합니다. 우리는 또한 해파리와 같은 이동 및 풍력 터빈 블레이드와 유사한 복잡한 구조를 기반으로 하는 로봇을 개발하기 위한 프로그래밍 가능한 니트 개념에 대한 잠재적인 응용을 제안합니다. 이 새로운 개념은 변형 가능한 구조를 고려할 때 새로운 디자인 분야를 소개하기 위한 것입니다.

구조의 기능은 모양과 관련이 있습니다. 형태 모핑의 이점은 변형되지 않은 형태에서 변형된 구조까지 두 가지 특징을 모두 포착하는 것입니다. 모양 모핑은 고정된 모양의 제한을 풀어 필요에 따라 구조 기반 성능을 조정할 수 있도록 해줍니다1. 이러한 동작은 소프트 로봇의 미세 이동, 화물 포획 및 방출2, 유연한 전자 장치3, 생체 의학에서 더 높은 인슐린 수율 및 세포 생존 가능성4과 같은 복잡한 동작에 활용되었습니다. 본 연구에서 우리는 편직물이 열 하중 하에서 복잡한 기하학적 형태로 변형될 수 있다는 것을 계산적으로 보여줍니다. 이는 원사 재료5의 이방성 특성으로 인해 가능하며 열팽창 계수를 기반으로 한 전략적 공간 배열을 통해 복잡한 변형을 설계할 수 있습니다.

모양 모핑에 대한 이전 연구에서는 자극에 대한 대규모 팽창 반응을 겪는 하이드로겔 또는 폴리머 시트5에서 개발된 이중층 구조(그림 1a)로 구성된 접근 방식을 취한 다음 모핑7,8,9을 달성하기 위해 내부 컴플라이언스를 도입하는 이점을 활용하는 연구를 수행했습니다. 10,11.

니트 원단 용어. (a) 자극을 받을 때 이중층 모핑, (b) 우리 작업에 대한 영감. 허가를 받아 재인쇄되었습니다. Copyright Staci, (c) 니트 원단의 웨일 및 코스 방향을 보여주는 도식, (d) Abaqus에 사용되는 실의 중심축, (e) 한쪽 면에 니트 스티치(또는 안뜨기하다 스티치)로만 구성된 플레인 니트, (f) 리브 니트는 니트와 안뜨기하다 스티치가 교대로 배열되어 구성됩니다.

내부 컴플라이언스 변화는 목재 폴리머 복합 이중층과 방향성 열가소성 폴리우레탄 층에서 인쇄된 플랩 사이의 재료 전환을 통해 달성됩니다. 다른 작업에서는 관절 주위를 구부려 가열 시 복잡한 조립을 달성하기 위해 움직이지 않는 관절 및 회전 쌍과 같은 기계적 아키텍처를 활용합니다13. 우리의 작업은 원사 아키텍처의 변화를 통해 컴플라이언스의 공간적 변화라는 최종 목표를 달성합니다. 즉, 이전 연구에서 나타난 디스크 형태의 내부 변화와 유사한 실 직경 및 기하학적 구조의 변화입니다. 더욱이, 본 연구에서 시뮬레이션된 니트 패턴은 단순한 디스크나 쉽게 변형되는 부드럽고 얇은 시트형 재료로 제한되는 평면 형상보다 상대적으로 더 복잡한 터빈 블레이드와 같은 기하학적 형상을 얻습니다5,14.