受力学启发的纤维交叉织物驱动器

将不显眼的机械辅助功能融入日常服装，需要能量密度高、柔性好且厚度薄的致动器。本文报道了一种纺织品致动器，其通过将形状记忆合金（SMA）纤维以周期性X-Crossing几何结构交织而成，纤维交叉点沿致动收缩轴排列。这种X-Crossing致动器设计（重4.5克）可被动拉伸至160%，加热时收缩50%，能提起1公斤重物，性能优于针织和打结的SMA致动器。研究人员开发了一种变刚度力学模型，用于预测材料在不同温度下的应力-应变行为，进而预测器件层面的力-收缩关系。该模型可为致动器的设计与控制、几何缩放、力-收缩关系中的峰值点以及收缩应变的理论上限提供指导。所研制的致动器实测最大收缩应变为55%，向通用SMA织物致动器的理论上限迈出了一大步。X-Crossing结构的优势在于所有纤维交叉点近乎平行排列，使每个交叉点产生的力沿收缩轴方向一致，避免了针织或打结结构中交叉点力相互抵消的问题。其工作原理是：未加热时，SMA纤维柔软，致动器可被拉伸；加热后，SMA发生相变，刚度增加，纤维伸直，带动致动器收缩。模型验证表明，该模型能准确预测不同直径（0.25、0.40、0.50毫米）SMA纤维制成的致动器的力-收缩关系。通过模型分析，还揭示了力-收缩曲线中峰值的成因，计算出SMA织物致动器收缩应变的理论上限为77%（当前55%已接近此上限），并指导了致动器几何参数（如有效宽度、纤维密度、直径）的优化。性能测试显示，0.40毫米和0.50毫米直径纤维的致动器收缩应变约55%，功密度约0.24焦/克，平均功率密度约24瓦/公斤（是先前报道的SMA-ESClutch组合织物致动器的5倍左右）。此外，X-Crossing致动器具有良好的柔性和顺应性，能适应不同曲面。应用方面，演示了该致动器在举重和身体压缩上的应用。例如，两层X-Crossing致动器封装在弹性织物中，可带动人体模型肘部弯曲超过30°，表面温度低于45°C，适合直接接触皮肤；在身体压缩应用中，加热后可产生12千帕压力，断电后仍能保持5千帕的残余压力，达到医疗治疗所需水平。未来研究方向包括优化热管理（加快冷却速度、降低功耗）、改进设计以提升性能等。X-Crossing织物致动器在柔性可穿戴机器人、医疗压缩设备等领域具有广阔应用前景。