Utafiti huu unatengeneza kiendeshi laini cha nyumatiki chenye mwelekeo miwili kinachoitwa Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator (Bi-OSPA), ambacho kinaweza kujirefusha na kujifupisha ndani ya chumba kimoja cha hewa. Ingawa viendeshi laini vingi vya mwelekeo miwili huhitaji viendeshi viwili vinavyofanya kazi kinyume au vyumba vingi vya hewa, katika Bi-OSPA mwelekeo wa mwendo hubadilishwa tu kwa kubadili ishara ya shinikizo linalowekwa: katika eneo la kawaida la kufanya kazi la muundo, shinikizo la utupu hurefusha kiendeshi, huku shinikizo chanya likikifupisha. Muundo umehamasishwa na jiometri ya origami ya magic-ball/waterbomb, na lengo ni kwamba sehemu kubwa ya ubadiliko wa umbo itokee kupitia mzunguko kuzunguka mistari ya mikunjo badala ya kunyooshwa kwa ujazo wa nyenzo yenyewe.

Mbinu hii ya kijiometri haikutumiwa tu kuzalisha mwendo, bali pia kutabiri kitabia kiendeshi kwa njia ya uchanganuzi. Watafiti walitazama nyuso bapa kama karibu ngumu, na mikunjo ya mlima–bonde pamoja na mikunjo ya ndege ya kati kama chemchemi za mzunguko zenye tabia ya mstari; wakatengeneza modeli ya kinematiki inayokokotoa umbo lililoharibika kutoka jiometri ya mwanzo na uhamisho wa mhimili. Kisha mbinu ya kazi dhahania ilitumika kuunganisha nishati elastiki iliyohifadhiwa katika mikunjo na kazi inayofanywa na shinikizo kwenye ujazo wa chumba cha hewa ili kukokotoa nguvu elastiki na nguvu ya kutoka.

Viendeshi vilitengenezwa kimwili kwa elastoma ya thermoplastic ya Shore 83A kwa kutumia uchapishaji wa 3D wa FDM. Ugumu wa mikunjo ulitambuliwa kutokana na jaribio la kubana kwa quasi-static bila kuweka shinikizo; kisha mkunjo wa nguvu elastiki wa uchanganuzi ulilinganishwa na mwitikio wa majaribio wa nguvu–uhamisho. Chanzo kinaripoti RMSE ya 0,14 N kati ya modeli ya uchanganuzi na majaribio, huku nguvu ya juu ya elastiki katika jaribio ikiwa takriban 1,6 N. Hata hivyo, kwa sababu vigezo vya ugumu vilikalibishwa kutoka kwenye mkunjo huo huo wa majaribio, matokeo haya si uthibitishaji kipofu uliofanywa kwenye data huru kabisa.

Bi-OSPA saba zenye jiometri tofauti zilitumiwa kubadilisha mielekeo ya mwanzo \(\phi_0\), pembe za kilele \(\alpha_0\), na radius ya ndani \(r_0\); kisha urefu, ufupisho na nguvu ya isometriki zilipimwa chini ya utupu na shinikizo chanya. Matokeo yalionyesha kuwa jiometri haibadilishi tu kiasi cha mwendo bali pia uzalishaji wa nguvu kwa kiwango kikubwa. Kwa nguvu ya isometriki, kigezo chenye ushawishi mkubwa zaidi kilikuwa \(\alpha_0\), kikifuatiwa na \(r_0\) na \(\phi_0\). Kwa ukubwa sawa wa shinikizo kwa thamani kamili, nguvu ya kusukuma iliyopatikana chini ya utupu kwa ujumla ilikuwa kubwa kuliko nguvu ya kuvuta iliyopatikana chini ya shinikizo chanya.

Katika jaribio la awali la uimara, kiendeshi kipya chenye jiometri ya \(\phi_0=55^\circ\), \(\alpha_0=45^\circ\) na \(r_0=7\) mm kiliendeshwa kwa mizunguko 1000 chini ya +60 kPa. Nguvu ya wastani ya kilele ilikuwa 4,20 ± 0,03 N katika mizunguko 50 ya kwanza na 4,04 ± 0,01 N katika mizunguko 50 ya mwisho; uhifadhi wa nguvu ulikuwa %96,3. Hii inaonyesha kuwa sehemu kubwa ya utendaji ilidumishwa kwa mizunguko 1000, lakini haipaswi kutafsiriwa kama maisha ya muda mrefu ya kiendeshi.

Watafiti pia waliunganisha Bi-OSPA kwa mfululizo na kitengo cha nyumatiki kinachotegemea origami ya Kresling, wakafidia ufupisho wa mhimili wa muundo wa Kresling chini ya utupu kwa urefushaji wa Bi-OSPA, na hivyo kupata mwendo unaokaribia msokoto safi. Mfumo huo ulitumiwa kimwili kuzungusha kifuniko cha chupa. Katika onyesho la pili, Bi-OSPA moja ilitoa flexion kwa shinikizo chanya na extension kwa utupu katika kidole cha roboti chenye kiwango kimoja cha uhuru. Matumizi haya ni maonyesho ya kazi ya kimitambo; si majaribio ya prosthesis ya kliniki, urekebishaji wa kitabibu, au majaribio kwa binadamu.

Tathmini kwa mtazamo wa Uturuki: Utafiti huu unaweza kutoa mbinu ya usanifu inayoweza kutumika moja kwa moja kwa timu za utafiti nchini Uturuki zinazofanya kazi katika robotiki laini, vishikio vya roboti, mifumo ya mwingiliano wa binadamu–roboti yenye ugumu mdogo, misuli bandia ya nyumatiki na mekatroniki iliyochapishwa kwa 3D. Hasa, uwezo wa kurekebisha jiometri kabla ya uchapishaji kulingana na malengo ya nguvu na uhamisho ni wa thamani katika uzalishaji. Hata hivyo, matokeo ya sasa yanahusu prototipu za kiwango cha maabara; kuna utofauti unaoonekana kati ya chapa, hakuna modeli ya mienendo, na ujumuishaji wa sensa kwa udhibiti sahihi wa nafasi wa kitanzi kilichofungwa bado haujatekelezwa.

Tatizo kuu ambalo utafiti unalenga kutatua ni lipi?

Faida kuu ya viendeshi laini vya nyumatiki ni uwezo wao wa kutoa mwingiliano wa kimitambo unaolingana zaidi, mwepesi na salama kuliko mifumo migumu ya mota ya umeme–gia. Hata hivyo, si rahisi kwa kiendeshi kimoja laini cha nyumatiki kuzalisha mwendo wa mbele na nyuma kwenye mhimili mmoja.

Suluhisho mojawapo linalotumika sana ni kutumia viendeshi viwili tofauti kwa mpangilio wa kinyume: kimoja huzalisha mwendo upande mmoja na kingine huzalisha mwendo upande wa pili. Katika miundo mingine hutumiwa vyumba viwili au zaidi vya hewa ndani ya mwili mmoja, na mwelekeo wa mwendo hubadilishwa kwa kuweka shinikizo kwenye vyumba tofauti kwa zamu.

Ingawa mbinu hizi hufanya kazi, zinaweza kuongeza ugumu wa njia za hewa, vali, udhibiti na muundo wa kimitambo. Suluhisho linalolengwa na utafiti ni kupata mwendo wa pande mbili katika chumba kimoja cha hewa kwa kubadilisha tu ishara ya shinikizo, huku pia ikiwezekana kutabiri mwendo huo kwa uchanganuzi kutoka kwenye jiometri.

Jiometri ya origami ya Bi-OSPA inatoka wapi?

Muundo wa Bi-OSPA umehamasishwa na mwendo wa origami ya magic-ball. Muundo wa magic-ball unatokana na mpangilio wa mikunjo ya origami ya waterbomb. Watafiti walipanua kitengo cha kawaida cha waterbomb chenye mistari sita ya mikunjo kuwa muundo wenye mistari 16 ya mikunjo, kisha wakaakisi nusu ya juu iliyopatikana dhidi ya ndege ya msingi na kuiunganisha na nusu ya chini.

Kielelezo 1 cha utafiti kinaonyesha kwa picha mabadiliko haya kutoka modeli ya origami ya karatasi hadi mpangilio wa mikunjo, jiometri ya CAD na hatimaye kiendeshi cha nyumatiki. Paneli ya mwisho ya kielelezo hicho pia hutenganisha wazi mwitikio wa msingi wa mekanizimu kwa shinikizo:

• \(P=0\): jiometri ya upande wowote,
• \(P<0\): urefushaji chini ya utupu,
• \(P>0\): ufupishaji chini ya shinikizo chanya.

Vigezo vya msingi vya jiometri ni vipi?

Mwendo wa kiendeshi umechunguzwa kupitia vigezo vitatu vikuu huru vya usanifu:

• \(\alpha\): pembe ya kilele ya sehemu ya pembetatu,
• \(\phi\): pembe ya kijiometri ya uso/mwinuko wa origami,
• \(r\): radius ya duara la ndani.

Zaidi ya hayo, \(R\) ni radius ya nje, \(h\) ni urefu wa kiendeshi, \(b\) ni urefu wa sehemu ya pembetatu, \(L\) na \(L'\) ni urefu wa mbavu za piramidi, na \(\theta\) ni pembe kati ya \(L\) na \(h\). \(\beta\), inayobainisha idadi ya pembetatu, imewekwa kuwa thamani ya kudumu katika usanifu huu:

\[ \beta=45^\circ \]

na imetumiwa hivyo.

Kwa nini modeli haitumii moja kwa moja milinganyo ya kawaida ya nyenzo ya TPE?

Tabia ya elastoma laini kwa kawaida ni changamano kwa sababu ya deformations kubwa, viscoelasticity na hyperelasticity. Watafiti wanaitazama jiometri ya Bi-OSPA kwa namna inayopunguza changamoto hii. Dhana kuu ni mekanizimu ya rigid-foldable, ambapo nyuso hubaki karibu ngumu na deformation kuu hujilimbikiza kwenye mistari ya mikunjo.

Kwa hiyo, modeli ya uchanganuzi haitumii moja kwa moja moduli ya Young, uwiano wa Poisson au coefficients za hyperelastic za TPE. Badala yake, familia tatu tofauti za mikunjo zinawakilishwa kama chemchemi za mzunguko zenye tabia ya mstari:

• mikunjo ya mlima: \(K_m\),
• mikunjo ya bonde: \(K_v\),
• mikunjo ya ndege ya kati: \(K_q\).

Nishati elastiki iliyohifadhiwa katika mikunjo inamodeliwaje?

Chanzo kinatoa nishati jumla ya potenshali elastiki kama:

\[ U= \frac{1}{2} \left[ n_mK_m(\gamma_m-\gamma_{m0})^2+ n_vK_v(\gamma_v-\gamma_{v0})^2+ n_qK_q(\gamma_q-\gamma_{q0})^2 \right] \]

kwa namna hii.

\(\gamma_m\), \(\gamma_v\) na \(\gamma_q\) zinawakilisha kwa mtiririko pembe za mikunjo ya mlima, bonde na ndege ya kati; kiashiria kidogo 0 kinawakilisha pembe za awali; na \(n_m\), \(n_v\) pamoja na \(n_q\) ni idadi ya mistari ya mikunjo ya aina husika.

Katika jaribio la utambuzi wa vigezo:

\[ n_m=n_v=n_q=16 \]

ilitumika.

Jiometri mpya hupatikanaje kiendeshi kinapodeformika?

Watafiti huingiza vigezo vya mwanzo \((\alpha_0,\phi_0,r_0)\) pamoja na uhamisho wa mhimili \(\Delta h\) kwenye modeli. Kutokana na dhana ya rigid-foldability, urefu wa mbavu \(L\) na \(b\) huchukuliwa kuwa wa kudumu wakati wa deformation.

Vizuizi hivi viwili vya kijiometri hutatuliwa pamoja na mlinganyo wa tatu unaotokana na uhamisho wa mhimili. Milinganyo mitatu isiyo ya mstari hutatuliwa kwa lsqnonlin, kisuluhishi cha least-squares kisicho cha mstari chenye mipaka ndani ya MATLAB R2023b, na kutoa thamani mpya za:

\[ (\alpha,\phi,r) \]

Jiometri hii kisha hutumiwa kukokotoa pembe za mikunjo na kuingiza taarifa kwenye modeli ya nguvu.

Uhusiano wa kijiometri wa urefu wa kiendeshi

Chanzo kinafafanua urefu kama:

\[ h= 2r\tan(\phi) \sin\left(\frac{\beta}{2}\right) \left[ \cot\left(\frac{\beta}{2}\right) + \cot\left(\frac{\alpha}{2}\right) \right] \]

Uhusiano huu unaonyesha kwamba urefu wa mhimili wa kiendeshi unatokana moja kwa moja na jiometri ya \(r\), \(\phi\), \(\alpha\) na \(\beta\) ya kudumu.

Nguvu elastiki hupatikanaje kwa kazi dhahania?

Chanzo kinafafanua nguvu elastiki ya mhimili kama:

\[ F_e= \frac{\partial U}{\partial h} \]

kwa namna hii.

Kisha sheria ya mnyororo inatolewa kama:

\[ F_e= \frac{\partial U}{\partial\alpha} \frac{\partial\alpha}{\partial h} + \frac{\partial U}{\partial\phi} \frac{\partial\phi}{\partial h} \]

Mbinu hii ya kimitambo inaonyesha jinsi nishati iliyohifadhiwa katika chemchemi za mzunguko inavyobadilishwa kuwa nguvu ya mhimili kadiri pembe za mikunjo zinavyobadilika.

Mpito kutoka shinikizo hadi nguvu ya kutoka unamodeliwaje?

Kwa chumba cha hewa cha kiendeshi, chanzo kinatumia uhusiano wa ujazo:

\[ V= \frac{4\pi}{3\beta} r^3 \sin^3\left(\frac{\beta}{2}\right) \tan(\phi) \left[ \cot\left(\frac{\beta}{2}\right) + \cot\left(\frac{\alpha}{2}\right) \right]^2 \]

kwa namna hii.

Kazi ya kutoka chini ya shinikizo inafafanuliwa katika Mlinganyo (5) kama:

\[ W_{out}=P(V-V_0)-U \]

Hapa \(P\) ni shinikizo la gauge, \(V_0\) ni ujazo wa awali, na \(V\) ni ujazo wa chumba cha hewa baada ya deformation.

Kutokuwiana kwa Milinganyo (5)–(7) katika chanzo

Chanzo kinatoa Mlinganyo (7) kama ulivyo:

\[ F_{out} = \frac{\partial W_{out}}{\partial h} - F_e = P\frac{\partial V}{\partial h} - F_e \]

kwa namna hiyo.

Hata hivyo, kwa kuzingatia pamoja ufafanuzi wa awali kwamba \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) na \(F_e=\partial U/\partial h\), usemi \(\partial W_{out}/\partial h\) tayari unajumuisha derivative ya nishati elastiki. Kwa hiyo, “\(-F_e\)” ya ziada katika usawa wa kwanza wa Mlinganyo (7) na usemi upande wa kulia haviwezi kuonekana kuwiana kwa wakati mmoja kialjebra. Katika maudhui haya ya Verianla, mlinganyo wa chanzo haujabadilishwa; kutokuwiana kumeonyeshwa wazi.

Ni athari zipi zimeachwa nje ya modeli ya uchanganuzi?

Hasara za nishati zimepuuzwa katika modeli ya kazi ya shinikizo. Sehemu ya matokeo pia inasisitiza kuwa modeli ni ya quasi-static. Kwa hiyo, modeli haijumuishi athari zifuatazo:

• mwitikio wa mpito kwa muda wa kiendeshi,
• deformation inayotegemea kasi,
• hysteresis ya viscoelastic,
• mienendo ya mtiririko wa nyumatiki,
• hasara kutokana na uvujaji,
• mwendo wa masafa ya juu,
• mvutano wa eneo la uso na usambazaji wa kina wa strain katika nyenzo.

Watafiti wanaeleza kwamba lengo lao lilikuwa kupata utabiri wa haraka wa uchanganuzi badala ya FEM.

Bi-OSPA ilitengenezwaje?

Jiometri ilibuniwa katika Autodesk Fusion 360, ikahamishwa kama STL na kuandaliwa kwa PrusaSlicer 2.8.1. Viendeshi halisi vilichapishwa kwenye Prusa MK4S kwa kutumia mbinu ya Fused Deposition Modeling.

TPE 83A ilichaguliwa na waandishi kama maelewano kati ya unyumbufu na uwezo wa kuchapisha kwa kuaminika jiometri changamano ya origami yenye kuta nyembamba.

Mpangilio wa majaribio ulikuwaje?

Mfumo wa nyumatiki ulitumia pampu ya LY370DPM35 DC, motor driver, Arduino Uno na sensa ya shinikizo ya Panasonic ADP5100. Arduino ilidhibiti voltage ya kuingiza kwenye mota ya pampu na kupokea vipimo kutoka kwenye sensa ya shinikizo.

Kielelezo 3 cha utafiti kinaonyesha usanidi halisi wa maabara, kifaa cha kupima nguvu cha Mecmesin na kishikio maalum kilichotengenezwa kudumisha mgusano kati ya kiendeshi na load cell wakati wa kufupishwa chini ya shinikizo chanya.

Urefushaji na ufupishaji vilipimwaje?

Viendeshi vilirekodiwa kwa video katika viwango tofauti vya shinikizo, na mwendo wa ncha ulifuatiliwa kwa programu ya Tracker 6.2.0. Kila kipimo kilirudiwa mara tatu, na wastani pamoja na standard deviation viliripotiwa.

Katika majaribio ya jiometri, kwa urefushaji na ufupishaji zilitumika:

• utupu: −60 hadi −15 kPa,
• shinikizo chanya: +15 hadi +60 kPa,
• hatua ya shinikizo: 5 kPa

kwa vipimo hivyo.

Nguvu ya isometriki ilipimwaje?

Load cell kwenye mashine ya majaribio ya Mecmesin iliwekwa ikigusa ncha ya kiendeshi, na nguvu iliyozalishwa chini ya shinikizo lililowekwa ilipimwa bila kuruhusu kiendeshi kusogea.

Masafa ya shinikizo katika majaribio ya nguvu yalikuwa:

• utupu: −60 hadi −10 kPa,
• shinikizo chanya: +10 hadi +60 kPa,
• hatua ya shinikizo: 5 kPa

Kila kipimo kilirudiwa mara tatu.

Ugumu wa mikunjo uliamuliwaje?

Bi-OSPA bila shinikizo ilibanwa kwa quasi-static kwa kasi ya 1 mm/s katika kifaa cha Mecmesin, na mwitikio wa nguvu ukachukuliwa kama wastani wa mizunguko miwili ya kupakia.

Pointi tatu za uhamisho–nguvu zilichaguliwa kutoka kwenye mkunjo wa majaribio, jiometri iliyoharibika katika kila pointi ikakokotolewa kwa modeli ya kinematiki, na milinganyo mitatu ikatatuliwa kwa ugumu tatu usiojulikana wa mikunjo. Mchanganyiko tofauti wa pointi ulijaribiwa na seti ya vigezo iliyotoa ulinganifu bora zaidi na mkunjo wote wa majaribio ikachaguliwa.

Thamani zilizobainishwa:

Modeli ya uchanganuzi ililingana kwa kiwango gani na majaribio?

Katika Kielelezo 4, nguvu elastiki ya uchanganuzi inalinganishwa na nguvu ya kubana ya majaribio katika eneo la uhamisho la takriban 0–6 mm. Mikunjo hiyo miwili si sawa kabisa; kuna tofauti inayoonekana hasa katika uhamisho mdogo na wa kati, huku mikunjo ikikaribiana katika uhamisho mkubwa zaidi.

Chanzo kinaripoti kwa eneo lote:

RMSE = 0,14 N

na takriban:

nguvu ya juu ya majaribio ≈ 1,6 N

kama matokeo hayo.

Ulinganisho huu ni muhimu kwa sababu unatokana na kipimo halisi cha majaribio. Hata hivyo, kwa kuwa ugumu wa mikunjo ulitambuliwa kutoka kwenye mkunjo huo huo wa majaribio na thamani zilizoleta ulinganifu bora kwa ujumla zikachaguliwa, RMSE haikupatikana kwenye data huru kabisa ya uthibitishaji.

\(\phi_0\) ilibadilishaje urefushaji na ufupishaji?

Viendeshi vya \(\phi_0=35^\circ\), \(45^\circ\) na \(55^\circ\) vililinganishwa, huku \(r_0=7\) mm na \(\alpha_0=45^\circ\) zikiwa zimedumishwa.

Modeli ya kijiometri inatabiri kwamba \(\phi_0\) ndogo italeta urefushaji na ufupishaji mkubwa zaidi. Mwelekeo huu ulionekana katika sampuli za 45° na 55°, lakini haukuendelea kwa mpangilio ule ule katika safu yote ya shinikizo kwa sampuli ya 35°. Watafiti wanahusisha hali hii na kasoro za kimuundo zinazotokana na uchapishaji katika sampuli hiyo.

\(\alpha_0\) iliathirije mwendo?

Viendeshi vya \(\alpha_0=35^\circ\), \(45^\circ\) na \(55^\circ\) vililinganishwa, huku \(r_0=7\) mm na \(\phi_0=45^\circ\) zikiwa zimedumishwa.

Chini ya shinikizo chanya, ufupishaji uliosawazishwa uliongezeka kadiri \(\alpha_0\) ilivyopungua. Chini ya utupu, miundo ya 35° na 45° ilikuwa karibu sawa na ilitoa urefushaji mkubwa kuliko muundo wa 55°.

Sampuli ya \(\alpha_0=55^\circ\) ilionyesha deformation kupita kiasi katika −40 kPa na viwango vikubwa zaidi vya utupu. Chanzo kinafafanua “deformation kupita kiasi” kama hali ambapo mikunjo hupinda ndani kwa ndani badala ya kuzunguka mhimili uliokusudiwa. Katika eneo hili, dhana ya chemchemi ya mzunguko yenye tabia ya mstari hupoteza uhalali wake.

Radius ya ndani \(r_0\) ilibadilishaje mwendo?

Sampuli za \(r_0=5\), 7 na 9 mm zililinganishwa, huku \(\phi_0=\alpha_0=45^\circ\) zikiwa zimedumishwa.

Mwelekeo wa jumla ni kwamba kadiri radius inavyoongezeka, urefushaji na ufupishaji uliosawazishwa huongezeka. Hata hivyo, katika kiendeshi cha \(r_0=9\) mm, deformation kupita kiasi ilitokea katika viwango vya utupu vyenye ukubwa zaidi ya −20 kPa.

Ni vigezo gani vya kijiometri vina athari kubwa zaidi kwa mwendo?

Kulingana na tafsiri ya majaribio ya utafiti:

• ufupishaji huathiriwa zaidi na \(\alpha_0\) na \(r_0\);
• urefushaji huathiriwa zaidi na \(\phi_0\), na kwa kiwango kidogo na \(r_0\).

Matokeo haya yanaonyesha kwamba hakuna “jiometri bora” moja; jiometri inapaswa kuchaguliwa kwa pamoja kulingana na nguvu na mwelekeo wa mwendo unaolengwa.

Kwa nini \(\phi_0=30^\circ\) ni hali muhimu?

Katika chanzo, sharti la kijiometri linalobainisha mwelekeo wa mwendo linaunganishwa na uhusiano kati ya \(2\phi_0\) na \(\theta_0\).

\[ 2\phi_0>\theta_0 \]

linapotimizwa, kiendeshi hurefuka chini ya utupu.

\[ 2\phi_0<\theta_0 \]

linapotimizwa, ufupishaji chini ya utupu unaweza kutokea.

Kulingana na chanzo, karibu na \(\phi_0=30^\circ\):

\[ 2\phi_0=\theta_0 \]

hali muhimu ilitokea, na kiendeshi kikaonyesha kwa majaribio urefushaji na ufupishaji kwa njia isiyotabirika. Kwa hiyo, kufanya kazi kwa pande mbili hakupaswi kujumlishwa kwa jiometri zote zinazowezekana kama “utupu = urefushaji”.

Jiometri iliathirije nguvu ya isometriki?

Katika majaribio, nguvu ya isometriki chini ya utupu na shinikizo chanya iliongezeka kadiri \(\phi_0\) ilivyoongezeka.

Kwa upande mwingine, nguvu ilipungua kadiri \(\alpha_0\) ilivyoongezeka. Chanzo kinaonyesha kwamba katika kiendeshi cha \(\alpha_0=35^\circ\), mwelekeo wa kawaida huvurugika katika viwango vya utupu vyenye ukubwa zaidi ya −50 kPa kwa sababu ya deformation kupita kiasi.

Kuongeza \(r_0\) kutoka 5 mm hadi 7 mm kuliongeza nguvu katika shinikizo zote. Kwa sababu sampuli ya 9 mm iliingia kwenye deformation ya ndani chini ya utupu, ongezeko lililotarajiwa halikudumishwa katika viwango vya juu vya utupu; hata hivyo, mwelekeo wa ongezeko uliendelea kwa nguvu za kuvuta chini ya shinikizo chanya.

Ni kigezo gani cha usanifu kina ushawishi mkubwa zaidi kwa nguvu?

Kulingana na uchanganuzi wa vigezo wa watafiti, ukubwa wa ushawishi kwa nguvu ya isometriki ulikuwa kwa mpangilio:

1. \(\alpha_0\),
2. \(r_0\),
3. \(\phi_0\)

kwa utaratibu huo.

Zaidi ya hayo, kwa ukubwa sawa wa shinikizo, nguvu ya kusukuma chini ya utupu kwa ujumla ilionekana kuwa kubwa kuliko nguvu ya kuvuta chini ya shinikizo chanya.

Jaribio la uimara la mizunguko 1000 lilionyesha nini?

Kwa jaribio la uimara, Bi-OSPA mpya tofauti na sampuli zilizotumiwa katika majaribio ya vigezo kuu ilitengenezwa:

• \(\phi_0=55^\circ\),
• \(\alpha_0=45^\circ\),
• \(r_0=7\) mm,
• shinikizo = +60 kPa.

Kiendeshi kiliendeshwa kwa mizunguko 1000 ya kurudia.

Profaili za nguvu–muda za mizunguko mitano ya kwanza na ya mwisho pia zinaonyesha kwamba umbo la jumla lilihifadhiwa kwa kiasi kikubwa. Hata hivyo, waandishi wanasema wazi kuwa jaribio hili si kipimo cha maisha ya muda mrefu.

Kwa nini uimara ulijaribiwa chini ya shinikizo chanya pekee?

Watafiti waliona hali ya +60 kPa kuwa mazingira yenye mzigo mkali zaidi kwa muundo. Chini ya shinikizo chanya, kuvimba kwa chumba kunaweza kuhusishwa na hatari za kimitambo kama kutengana au kupasuka kwa viendeshi laini, ilhali mwendo wa utupu hutegemea kuporomoka kwa chumba kuelekea ndani.

Uchaguzi huu hutoa data ya awali kuhusu uimara chini ya shinikizo chanya; si uthibitisho wa moja kwa moja wa maisha sawa ya mizunguko chini ya utupu.

Chapa tatu ambazo kimsingi zilikuwa sawa zilifanana kwa kiasi gani?

Ili kutathmini urudiwaji wa uzalishaji:

\[ \phi_0=45^\circ,\qquad \alpha_0=45^\circ,\qquad r_0=7\text{ mm} \]

viendeshi vitatu vyenye jiometri hiyo vilichapishwa kwa mipangilio ile ile na kila kimoja kikajaribiwa kwa mizunguko 10 chini ya ±60 kPa.

Kwa kutathmini sampuli zote tatu pamoja, chanzo kinaripoti:

• ufupishaji wa wastani: −2,36 ± 0,63 mm,
• urefushaji wa wastani: 2,07 ± 0,29 mm

Tofauti hizi zinaonyesha kwamba mchakato wa uzalishaji wa FDM bado haujarudiwa kikamilifu. Waandishi wanaeleza kuwa vigezo vya uchapishaji na utaratibu wa uzalishaji vinahitaji kuboreshwa katika kazi zijazo.

Bi-OSPA ilitumiwaje kuzalisha msokoto safi?

Viendeshi vya utupu vinavyotegemea origami ya Kresling kwa kawaida huzalisha ufupishaji wa mhimili pamoja na msokoto. Mwendo huu uliounganishwa unaweza kuwa tatizo katika matumizi yanayotaka mzunguko pekee.

Watafiti walijaribu kitengo cha Kresling katika −40 kPa, wakabainisha kiasi cha ufupishaji, na wakachagua Bi-OSPA inayorefuka kwa kiasi kinachokaribia hicho. Viendeshi viwili vilipounganishwa kwa mfululizo, ufupishaji wa mhimili wa Kresling ulifidiwa na urefushaji wa Bi-OSPA, huku mwendo wa msokoto ukihifadhiwa.

Katika onyesho la kimwili, kiendeshi hiki kilichounganishwa kilizungusha kifuniko cha chupa. Jaribio hili linaonyesha mfano wa kazi wa msokoto safi, lakini si kipimo cha uwezo wa torque wa viwandani au utendaji wa muda mrefu wa mkusanyiko huo.

Onyesho la kidole cha roboti lilionyesha nini?

Mekanizimu ya kidole yenye kiwango kimoja cha uhuru, iliyoundwa kwa viungo viwili vigumu na bawaba moja, iliunganishwa na Bi-OSPA kwa kiunganishi cha kimitambo.

Mwendo kulingana na mwelekeo wa shinikizo ulikuwa:

• shinikizo chanya: flexion ya kidole,
• utupu: extension ya kidole

kwa namna hiyo.

Kielelezo 10 kinaonyesha nafasi ya mwanzo, mwelekeo miwili ya mwendo na uhusiano wa pembe ya kidole–shinikizo kwa muda. Jaribio hili linaonyesha kuwa kiendeshi kimoja laini kinaweza kutoa kazi ya kimitambo ya pande mbili inayofanana na misuli; si ushahidi wa utendaji kwenye kidole cha binadamu, prosthesis au matibabu ya urekebishaji.

Kwa nini udhibiti wa nafasi wa kitanzi wazi kwa shinikizo pekee unaweza usitoshe?

Sehemu ya matokeo ya utafiti inaeleza kuwa tofauti kati ya modeli ya uchanganuzi na majaribio inaonyesha kwamba udhibiti sahihi wa nafasi kwa kutumia kipimo cha shinikizo pekee huenda usiwe wa kuaminika.

Katika mfumo halisi, mambo yafuatayo yanaweza kusababisha tofauti kutoka kwa modeli:

• utofauti wa uzalishaji,
• hysteresis ya nyenzo,
• uvujaji wa hewa,
• buckling ya ndani,
• toleransi za kijiometri,
• makosa ya modeli.

Watafiti wanapendekeza katika siku zijazo kutumia sensa zinazopima moja kwa moja nafasi au deformation ya kiendeshi pamoja na feedback ya kitanzi kilichofungwa. Sensa za sumaku zimetajwa kama mojawapo ya mbinu zinazowezekana.

Hitimisho zinazoungwa mkono na utafiti

• Bi-OSPA ya chumba kimoja cha hewa iliyoongozwa na origami iliweza kuzalisha mwendo wa mhimili wa pande mbili katika prototipu halisi kwa kutumia shinikizo chanya na hasi.
• Katika eneo la kawaida la muundo, utupu ulisababisha urefushaji na shinikizo chanya likasababisha ufupishaji.
• Mbinu ya rigid-foldability na chemchemi ya mzunguko yenye tabia ya mstari iliweza kuwakilisha mwelekeo mkuu wa tabia ya nguvu elastiki ya majaribio.
• Modeli ya uchanganuzi ya nguvu elastiki iliyokalibishwa ililingana na mkunjo wa majaribio kwa RMSE ya 0,14 N.
• Kubadilisha \(\alpha_0\), \(\phi_0\) na \(r_0\) kulibadilisha kwa mpangilio urefushaji, ufupishaji na nguvu ya isometriki.
• Athari kubwa zaidi ya kijiometri kwa nguvu ya isometriki ilitokana na \(\alpha_0\).
• Kwa ukubwa sawa wa shinikizo kwa thamani kamili, nguvu ya kusukuma ya utupu kwa ujumla ilikuwa kubwa kuliko nguvu ya kuvuta ya shinikizo chanya.
• Baada ya mizunguko 1000 chini ya +60 kPa, %96,3 ya nguvu ya kilele ilihifadhiwa.
• Utofauti unaopimika wa uzalishaji ulionekana kati ya chapa tatu zenye jiometri sawa.
• Mwendo wa mhimili wa muundo wa Kresling ulisawazishwa na Bi-OSPA ili kupata mwendo unaokaribia msokoto safi.
• Bi-OSPA moja iliweza kutoa flexion na extension katika kidole cha roboti cha 1-DoF.

Hitimisho ambazo utafiti haujathibitisha au bado haujaonyesha

• Maisha ya muda mrefu ya huduma ya viwandani ya Bi-OSPA hayajabainishwa.
• Matokeo ya mizunguko 1000 hayamaanishi uimara wa mamilioni ya mizunguko.
• Jaribio sawa la uimara wa mizunguko 1000 chini ya utupu halikufanywa.
• Modeli haijathibitishwa kwa actuations za kasi kubwa au za mienendo.
• Hasara za nishati na hysteresis ya viscoelastic hazijajumuishwa katika modeli ya uchanganuzi.
• Haijaonyeshwa kwamba ugumu wa mikunjo unaweza kuhamishwa kwa jiometri zote za Bi-OSPA.
• Haijaonyeshwa kwamba udhibiti wa kitanzi wazi kutoka shinikizo hadi nafasi unaweza kutoa usahihi wa juu.
• Udhibiti wa nafasi wa kitanzi kilichofungwa haukutekelezwa katika utafiti huu.
• Urudiwaji wa uzalishaji haujathibitishwa kwa sampuli kubwa ya uzalishaji wa mfululizo zaidi ya sampuli tatu.
• Katika eneo la deformation kupita kiasi na buckling ya ndani, modeli ya rigid-foldable si halali.
• Onyesho la kidole cha roboti si uthibitisho wa mafanikio ya prosthesis au urekebishaji wa kliniki kwa binadamu.
• Onyesho la msokoto safi si tabia kamili ya torque, ufanisi au utendaji wa muda mrefu.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mtiririko wa majaribio na uchanganuzi wa utafiti

Masharti ya msingi ya majaribio

Majaribio ya vigezo vya kijiometri

Kwa sababu usanidi wa pamoja wa 45°–45°–7 mm ulirudiwa katika vikundi vitatu vya majaribio, utafiti wa vigezo ulifanywa kwa jumla ya jiometri saba tofauti za Bi-OSPA.

Ugumu wa mikunjo uliotambuliwa kwa modeli ya nguvu elastiki

Thamani hizi si constants huru na za ulimwengu za TPE; ni ugumu wenye ufanisi wa mikunjo wa muundo maalum wa Bi-OSPA uliopimwa.

Matokeo ya awali ya uimara wa mizunguko 1000

Chanzo kinaripoti mabadiliko haya kama uhifadhi wa nguvu wa %96,3, au kwa maneno mengine upungufu wa %3,7. Jaribio linahusu mizunguko 1000 pekee na usanidi mmoja wa shinikizo chanya.

Urudiwaji wa uzalishaji

Ingawa sampuli zilikuwa na jiometri ile ile ya CAD na mipangilio ile ile ya uchapishaji, tofauti kubwa kati ya sampuli ilionekana hasa katika kiasi cha ufupishaji. Matokeo haya yanaunga mkono umuhimu wa feedback ya kitanzi kilichofungwa na utaratibu wa uzalishaji unaorudiwa kwa uthabiti zaidi.

Kutenganisha viwango vya ushahidi

Vikwazo vikuu vya kimetodolojia

• Mfumo wa uchanganuzi unategemea dhana ya quasi-static.
• Hasara za nishati zimepuuzwa katika modeli ya nguvu.
• Hysteresis na tabia ya TPE inayotegemea muda hazijamoduliwa moja kwa moja.
• Ugumu wa mikunjo unahitaji kalibrashi ya majaribio na unapaswa kutambuliwa upya jiometri inapobadilika.
• Data ya majaribio iliyotumika kutathmini ulinganifu wa nguvu elastiki ilitumika pia kuchagua vigezo vya ugumu.
• Kuna kutokuwiana kwa kialjebra kati ya namna zilivyoandikwa Milinganyo (5) na (7).
• Utupu mkubwa kupita kiasi na baadhi ya jiometri zilisababisha buckling ya ndani na kuvunja dhana ya rigid-foldability.
• Utofauti wa mwendo kati ya sampuli ulionekana katika uzalishaji wa FDM.
• Jaribio la mizunguko 1000 si jaribio la maisha ya muda mrefu.
• Uimara chini ya utupu haukujaribiwa kwa itifaki ile ile ya mizunguko.
• Udhibiti wa nafasi wa kitanzi kilichofungwa haukutekelezwa.
• Bandwidth ya mienendo, muda wa mwitikio na utendaji wa masafa ya juu havijaainishwa kwa undani.
• Matumizi ya msokoto safi na kidole cha roboti yako katika kiwango cha onyesho la dhana/kazi.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asilia: Design and Modeling of a Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator

Waandishi: Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Ying Tan, Peter Choong na Denny Oetomo.

Mwandishi wa mawasiliano: Alireza Mohammadi.

Mchango sawa/uandishi mwenza wa kwanza: Hakuna tamko la aina hiyo katika chanzo.

Taasisi:

1. Department of Mechanical Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia.
2. Department of Surgery, St. Vincent’s Hospital Melbourne, The University of Melbourne, Fitzroy, Victoria, Australia.

Jarida: Actuators.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Taarifa ya kibibliografia: Actuators 2026, 15(6), 320.

DOI:10.3390/act15060320

Kiungo rasmi cha uchapishaji:MDPI – Actuators 15(6), 320

Tarehe ya kuchapishwa: 6 Juni 2026. Utafiti uliwasilishwa 28 Aprili 2026, ukarekebishwa 2 Juni 2026 na kukubaliwa 4 Juni 2026.

Aina ya chanzo na hali ya mapitio ya wenzao: Ni makala ya utafiti iliyopitiwa na wenzao na kuchapishwa katika jarida la Actuators. Utafiti unahusisha modeli ya uchanganuzi inayoungwa mkono na utengenezaji wa viendeshi halisi na majaribio ya maabara.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Ufadhili: Mradi ulifadhiliwa na Valma Angliss Trust pamoja na The University of Melbourne.

Kamati ya maadili: Haitumiki.

Ridhaa iliyoarifiwa: Haitumiki.

Upatikanaji wa data: Seti za data zilizoundwa na kuchambuliwa katika utafiti zinapatikana katika sehemu ya Supplementary Materials ya makala. Nyenzo za ziada zinajumuisha seti za data za majaribio/uchanganuzi pamoja na Video S1 inayoonyesha deformation ya Bi-OSPA, msokoto safi na maonyesho ya kidole cha roboti.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kwamba hakuna mgongano wa maslahi, na wameeleza kuwa wafadhili hawakushiriki katika usanifu wa utafiti, ukusanyaji wa data, uchanganuzi, tafsiri, uandishi au uamuzi wa kuchapisha.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana: Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Denny Oetomo na Peter Choong; metodolojia: Alireza Keramati, Alireza Mohammadi na Denny Oetomo; programu: Alireza Keramati; uthibitishaji: Alireza Keramati; uchanganuzi rasmi: Alireza Keramati na Ying Tan; uchunguzi na upangaji wa data: Alireza Keramati; rasilimali: Alireza Mohammadi na Denny Oetomo; rasimu ya kwanza: Alireza Keramati; mapitio/uhariri: Alireza Keramati, Alireza Mohammadi na Denny Oetomo; usimamizi: Alireza Mohammadi, Denny Oetomo, Ying Tan na Peter Choong.

Kikomo cha uthibitishaji wa modeli: Ugumu wa mikunjo ulitambuliwa kwa njia ya kurudia kutoka data ya majaribio ya nguvu elastiki–uhamisho, na seti ya mwisho ya vigezo ikachaguliwa ili kutoa ulinganifu bora zaidi kwa mkunjo mzima. Kwa hiyo, ingawa RMSE ya 0,14 N inategemea ulinganisho halisi wa majaribio, haipaswi kutazamwa kama uthibitishaji kipofu kwenye seti huru ya hold-out.

Kikomo cha ujumlishaji wa modeli: Sehemu ya matokeo ya chanzo inaeleza wazi kwamba constants za ugumu wa mikunjo si za ulimwengu wote. Jiometri au hali ya uzalishaji inapobadilika, kalibrashi mpya ya ugumu wa majaribio inahitajika kwa Bi-OSPA husika.

Kikomo cha modeli ya quasi-static: Modeli ya uchanganuzi haijumuishi athari zinazotegemea muda, mwitikio wa mpito wa actuation au hasara za nishati. Haijaonyeshwa kwamba modeli ya sasa inatosha moja kwa moja kwa tabia ya kasi kubwa/ya mienendo.

Dokezo la kutokuwiana kwa mlinganyo: Katika chanzo Mlinganyo (5) ni \(W_{out}=P(V-V_0)-U\), na mapema \(F_e=\partial U/\partial h\) imefafanuliwa. Mlinganyo (7) umeandikwa kama \(F_{out}=\partial W_{out}/\partial h-F_e=P\partial V/\partial h-F_e\). Kwa kuwa derivative ya moja kwa moja ya Mlinganyo (5) tayari inajumuisha derivative ya nishati elastiki, usawa wa kwanza na wa mwisho wa Mlinganyo (7) hauonekani kuwiana kialjebra chini ya ufafanuzi ule ule. Usemi wa chanzo haujabadilishwa.

Kikomo cha uhalali wa kijiometri: Katika baadhi ya miundo kama \(\alpha_0=55^\circ\) na \(r_0\) kubwa, viwango vya juu vya utupu vilisababisha buckling ya ndani na kufanya dhana ya chemchemi ya mzunguko ya mstari/rigid-foldable isipatikane. Pia, katika eneo muhimu la kijiometri karibu na \(\phi_0=30^\circ\), mwelekeo wa mwendo ulikuwa usiotabirika katika majaribio.

Kikomo cha uimara: Jaribio la mizunguko 1000 lilifanywa kwenye kiendeshi kimoja tu chini ya shinikizo chanya la +60 kPa. Matokeo hayathibitishi maisha ya muda mrefu, uimara wa mizunguko ya utupu au kuaminika kwa uzalishaji wa mfululizo.

Kikomo cha uzalishaji: Tofauti zinazopimika katika urefushaji na hasa ufupishaji zilionekana kati ya chapa tatu za FDM zenye jiometri sawa. Waandishi wanataja kuboresha usahihi wa uzalishaji, kuziba hewa na urudiwaji wa vipimo kama kazi ya baadaye.

Kikomo cha udhibiti: Uhusiano wa shinikizo–deformation pekee hauchukuliwi kuwa wa kutosha kwa udhibiti sahihi wa nafasi wa kitanzi wazi. Waandishi wanapendekeza sensa ya nafasi na udhibiti wa feedback wa kitanzi kilichofungwa kwa matumizi halisi; udhibiti huu haukutekelezwa katika utafiti wa sasa.

Kikomo cha matumizi: Majaribio ya msokoto safi kwa Kresling na kidole cha roboti cha 1-DoF ni maonyesho halisi ya kazi. Si uthibitisho wa ufanisi wa kliniki, usalama wa binadamu au uthibitishaji wa bidhaa ya viwandani.

Mbinu ya kisayansi, milinganyo, masharti ya majaribio, matokeo ya namba na vikwazo katika maudhui haya ya Verianla vinategemea tu utafiti uliopitiwa. Chanzo cha nje kilitumiwa pekee kuthibitisha utambulisho rasmi wa uchapishaji wa makala.