25 nov 2023 (Nanowerk-schijnwerperSinds het begin van de jaren negentig heeft de zoektocht naar het verbeteren van virtuele, augmented en mixed reality-ervaringen onderzoekers ertoe aangezet te innoveren op het gebied van haptische interfaces. Deze interfaces zijn bedoeld om realistische aanraakfeedback te bieden, een cruciaal onderdeel voor volledig meeslepende digitale omgevingen. Het ontwikkelen van haptische systemen die niet alleen licht en comfortabel zijn, maar ook een reeks tactiele sensaties kunnen overbrengen, is echter een aanzienlijke en voortdurende uitdaging geweest. Recente zachte draagbare apparaten die gebruik maken van legeringen met vormgeheugen, luchtgebaseerde pneumatiek of flexibele elektronica ingekapseld in elastomeren hebben vooruitgang geboekt op het gebied van comfort. Maar deze bestaande benaderingen blijven beperkt in hun vermogen om genuanceerde haptische signalen te leveren die verder gaan dan eenvoudige trillingen. Dit beperkt de reikwijdte van de informatie die ze intuïtief met gebruikers kunnen communiceren. Als gevolg hiervan vormen de huidige haptieken nog steeds een tastbaar knelpunt dat de reikwijdte van virtuele interacties tegenhoudt. Nu hebben onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) een doorbraak gemeld slim textiel die deze beperkingen aanpakt. Hun draagbare haptische auxetische stof (WHAF) combineert uitstekende draagbaarheid met een opmerkelijk vermogen om zowel ruimtelijk als tijdelijk complexe haptische patronen te genereren. De bevindingen zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen (“Eenvoudig te dragen Auxetische SMA-knooparchitectuur voor spatiotemporele en multimodale haptische feedback”).
Schema van het vervaardigen van WHAF en zijn structurele eigenschappen. a) Schematische illustratie van hoe het auxetisch geknoopte SMA-weefsel zich gedraagt wanneer een externe kracht wordt uitgeoefend om de structuur te vervormen en wordt verwarmd om terug te keren naar de vooraf opgeslagen vorm. b) Vormpassend kenmerk van de WHAF, dat een bolbol en een voetbal met een uitgerekte bolvorm bedekt. Schaalbalken: 15 mm (links) en 45 mm (rechts). c) Afbeelding van de auxetisch geknoopte SMA-stof, vervaardigd als een actieve stof, verbonden met passieve stof door eenvoudig naaien. Het vergrote beeld, omlijnd door de rode stippen, laat zien hoe SMA-draden zijn verweven en geknoopt om een mozaïekpatroon van de inspringende eenheid te vormen. Het vergrote beeld, omlijnd door de blauwe stippen, laat zien hoe de randen van de actieve stof aan elkaar worden gestikt met de passieve stof. d) Vergelijking van de stroom binnen blanke SMA-draden en met Parylene gecoate SMA-draden, die beide op één punt fysiek contact hebben. De onderstaande afbeelding laat zien hoe zonegespecificeerde Joule-verwarming resulteert bij het samentrekken van alleen de toegepaste elektrische energiekolommen. e) Schematische illustraties waarin de WHAF wordt getoond die wordt gedragen om zonespecifieke tactiele krachtfeedback te geven, of om als persoonlijke oefeningsadviseur te dienen door kinesthetische feedback te geven. (Herdrukt met toestemming door Wiley-VCH Verlag) Het ongewoon dynamische fysieke gedrag van de WHAF komt voort uit zijn nieuwe metastructuur. De onderzoekers hebben op ingewikkelde wijze draadparen van responsieve vormgeheugenlegeringen met elkaar verweven en geknoopt tot een auxetische roosteropstelling die een inspringende geometrie vertoont. Dankzij deze topologie kan de WHAF volledig uitzetten of samentrekken in drie dimensies – wat een zeldzaam negatief Poisson-ratio-effect vertoont dat niet wordt gezien bij normale stoffen. Auxetische structuren zetten loodrecht uit wanneer ze worden uitgerekt in plaats van dunner te worden, waardoor een uitstekende vervormbaarheid ontstaat.
‘Auxetisch’ verwijst naar een eigenschap van materialen die zich op een contra-intuïtieve manier gedragen wanneer ze worden uitgerekt of samengedrukt. Bij de meeste materialen worden ze, als je ze uit elkaar trekt (uitrekt), dunner in de loodrechte richting, en als je ze samendrukt, zetten ze uit in de loodrechte richting. Dit wordt gekwantificeerd door een eigenschap die de Poisson-ratio wordt genoemd en die positief is voor deze typische materialen.
Bij auxetische materialen is dit gedrag echter omgekeerd. Wanneer u auxetische materialen uitrekt, worden ze dikker in de loodrechte richting, en wanneer u ze comprimeert, worden ze dunner in de loodrechte richting. Dit betekent dat auxetische materialen een negatieve Poisson-verhouding hebben.
Deze ongebruikelijke eigenschap geeft auxetische materialen unieke voordelen, zoals hoge energieabsorptie en breukweerstand, en kan andere eigenschappen zoals schuifstijfheid verbeteren. Vanwege deze kenmerken vinden auxetische materialen toepassingen op een breed scala aan gebieden, waaronder beschermende uitrusting, medische apparatuur, ruimtevaart en, zoals in het geval van het artikel, geavanceerd textiel voor haptische feedback in virtual reality-omgevingen. Hun vermogen om in alle richtingen uit te zetten wanneer ze worden uitgerekt, kan bijzonder nuttig zijn bij het creëren van comfortabelere, aanpasbare en effectieve producten.
Naast het garanderen van uitstekende rekbaarheid, drapeerbaarheid en vormaanpasbaarheid voor een perfecte pasvorm op de huid, verleent de auxetische architectuur van de WHAF hem een opvallend talent. Door gebruik te maken van de onderlinge verbondenheid van de roosters, heeft het team een dunne isolerende microfilm aangebracht om de verwarming van individuele draadverbindingen binnen de knopen afzonderlijk te regelen. Als gevolg hiervan kan spanning selectief gelokaliseerde weefselgebieden aandrijven. Dit realiseert een zone-gespecificeerde bediening die ongekend is voor haptisch textiel, waardoor spatiotemporele stimulatiemogelijkheden ontstaan.
Terwijl eerdere slimme stoffen met vormgeheugenlegeringen alleen een totale uniforme samentrekking konden vertonen, maakt de gesegmenteerde controle van de WHAF ingewikkelde patronen van compressie en ingrijpende drukgolven mogelijk. Gebruikers ervaren deze complexe tactiele sequenties als waarneembare tactiele vormen, texturen en bewegingen. De onderzoekers demonstreerden bijvoorbeeld dat de WHAF richtinggevende signalen communiceert via opeenvolgende knijppulsen rond de onderarm.
Bovendien stemt het moduleren van de spanning de timing en stijfheid van de krachtuitvoer in de geactiveerde gebieden af. Gecombineerd met de uitstekende huidhechting na het dragen, zorgt dit ervoor dat de lichtgewicht WHAF gemakkelijk waarneembare kinesthetische weerstandsfeedback kan geven. De onderzoekers toonden aan dat het dragen van de stof op de gewrichten het buigen van de vingers en het buigen van de armen merkbaar zwaardere bewegingen maakte.
Gebruikerstests hebben de ongeëvenaarde nauwkeurigheid en intuïtiviteit van het uitgebreide haptische vocabulaire van de WHAF aangetoond. Deelnemers identificeerden op betrouwbare wijze navigatieaanwijzingen en ruimtelijke patronen die via de stof werden geleverd. De WHAF maakt dus praktische toepassingen mogelijk, zoals handsfree mobiele navigatie. Ondertussen konden gebruikers in een meeslepende virtuele rover-simulatie met WHAF-haptiek met succes rond obstructief kraterterrein sturen, ondanks verblindend stof dat het zicht belemmerde.
De onderzoekers suggereren dat hun aanpasbare auxetische slimme textiel een veelzijdige doorbraak in de multimodale haptische interface vormt. De ongeëvenaarde draagbaarheid en dynamische activeringscapaciteiten van de WHAF helpen bij het oplossen van belangrijke beperkingen in stoffen en huiden voor interactieve virtuele realiteiten. Het overbrengen van genuanceerde tastsensaties via gemakkelijk te begrijpen modaliteitsoverstijgende signalen zou de intuïtiviteit en manoeuvreerbaarheid bij het verkennen van digitale ruimtes enorm kunnen vergroten.
Schema van het vervaardigen van WHAF en zijn structurele eigenschappen. a) Schematische illustratie van hoe het auxetisch geknoopte SMA-weefsel zich gedraagt wanneer een externe kracht wordt uitgeoefend om de structuur te vervormen en wordt verwarmd om terug te keren naar de vooraf opgeslagen vorm. b) Vormpassend kenmerk van de WHAF, dat een bolbol en een voetbal met een uitgerekte bolvorm bedekt. Schaalbalken: 15 mm (links) en 45 mm (rechts). c) Afbeelding van de auxetisch geknoopte SMA-stof, vervaardigd als een actieve stof, verbonden met passieve stof door eenvoudig naaien. Het vergrote beeld, omlijnd door de rode stippen, laat zien hoe SMA-draden zijn verweven en geknoopt om een mozaïekpatroon van de inspringende eenheid te vormen. Het vergrote beeld, omlijnd door de blauwe stippen, laat zien hoe de randen van de actieve stof aan elkaar worden gestikt met de passieve stof. d) Vergelijking van de stroom binnen blanke SMA-draden en met Parylene gecoate SMA-draden, die beide op één punt fysiek contact hebben. De onderstaande afbeelding laat zien hoe zonegespecificeerde Joule-verwarming resulteert bij het samentrekken van alleen de toegepaste elektrische energiekolommen. e) Schematische illustraties waarin de WHAF wordt getoond die wordt gedragen om zonespecifieke tactiele krachtfeedback te geven, of om als persoonlijke oefeningsadviseur te dienen door kinesthetische feedback te geven. (Herdrukt met toestemming door Wiley-VCH Verlag) Het ongewoon dynamische fysieke gedrag van de WHAF komt voort uit zijn nieuwe metastructuur. De onderzoekers hebben op ingewikkelde wijze draadparen van responsieve vormgeheugenlegeringen met elkaar verweven en geknoopt tot een auxetische roosteropstelling die een inspringende geometrie vertoont. Dankzij deze topologie kan de WHAF volledig uitzetten of samentrekken in drie dimensies – wat een zeldzaam negatief Poisson-ratio-effect vertoont dat niet wordt gezien bij normale stoffen. Auxetische structuren zetten loodrecht uit wanneer ze worden uitgerekt in plaats van dunner te worden, waardoor een uitstekende vervormbaarheid ontstaat.
‘Auxetisch’ verwijst naar een eigenschap van materialen die zich op een contra-intuïtieve manier gedragen wanneer ze worden uitgerekt of samengedrukt. Bij de meeste materialen worden ze, als je ze uit elkaar trekt (uitrekt), dunner in de loodrechte richting, en als je ze samendrukt, zetten ze uit in de loodrechte richting. Dit wordt gekwantificeerd door een eigenschap die de Poisson-ratio wordt genoemd en die positief is voor deze typische materialen.
Bij auxetische materialen is dit gedrag echter omgekeerd. Wanneer u auxetische materialen uitrekt, worden ze dikker in de loodrechte richting, en wanneer u ze comprimeert, worden ze dunner in de loodrechte richting. Dit betekent dat auxetische materialen een negatieve Poisson-verhouding hebben.
Deze ongebruikelijke eigenschap geeft auxetische materialen unieke voordelen, zoals hoge energieabsorptie en breukweerstand, en kan andere eigenschappen zoals schuifstijfheid verbeteren. Vanwege deze kenmerken vinden auxetische materialen toepassingen op een breed scala aan gebieden, waaronder beschermende uitrusting, medische apparatuur, ruimtevaart en, zoals in het geval van het artikel, geavanceerd textiel voor haptische feedback in virtual reality-omgevingen. Hun vermogen om in alle richtingen uit te zetten wanneer ze worden uitgerekt, kan bijzonder nuttig zijn bij het creëren van comfortabelere, aanpasbare en effectieve producten.
Naast het garanderen van uitstekende rekbaarheid, drapeerbaarheid en vormaanpasbaarheid voor een perfecte pasvorm op de huid, verleent de auxetische architectuur van de WHAF hem een opvallend talent. Door gebruik te maken van de onderlinge verbondenheid van de roosters, heeft het team een dunne isolerende microfilm aangebracht om de verwarming van individuele draadverbindingen binnen de knopen afzonderlijk te regelen. Als gevolg hiervan kan spanning selectief gelokaliseerde weefselgebieden aandrijven. Dit realiseert een zone-gespecificeerde bediening die ongekend is voor haptisch textiel, waardoor spatiotemporele stimulatiemogelijkheden ontstaan.
Terwijl eerdere slimme stoffen met vormgeheugenlegeringen alleen een totale uniforme samentrekking konden vertonen, maakt de gesegmenteerde controle van de WHAF ingewikkelde patronen van compressie en ingrijpende drukgolven mogelijk. Gebruikers ervaren deze complexe tactiele sequenties als waarneembare tactiele vormen, texturen en bewegingen. De onderzoekers demonstreerden bijvoorbeeld dat de WHAF richtinggevende signalen communiceert via opeenvolgende knijppulsen rond de onderarm.
Bovendien stemt het moduleren van de spanning de timing en stijfheid van de krachtuitvoer in de geactiveerde gebieden af. Gecombineerd met de uitstekende huidhechting na het dragen, zorgt dit ervoor dat de lichtgewicht WHAF gemakkelijk waarneembare kinesthetische weerstandsfeedback kan geven. De onderzoekers toonden aan dat het dragen van de stof op de gewrichten het buigen van de vingers en het buigen van de armen merkbaar zwaardere bewegingen maakte.
Gebruikerstests hebben de ongeëvenaarde nauwkeurigheid en intuïtiviteit van het uitgebreide haptische vocabulaire van de WHAF aangetoond. Deelnemers identificeerden op betrouwbare wijze navigatieaanwijzingen en ruimtelijke patronen die via de stof werden geleverd. De WHAF maakt dus praktische toepassingen mogelijk, zoals handsfree mobiele navigatie. Ondertussen konden gebruikers in een meeslepende virtuele rover-simulatie met WHAF-haptiek met succes rond obstructief kraterterrein sturen, ondanks verblindend stof dat het zicht belemmerde.
De onderzoekers suggereren dat hun aanpasbare auxetische slimme textiel een veelzijdige doorbraak in de multimodale haptische interface vormt. De ongeëvenaarde draagbaarheid en dynamische activeringscapaciteiten van de WHAF helpen bij het oplossen van belangrijke beperkingen in stoffen en huiden voor interactieve virtuele realiteiten. Het overbrengen van genuanceerde tastsensaties via gemakkelijk te begrijpen modaliteitsoverstijgende signalen zou de intuïtiviteit en manoeuvreerbaarheid bij het verkennen van digitale ruimtes enorm kunnen vergroten.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64111.php
