紡織氣動致動器的製造與效能：一種用於穿戴式觸覺應用的輕薄且強大的解決方案

核心概念

本文介紹了一種名為 PneuDots 的新型紡織氣動致動器，它比傳統的彈性體致動器更輕薄、更舒適，同時保持了強大的力量輸出，使其成為穿戴式觸覺應用的理想選擇。

摘要

簡介

• 本文介紹了一種名為 PneuDots 的新型紡織氣動致動器，專為穿戴式觸覺應用而設計。
• 與現有的熱塑性薄膜和彈性體致動器相比，PneuDots 更輕薄、更舒適、更靈活。
• 本文重點介紹了 PneuDots 的製造過程、效能評估以及與現有致動器的比較。

致動器製造與參數評估

• PneuDots 是使用熱壓機將 TPU 塗層尼龍熱封製成的。
• 研究了熱壓溫度、壓力、持續時間和所用膠水的類型等製造參數對致動器效能的影響。
• 透過剝離測試評估了結合強度，並透過氣密性測試評估了所用膠水的品質。
• 確定了最佳製造參數，以確保產生牢固、氣密的密封，從而製造出耐用的致動器。

致動器效能

• 在受力傳遞和循環測試中評估了 PneuDots 的效能。
• 結果顯示，PneuDots 在 230 kPa 的絕對壓力下可產生高達 36.1 N 的力，與彈性體氣動致動器相當。
• 與彈性體致動器相比，PneuDots 的厚度減少了 96.4%，重量減少了 57.2%，提高了其耐磨性。
• 循環測試表明，PneuDots 隨著時間的推移表現出更穩定的行為，表明其長期使用的可靠性。

討論與結論

• 本文探討了製造參數對熱封紡織氣動致動器效能的影響。
• 確定了製造 PneuDots 的最佳參數，並概述了一種基準測試方法，用於評估任何給定設置的最佳製造參數。
• 與現有的彈性體致動器相比，PneuDots 在厚度和重量方面均有顯著降低，同時保持了強大的力量輸出。
• PneuDots 的柔軟織物表面允許舒適的非粘性直接皮膚接觸。
• PneuDots 的緊湊膨脹體積允許使用配備車載泵和真空泵的便攜式控制器進行操作，從而增強了無線穿戴的潛力。

PneuDots 的潛在應用

• 虛擬實境中的沉浸感增強。
• 在數位環境中複製社交觸摸。
• 導航輔助。
• 姿勢或呼吸的指導和反饋。

統計資料

與相同直徑和壓力的彈性體氣動致動器相比，PneuDot 的最大力傳遞為 36.1 N，是其峰值力輸出的 95.3%。
與彈性體氣動致動器相比，PneuDots 將致動器的厚度減少了 96.4%，重量減少了 57.2%。
在 100 kPa（絕對壓力 200 kPa）下，他們的致動器在模擬人體手腕硬度的測試裝置中可產生高達 9.8 N 的輸出力。

引述

“與熱塑性薄膜不同，熱塑性薄膜完全可熔，而紡織基材提供結構支撐，並且只有塗層側充當粘合劑。”
“與 [6] 中提出的 3D 列印彈性體氣動致動器相比，PneuDots 在循環測試中具有一致性。”
“由於其外形小巧且可重複的快速製造方法，PneuDots 可以整合到各種穿戴式設備中，例如手環、袖套、背心、項圈或褲子。”

從以下內容提煉的關鍵洞見

Fabrication and Performance of Textile Pneumatic Actuators

by Megan C. Cor... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00295.pdf

深入探究

PneuDots 技術如何應用於醫療保健領域，例如輔助康復或為行動不便的人提供觸覺反饋？

PneuDots 技術在醫療保健領域，特別是輔助康復和為行動不便人士提供觸覺反饋方面，具有極大的應用潛力。以下列舉一些具體的應用方向：
輔助康復：

中風後康復: PneuDots 可以整合到穿戴式設備中，例如手套或袖套，為中風患者提供觸覺提示和輔助力量，幫助他們進行手部和手臂的康復訓練。通過控制 PneuDots 的充氣和放氣，可以引導患者進行抓握、伸展等動作，並提供實時的觸覺反饋，幫助他們重新學習運動控制和協調能力。
步態矯正: PneuDots 可以嵌入到鞋墊或襪子中，為患有步態異常的患者提供觸覺提示，幫助他們矯正步態。例如，在患者行走時，通過 PneuDots 的充氣，可以提醒他們腳部的正確著力點和發力方式，從而改善步態。
運動訓練: PneuDots 可以應用於運動訓練，為運動員提供實時的觸覺反饋，幫助他們改善運動技巧和姿勢。例如，將 PneuDots 嵌入到運動服中，可以監測運動員的肌肉活動和關節角度，並通過觸覺反饋提醒他們調整動作，提高訓練效率。
為行動不便的人提供觸覺反饋：

觸覺輔助導航: 對於視障人士，PneuDots 可以整合到衣服、腰帶或手杖中，通過震動或壓力變化提供導航信息，幫助他們避開障礙物，安全地行走。
社交觸摸模擬: PneuDots 可以應用於模擬社交觸摸，例如擁抱、握手等，為患有自閉症或社交障礙的人士提供情感支持和社交互動。
虛擬環境互動: PneuDots 可以與虛擬現實技術結合，為用戶提供更逼真的觸覺體驗。例如，在虛擬遊戲中，PneuDots 可以模擬物體的觸感、重量和溫度，增強用戶的沉浸感。
總之，PneuDots 技術憑藉其輕薄、柔軟、可穿戴等優點，在醫療保健領域具有廣闊的應用前景，可以為患者和行動不便人士提供更有效的康復訓練、觸覺反饋和生活輔助。

雖然 PneuDots 提供了許多優點，但與其他觸覺反饋技術（例如電刺激或形狀記憶合金）相比，其局限性是什麼？

雖然 PneuDots 在穿戴式觸覺設備領域展現出極大的潛力，但與其他觸覺反饋技術相比，它也存在一些局限性：

觸覺種類較少: PneuDots 主要通過壓力和震動提供觸覺反饋，而電刺激可以提供更豐富的觸覺感受，例如刺痛、瘙癢、溫度變化等。形狀記憶合金則可以提供更精確的力反饋和位移控制。
反應速度有限: PneuDots 的充氣和放氣需要一定的時間，因此其反應速度相對較慢，無法滿足一些需要高頻率觸覺反饋的應用場景，例如高速運動追蹤或精細紋理渲染。
需要外部氣源: PneuDots 需要連接外部氣泵或氣壓控制系統才能工作，這限制了其便攜性和小型化發展。雖然目前已有小型化的氣泵，但其體積和重量仍然是一個挑戰。
耐用性待提升: PneuDots 的材料和結構可能會隨著時間推移而老化或損壞，影響其使用壽命和可靠性。
成本相對較高: 與電刺激等技術相比，PneuDots 的製造成本相對較高，特別是需要定制化設計和生產的情況下。
總體而言，PneuDots 是一種很有前景的觸覺反饋技術，但它也存在一些局限性。在選擇觸覺反饋技術時，需要根據具體的應用場景和需求，綜合考慮各種技術的優缺點，選擇最合適的方案。

隨著穿戴式觸覺設備變得越來越複雜和整合，我們如何確保這些設備提供給用戶的觸覺信息直觀且易於理解？

隨著穿戴式觸覺設備變得越來越複雜，整合的功能越來越多，確保設備提供的觸覺信息直觀易懂，對於用戶體驗至關重要。以下是一些可以參考的方法：

簡化觸覺語言: 設計觸覺反饋時，應盡量使用簡單、易於理解的觸覺模式，避免過於複雜或抽象的觸覺信號。可以借鑒自然界或日常生活中的觸覺體驗，例如輕拍代表提醒、震動代表警告、持續壓力代表方向指引等。
提供多模態反饋: 將觸覺反饋與視覺、聽覺等其他感官信息結合，可以幫助用戶更好地理解觸覺信息的含義。例如，在觸覺導航系統中，可以同時使用語音提示和震動方向指示，提高導航的準確性和效率。
個性化定制: 不同的用戶對觸覺信息的敏感度和理解能力不同，因此需要提供個性化的觸覺反饋設置，讓用戶可以根據自己的喜好和需求調整觸覺模式、強度和頻率等參數。
用戶培訓和學習: 對於一些功能較為複雜的觸覺設備，需要提供完善的用戶培訓和學習資料，幫助用戶快速掌握觸覺信息的解讀方法和設備的操作技巧。
持續優化和迭代: 設計者應持續收集用戶反饋，並根據用戶的使用體驗和建議，不斷優化和迭代觸覺反饋的設計，提高觸覺信息的直觀性和易用性。
此外，還可以借鑒人机交互設計的原則，例如一致性、可預測性、可學習性等，設計觸覺反饋的交互方式，讓用戶能夠自然、直觀地理解和使用觸覺信息。
總之，設計直觀易懂的觸覺反饋需要綜合考慮多方面的因素，包括觸覺語言設計、多模態反饋、個性化定制、用戶培訓和持續優化等。通過不斷探索和創新，我們可以讓穿戴式觸覺設備更好地服務於人類，創造更美好的生活體驗。