InSituWear：使用熔融拉伸PCL纤维在体定制个性化可穿戴结构

文献标题

InSituWear: On-body Fabrication of Custom-fit Wearable Structures using Melt-drawn PCL Filaments

出版信息

• 主题领域: 使用熔融拉伸热塑性材料进行定制贴合可穿戴纺织品的机器人制造。
• 关键词: 原位制造, 可穿戴纺织品, 聚己内酯 (PCL), 机器人熔融拉伸, 热致变色纤维, 无废料制造, 人机交互 (HCI), 自适应纺织品, 具身制造, 智能材料。

背景与问题

• 问题 / 挑战: 现有的可穿戴制造方法依赖于预定义的几何形状、多步骤工作流程，并产生大量材料浪费。这些方法缺乏对身体轮廓的适应性，也无法在制造过程中集成智能功能。
• 重要性: 解决这些局限性可以实现个性化、贴合身体的可穿戴设备，同时减少浪费，适用于医疗矫形器、时尚和交互系统等领域。
• 动机与相关工作: 先前关于数字纺织制造、智能纺织品和热塑性材料的研究推动了离体制造工艺的发展，但仍受限于预设形式、效率低下以及智能集成的局限性。尽管原位方法具有潜力，但在可穿戴应用中的探索仍然不足。

解决方案

• 提出的方法: InSituWear——一种机器人制造方法，通过直接在人体上熔融拉伸低温聚己内酯 (PCL) 纤维，制造定制贴合、无废料的可穿戴设备。
• 创新点:
  1. 一种基于形态发现的原位制造方法，无需3D捕捉、数字建模或装配。
  2. 一套计算管线，用于规划和执行张力缠绕PCL制造的机器人路径。
  3. 一系列末端执行器，支持精确且可扩展的熔融拉伸。
  4. 个性化可穿戴设备的展示以及在家具和建筑领域的概念性应用。
• 流程与关键技术:
  1. 在约55–60°C下熔融拉伸PCL纤维，并直接在身体表面进行张力缠绕。
  2. 计算管线阶段：粗略几何定义、安全边界创建、路径生成、碰撞检测和机器人执行。
  3. 开发单针和多针末端执行器以实现精度和效率。
  4. 使用热致变色和光致变色添加剂进行材料工程，打造交互式纺织品。

结果

• 具体发现:
  • 纤维厚度范围为0.03 mm至0.42 mm，可通过拉伸速度和材料组成进行调节。
  • PCL纺织品的机械性能（GSM: 194–293 g/m²，峰值负载: 37–84 N）与棉和丝绸等商业织物相当。
  • 集成的热致变色纤维在安全、低电压（1.0–3.2 V）和电流（0.13–1.84 A）下激活。
• 相较基线的优势:
  • 消除了材料浪费和多步骤工作流程。
  • 实现了无需预定义几何形状的实时贴合身体制造。
  • 在制造过程中直接将智能功能嵌入纤维中。
• 实验 / 评估:
  • 对PCL纺织品与传统织物的拉伸测试。
  • 纤维拔出测试以分析厚度和一致性。
  • 展示原位制造的原型（袖子、手套）以及概念性应用（家具、建筑）。
• 局限性与未来工作:
  • 在平面或凹面几何形状、制造速度和图案精度方面的挑战。
  • 需要进一步测试PCL的耐久性、舒适性以及人机交互的安全协议。
  • 未来方向包括扩展至全身服装、多材料制造以及开源开发。

总结

InSituWear 提出了一种创新的机器人制造方法，通过直接在人体上熔融拉伸PCL纤维，实现个性化、无废料和智能化的可穿戴设备。该方法无需3D建模和装配，利用材料特性和机器人精度制造贴合的纺织品。实验结果表明，其机械性能与商业织物相当，并验证了集成热致变色功能的可行性。尽管在速度、几何处理和安全协议方面仍有局限，但该方法为可持续、自适应和具身制造的可穿戴设备及其他领域开辟了新的可能性。