OmniFiber：集成流体纤维致动器，用于将基于运动的交互编织进「日常生活织物」

文献标题

OmniFiber: Integrated Fluidic Fiber Actuators for Weaving Movement based Interactions into the ‘Fabric of Everyday Life’

文献信息

• 主题领域: 人机交互 (HCI)、软机器人和智能材料
• 关键词: 软执行器, 可拉伸传感器, 微流体技术, e-纺织品, 触觉反馈, 基于运动的人机交互

研究背景与问题

• 问题与挑战:
  • 当前纤维形态的执行器在柔性、微型化和嵌入可穿戴设备方面存在诸多限制。例如，体积较大，运动范围有限，接触皮肤不安全等。
  • 现有的纤维执行器难以多功能、轻量化且高功率地实现复杂体态动作和互动。
• 重要性:
  • 纤维是广泛存在于自然和人类生活中的几何基础结构，能够应用于服饰设计以实现与人体运动的紧密交互。在未来基于身体交互的设计中，这种材料可以显著扩展应用场景。
  • 可编程的纤维执行器不仅可以提供触觉反馈，还可以通过形变表现复杂信息以支持身体交互操作。
• 研究动机:
  • 针对现有材料在软体机器人、可穿戴设备和触觉界面中的不足，提出一种能够无缝织入日常生活织物中的可重构纤维执行系统。
  • 对于设计师而言，现有纤维执行器缺乏设计灵活性，限制了其在运动和形状改变交互设计中的可能性。

解决方案

• 方法:
  • 提出了一种新的软执行器系统OmniFiber，其特点为薄 (<1.8mm)、线状，可流体驱动，并嵌入了压力反馈传感器。
  • 提供了系统的两个核心设计标准：可编织性（weavability）、制造的可访问性（accessibility）和运动的多样性（actuation versatility）。
• 创新点:
  • 单一纤维系统同时提供闭环应变控制、形状编程能力、模块化设计及微型化特性。
  • 开发了一个易于复制的多层纤维制造流程，包括嵌入传感器、编织外部结构以及加入机械约束部件。
  • 引入了一个基于FlowIO平台的硬件系统，支持多通道应变控制，并通过Web-GUI实现实时交互。
• 实施步骤:
  1. 构造纤维材料: 制备具有不同流体特性的软管，并通过碳纳米粉和导电涂层制造柔性传感器。
  2. 编织和机械约束: 使用编织或针织技术创建纤维结构，并控制其运动属性（如延伸、收缩、弯曲）。
  3. 整合控制系统: 结合FlowIO流体平台，通过传感器反馈实现闭环应变控制和响应。
  4. 多维设计空间与应用开发：配合2D与3D纤维结构设计，实现复杂的运动、触觉反馈以及交互性。

研究成果

• 具体成果:
  • 开发了厚度小于1.8mm的流体驱动纤维执行器，可在轴向实现高达245%的延伸速度（150mm/s），生成最大压力为19N。
  • 展现了纤维编织、扩展、弯曲、卷绕及表面纹理等多种运动模式。
  • 提供了一个易于采用的制造流程，并提出了一个数学模型用于预测纤维行为。
• 优势:
  • 相较传统McKibben执行器，OmniFiber结合了交互设计所需的强力、快速响应和多功能嵌入性。
  • 实现了更薄、更轻便及触觉友好的纤维材料，适于直接嵌入纺织品，与皮肤安全接触。
  • 相较高耗能的热驱动执行器，OmniFiber保持压力在静态条件下无需持续供能。
• 实验与评估:
  • 测试了不同压力下的轴向位移、力输出以及基于传感器的反馈精度。
  • 探讨并验证了机械约束如何塑造纤维的弯曲半径及形变模型。
  • 通过应用场景（如衣物中的呼吸指导、手势语言转译）证明其灵活性和实用性。
• 局限性:
  • 制造过程依赖手动操作，影响了规模化生产的效率。
  • 噪音和刚性问题限制了用户穿戴的舒适。
  • 缺乏对大型系统的控制器评价及设计工具支持。
• 未来方向:
  • 优化和自动化制造流程，例如引入多材料3D打印或潜热纤维拉伸技术。
  • 扩展传感器嵌入技术，提高局部触觉反馈精度。
  • 开发高效、低噪音的流体驱动控制器，使其更适合可穿戴系统。

此文献提供了一个全新的材料与系统设计蓝图，推动了纤维形态执行器在互动设计中的技术进步，也为未来的运动交互研究指明了方向。