WO2025258741A1 - 구역 별로 개별 전류 제어가 가능한 메타구조 직물형 액추에이터의 제조 방법 및 그 직물형 액추에이터 - Google Patents

구역 별로 개별 전류 제어가 가능한 메타구조 직물형 액추에이터의 제조 방법 및 그 직물형 액추에이터

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WO2025258741A1
WO2025258741A1 PCT/KR2024/012019 KR2024012019W WO2025258741A1 WO 2025258741 A1 WO2025258741 A1 WO 2025258741A1 KR 2024012019 W KR2024012019 W KR 2024012019W WO 2025258741 A1 WO2025258741 A1 WO 2025258741A1
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WO
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fabric
memory alloy
shape memory
type actuator
manufacturing
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오일권
오세웅
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Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
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Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
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Publication date
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    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for manufacturing a metastructure fabric-type actuator capable of individual current control for each zone and to the fabric-type actuator.
  • Wearable haptic devices are being actively developed to be lightweight and compact, easily worn like everyday clothing, yet offer augmentative effects without interfering with activities.
  • the importance of wearable haptic devices is growing as a natural and intuitive medium for connecting virtual environments and the real world, such as virtual reality (VR), augmented reality (AR), mixed reality (MR), and extended reality (XR).
  • VR virtual reality
  • AR augmented reality
  • MR mixed reality
  • XR extended reality
  • Shape-memory alloy wires which can exert force depending on temperature, are primarily used in the development of lightweight, soft wearable devices. For example, shape-memory alloy wires are woven into fabrics, which can exert force when heated, creating fabric-like actuators or artificial muscles.
  • a single actuator in order to use a shape memory alloy-based fabric actuator as a haptic device, a single actuator must provide various information, but conventional shape memory alloy-based fabric actuators are only capable of single relaxation/contraction, which significantly limits the diversity of information provided.
  • the present disclosure provides a method for manufacturing a metastructure fabric actuator in which shape memory alloy wires are knotted into a re-entrant structure, such that the re-entrant structure is repeated (tessellated) to form a metastructure in which the entire structure has a negative Poisson's ratio, and a method for manufacturing a metastructure fabric actuator in which a ferlene thin film coating is applied to the surface of the fabric actuator to modify the surface conductivity and enable individual current control for each zone, and the fabric actuator.
  • the invention comprises: a step of creating a re-entrant structure by knotting a pair of shape memory alloy wires into a unit lattice of a re-entrant expansion structure; a step of repeating the step of creating the re-entrant structure using a plurality of pairs of shape memory alloy wires to create a fabric structure in which the pairs of shape memory alloy wires are connected in a two-dimensional direction; and a step of knotting the pairs of wires of the fabric structure using a mold to manufacture a single-object fabric-type actuator.
  • the above reentrant structure may have a negative Poisson's ratio in a shape formed through the above knotting procedure.
  • a step of forming a film film on the surface of the fabric-type actuator using a chemical vapor deposition (CVD) method is further included, and the film film can enable individual current control of the fabric-type actuator in a plurality of zone units.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the forming step may include performing a parylene coating on the surface of the fabric-type actuator to insulate the conductive shape memory alloy surface, and suppressing current from flowing to an adjacent area other than the area into which current flows through the insulation.
  • the step of generating the above fabric structure can generate the above fabric structure as a meta-structure having a negative Poisson's ratio by repeating (tessellating) the above reentrant structure.
  • the fabric actuator is a fabric structure in which pairs of shape memory alloy wires are connected in a two-dimensional direction by repeating a re-entrant structure created through a procedure in which a pair of shape memory alloy wires are knotted in a unit lattice of a re-entrant expansion structure, and the wire pairs of the fabric structure are knotted using a mold to form a single object.
  • the above reentrant structure may be a meta-structure having a negative Poisson's ratio.
  • the above fabric-type actuator may have a negative Poisson's ratio as the entire structure is tessellated by repeating the above reentrant structure.
  • the above fabric-type actuator may have a thin film coating formed on the surface for individual current control of each zone to transmit a force to contract by heating only some zones among a plurality of divided zones.
  • the above thin film coating may include a parylene coating.
  • a fabric-type actuator having a meta-structure that can effectively adhere to human body surfaces with different curvatures and has a negative Poisson's ratio and a deformable structure that can wrap around any surface, even in a curved shape, can be manufactured. Furthermore, such a fabric-type actuator can be applied to a lightweight, compact, and easily wearable fabric-type haptic device, similar to everyday clothing.
  • the force generated by the shape memory alloy through Joule heating through individual current supply for each zone can be conveniently and effectively controlled, and a single shape memory alloy-based fabric actuator can be divided into spatially distinct zones to provide multiple pieces of information.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a drawing illustrating a knotting procedure for manufacturing a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a drawing illustrating a non-easy-to-untie knot method for manufacturing a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • FIG. 4 is a drawing illustrating a process of utilizing a mold for manufacturing a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • FIG. 5 is an exemplary diagram illustrating spatially discrete actuation by applying current only to a specific region of a fabric-type actuator having a surface coated with perlene according to one embodiment.
  • Figure 6 shows an auxetic-knot shape memory alloy fabric made of an active fabric connected to a passive fabric by simple sewing according to an embodiment.
  • FIG. 7 illustrates a demonstration of negative Poisson ratio operation of a fabric actuator according to one embodiment.
  • FIG. 8 illustrates a demonstration of the shape-fitting function of a fabric actuator according to one embodiment.
  • FIG. 9 is a photograph illustrating a demonstration of the size-fitting function of a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • FIG. 10 is a photograph showing a thermal IR image taken after performing individual current control for each divided area of a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • Fig. 11 shows an application example of a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • Fig. 12 shows an application example of a fabric-type actuator according to another embodiment.
  • Fig. 13 shows an application example of a fabric-type actuator according to another embodiment.
  • first and second may be used to describe various components, but these components are not limited by these terms. These terms are used solely to distinguish one component from another. For example, without departing from the scope of the present disclosure, a first component could be referred to as a "second component,” and similarly, a second component could also be referred to as a "first component.”
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a fabric-type actuator according to one embodiment
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a knotting procedure for manufacturing a fabric-type actuator according to one embodiment
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a knotting method that is not easily untied for manufacturing a fabric-type actuator according to one embodiment
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a process of utilizing a mold for manufacturing a fabric-type actuator according to one embodiment
  • FIG. 5 is an exemplary diagram illustrating spatially separated actuation by applying current only to a specific region of a fabric-type actuator having a surface coated with ferlin according to one embodiment.
  • the fabric-type actuator i.e., the manufacturing process of the fabric-type actuator, consists of S101, S102, S103, and S104.
  • a reentrant structure which is a unit structure, is created through a procedure of knotting a pair of shape memory alloy wires into a unit lattice of a reentrant expansion structure, as described in detail in FIG. 2.
  • S102 by repeating S101, a pair of shape memory alloy wires are extended in the 2D (x-axis, y-axis) direction to produce a fabric-like structure in which multiple pairs of shape memory alloy wires are connected. S102 is described in detail with reference to Fig. 3.
  • a single-piece fabric actuator is fabricated by knotting wire pairs using a mold, as described in detail in FIG. 4.
  • Parylene C coating is performed on the surface of the fabric actuator fabricated, and is described in detail through Fig. 5.
  • a fabric-type actuator in the form of a meta-structure having a negative Poisson's ratio is fabricated through the above S101, S102, S103, and S104.
  • Poisson's ratio is a value that represents the ratio of the strain in the vertical direction to the strain in the parallel direction of an object.
  • a negative Poisson's ratio means that the axis perpendicular to the axis to which the force is applied contracts or relaxes in the same direction.
  • a series of knotting processes can be used to expand shape memory alloy wires in two dimensions to create fabric-like actuators.
  • the unit structure manufactured through knotting is manufactured to have a re-entrant structure, which is one of the meta-structures with a negative Poisson's ratio.
  • a fabric-type actuator Wearable Haptic Auxetic Fabric, WHAF
  • WHAF Weightable Haptic Auxetic Fabric
  • Figure 2 (a) illustrates the process of creating a reentrant structure, a unit structure, using two shape-memory alloy (SMA) wires (black lines). That is, it shows the procedure of knotting a pair of shape-memory alloy wires into the unit lattice of the reentrant structure. In this way, a pair of shape-memory alloy wires are knotted to form a single zone.
  • SMA shape-memory alloy
  • Figures 2 (b), (c), and (d) illustrate a process of manufacturing a fabric by expanding a pair of shape memory alloy wires in a 2D direction through a process repeating Figure 2 (a).
  • (b) of Fig. 2 shows the process of knotting the shape memory alloy wire into a reentrant structure and expanding it in the y-axis.
  • Figure 2 (c) shows the process of knotting a shape memory alloy wire into a reentrant structure and expanding it in the x-axis.
  • Figure 2 (d) shows the process of extending the knot to the x-axis and y-axis by repeating Figure 2 (b) and (c).
  • Figure 3 illustrates a knotting method used to form a knot that is not easily untied during the knotting processes of Figures 2 (a), (b), (c), and (d). That is, Figure 3 illustrates a process of knotting two shape memory alloy wires coming from adjacent columns that share a vertex and an edge.
  • Figure 4 illustrates the process of knotting shape memory alloy wires using a mold and fabricating a meta-structured fabric-like actuator using the knotted wires. In other words, it illustrates the process of knotting eight pairs of shape memory alloy wires to fabricate a fabric-like actuator as a single entity.
  • a custom aluminum mold serves as a frame to hold the structure in place during the shape memory process.
  • the wire pairs that make up the columns of the fabric actuator are color-coded, with each wire pair matching the color.
  • the fabric actuator which is shaped using a mold, is heated at a high temperature of 390°C for one hour and then rapidly cooled in cold water three times for the shape memory process.
  • the unit cell of the reentrant structure resembles a bow tie, with six vertices connected by six edges.
  • Two shape-memory alloy wires (labeled 1 and 1') are used to form this unique shape through knotting.
  • shape-memory alloy wires are knotted in an alternating pattern to form a first vertex in the center.
  • the two wires are then separated into left and right halves to form the upper portion of the reentrant expansion unit.
  • an additional vertex is knotted in the lower half, and the two wires are joined together and knotted in the center to form a single, reentrant unit lattice.
  • the entire structure can be expanded in one direction, i.e., the y-axis or vertical direction.
  • a pair of shape memory alloy wires are knotted to expand the structure along another axis, i.e., the x-axis, forming a reentrant structure in which adjacent auxiliary lattices share two vertices and one edge. Thereafter, the process of forming an expanded structure along the x-axis and the y-axis can be repeated to produce an expanded shape memory alloy wire fabric expanded in a 2D direction, as shown in (d) of Fig. 2.
  • all vertices implemented by knotting the shape memory alloy wire are designed to function as static points with high structural integrity during repetitive operation and deformation.
  • the vertex knot is tightened in three steps: interlacing step 1, forming a square knot step 2, and tightening step 3 with the addition of forming a so-called double square knot step 3.
  • interlacing step 1 forming a square knot step 2
  • tightening step 3 with the addition of forming a so-called double square knot step 3.
  • knotting the shape memory alloy wire to form the inflatable fabric of FIG. 2 uses an aluminum mold with columns that serve as pin points where knotted vertices are created.
  • a textile actuator (WHAF) with an auxetic knot structure is fabricated by repeating the interweaving and knotting of shape memory alloy wires in four stages at a specific location.
  • the surface of the fabric-type actuator is coated with Parylene C. That is, a single shape-memory alloy-based fabric-type actuator can be spatially distinct, enabling individual actuation by zone, by applying a thin 5-micrometer-thick Parylene (Parylene C) coating to the surface of the fabric-type actuator. This insulates the conductive shape-memory alloy surface, thereby suppressing the phenomenon of undesired zones being heated and contracted due to current flowing to adjacent areas during the Joule heating process through current supply.
  • Parylene C Parylene
  • This ferrin coating process is performed through a CVD (Chemical Vapor Deposition) process, which enables uniform and robust coating even on surfaces with complex and closely structured structures.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • Ferrene is an insulator, and ferlene coating using CVD, a gas-injected coating method, can be applied uniformly even in very small gaps. Therefore, when a ferlene film is applied to the surface of a shape memory alloy, the ferlene film can be coated evenly within the gaps of the knotted structure, preventing current flow between regions and enabling current control across each region.
  • a fabric-type actuator can be manufactured that is a 2D fabric-like shape in which shape memory alloy wires are knotted and expanded, and the final knot-shaped structure is a meta-structure with a negative Poisson's ratio, which is a re-entrant structure, and the re-entrant structure is repeated (tessellated) so that the entire structure has a negative Poisson's ratio.
  • the fabric actuator can be easily and effectively controlled through current control, providing a variety of spatial information essential for haptic applications.
  • Figure 6 shows an auxetic-knot shape memory alloy fabric made of an active fabric connected to a passive fabric by simple sewing according to an embodiment.
  • the meta-structured fabric actuator having a negative Poisson's ratio described in FIGS. 1 to 5 can be combined with ordinary fabrics through simple sewing to be applied as a wearable device and manufactured as an active smart garment.
  • a magnified image shows how shape memory alloy wires are crossed and knotted to form a tile pattern of reentrant structures.
  • FIG. 7 illustrates a demonstration of negative Poisson ratio operation of a fabric actuator according to one embodiment.
  • FIG. 7 (a) an image is shown before the fabric-type actuator is extended laterally. At this time, the overall dimensions of the fabric-type actuator are measured as “80 ⁇ 75 mm.”
  • the calculated negative Poisson ratio is calculated as in mathematical equation 1.
  • FIG. 8 is a photograph illustrating a demonstration of a shape-fitting function of a fabric-type actuator according to one embodiment
  • FIG. 9 is a photograph illustrating a demonstration of a size-fitting function of a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • Fig. 8 (a) it is shown that the fabric actuator completely covers a sphere with a radius (R) of 1.9 mm.
  • Fig. 8 (b) it is shown that the fabric actuator adheres closely to the ellipsoidal surface of a soccer ball.
  • Fig. 9 (a) is a photograph showing an oblique view of a fabric-type actuator that has been shrunk and rolled in a 3D direction after being heated
  • Fig. 9 (b) is a photograph showing a front view
  • Fig. 9 (c) is a photograph showing a side view.
  • the fabric actuator can be applied as a structure that actively adapts to the wearer's body size.
  • FIG. 10 is a photograph showing a thermal IR image taken after performing individual current control for each divided area of a fabric-type actuator according to one embodiment.
  • No. 1 is a thermal IR image taken after applying current only to the left area and heating it to shrink it, which can be used as information indicating the left direction (Left, L).
  • the second is a thermal IR image taken after applying current only to the central region and heating it to shrink it, which can be used as information indicating the forward direction.
  • Number 3 is a thermal IR image taken after applying current only to the right area and heating it to shrink it, which can be used as information indicating the right direction (Right, R).
  • No. 4 is a thermal IR image taken after applying current only to the central and left areas and heating them to shrink them, which can be used as information indicating the left side in a 45° diagonal direction (L-45°).
  • No. 5 is a thermal IR image taken after applying current only to the left area of No. 1 and the right area of No. 3 and heating them to shrink them, which can be used as information to indicate stopping.
  • No. 6 is a thermal IR image taken after applying current only to the central and right areas and heating them to shrink them, which can be used as information indicating the right side in a 45° diagonal direction (R-45°).
  • Figure 7 is a thermal IR image taken after applying current at 0.5 second intervals to the right, center, and left areas in sequence, heating and contracting them, which can be used to simultaneously convey information about the direction indicating the left and the timing indicating the start of movement.
  • No. 8 is a thermal IR image taken after applying current at 0.5 second intervals to the left, center, and right areas in sequence, heating them and causing them to contract. It can be used to simultaneously convey information about the direction indicating the right and the timing indicating the start of movement.
  • Figure 9 is a thermal IR image taken after applying current to the entire area (Total Squeeze) and heating it to shrink it.
  • FIG. 11 shows an application example of a fabric-type actuator according to one embodiment
  • FIG. 12 shows an application example of a fabric-type actuator according to another embodiment
  • FIG. 13 shows an application example of a fabric-type actuator according to yet another embodiment.
  • a wearable haptic device manufactured using a fabric-type actuator according to an embodiment can be worn in close contact with the wrist.
  • the wearable haptic device is manufactured using the aforementioned shape memory alloy-based meta-structured textile actuator (Auxetic knotted-SMA) and adjustable straps and bands.
  • auxetic knotted-SMA a shape memory alloy-based meta-structured textile actuator
  • adjustable straps and bands are manufactured using the aforementioned shape memory alloy-based meta-structured textile actuator (Auxetic knotted-SMA) and adjustable straps and bands.
  • the wearable haptic device can be applied as a wearable haptic device that intuitively conveys information about direction and surrounding space to the wrist under limited visual information, such as when remotely controlling robots and transportation devices within a VR environment through compatibility with virtual reality (VR) devices and VR environments, such as when controlling a Mars rover.
  • VR virtual reality
  • a situation in which visibility is limited due to a strong sandstorm caused by the deterioration of the Martian atmospheric environment can be implemented in virtual reality (VR), and information about obstacles in front, to the sides, and behind the Mars rover can be conveyed through the wearable haptic device. Through this, it can be used for training operators who operate a Mars rover under adverse conditions with limited visibility, or it can be used for actual control of a Mars rover.
  • VR virtual reality

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Abstract

음의 푸아송 비를 가지는 메타 구조의 직물형 액추에이터 제조 방법 및 직물형 액추에이터는 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 재진입 팽창 구조의 단위 격자에 매듭짓는 절차를 통해 재진입(re-entrant) 구조를 생성하는 단계, 복수 쌍의 형상기억합금 와이어를 사용하여 상기 재진입 구조를 생성하는 단계를 반복하여 2차원 방향으로 형상기억합금 와이어 쌍들이 연결된 직물 구조를 생성하는 단계, 그리고 상기 직물 구조의 와이어 쌍들을 몰드를 이용하여 매듭지어 단일 객체의 직물형 액추에이터를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

구역 별로 개별 전류 제어가 가능한 메타구조 직물형 액추에이터의 제조 방법 및 그 직물형 액추에이터
본 개시는 구역 별로 개별 전류 제어가 가능한 메타구조 직물형 액추에이터 제조 방법 및 직물형 액추에이터에 관한 것이다.
웨어러블 햅틱(haptic) 디바이스는 가볍고 부피가 적어 일상 속 의복과 같이 쉽게 착용할 수 있으면서 활동에는 방해되지 않고 증강 효과를 줄 수 있는 방향으로 활발하게 개발되고 있는 추세이다. 특히, VR(virtual reality), AR(augmented reality), MR(Mixed reality), XR(extended reality)과 같이 가상 환경과 현실 세계 사이를 자연스럽고 직관적으로 연결할 수 있는 매개체로서 웨어러블 햅틱 디바이스의 중요성이 부각되고 있다.
기존의 모터, 공압 기반의 웨어러블 햅틱 디바이스들의 경우, 무거운 무게와 큰 부피로 인해 착용시 피로감을 높이고 불편함을 초래한다. 또한, 일상 활동 중 움직임으로 인해 착용중인 디바이스가 밀착되지 못하고 쉽게 떨어지거나, 일상 활동에 방해가 되는 요인으로 작용하기도 한다.
가볍고 부드러운 웨어러블 디바이스를 개발하는데 있어 온도에 따라 힘을 낼 수 있는 형상기억합금 와이어가 주로 사용된다. 예컨대, 형상기억합금 와이어를 직조하여 천(직물) 형태로 제작하고 이를 통해 가열 시 힘을 낼 수 있는 옷감형 액추에이터 혹은 인공근육으로써 사용되고 있다.
하지만, 종래의 형상기억합금 기반 웨어러블 직물형 액추에이터는 힘을 발생시키기 위해 뜨거운 공기를 외부에서 공급해줘야 하는 번거로움이 있다.
또한, 형상기억합금 기반 직물형 액추에이터를 햅틱 디바이스로서 사용하기 위해서는 하나의 액추에이터가 다양한 정보를 제공해야 하지만, 종래의 형상기억합금 기반 직물형 액추에이터는 단일 이완/수축만 가능하여 제공하는 정보의 다양성에 큰 한계를 보인다.
기존의 직물형 액추에이터를 포함한 대다수의 웨어러블 디바이스들은 높은 수축력을 보유하더라도, 한 축으로 수축이 일어나면 다른 축에 대해 이완되고 이로 인해 실제 착용하여 수축/이완하는 과정에서 제한된 범위의 수축/이완성을 보인다. 특히, 이러한 형태의 변형을 양의 푸아송 비로 변형하는 구조라 일컫는데 이는 굴곡진 표면(인체의 대다수의 표면)이나 굽어진 형태(팔꿈치, 무릎, 두개골 등)에 밀착되는데 한계를 보이는 문제가 있다.
본 개시는 형상기억합금 와이어를 재진입(re-entrant) 구조로 매듭짓고 이러한 재진입 구조가 반복(tessellation)되어 전체 구조가 음의 푸아송 비를 갖는 메타 구조를 가지며, 직물형 액추에이터의 표면에 페를린 박막 코팅을 적용하여 표면 전도성 개질 및 구역 별로 개별 전류 제어가 가능한 메타구조 직물형 액추에이터를 제조하는 방법 및 그 직물형 액추에이터를 제공한다.
한 특징에 따르면, 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 재진입 팽창 구조의 단위 격자에 매듭짓는 절차를 통해 재진입(re-entrant) 구조를 생성하는 단계, 복수 쌍의 형상기억합금 와이어를 사용하여 상기 재진입 구조를 생성하는 단계를 반복하여 2차원 방향으로 형상기억합금 와이어 쌍들이 연결된 직물 구조를 생성하는 단계, 그리고 상기 직물 구조의 와이어 쌍들을 몰드를 이용하여 매듭지어 단일 객체의 직물형 액추에이터를 제조하는 단계를 포함한다.
상기 재진입 구조는, 상기 매듭짖는 절차를 통해 성형된 형태가 음의 푸아송 비를 가질 수 있다.
상기 제조하는 단계 이후, 상기 직물형 액추에이터의 표면에 화학 증착법(CVD, Chmical-Vapor Deposition)을 이용한 필름막을 형성시키는 단계를 더 포함하고, 상기 필름막은, 상기 직물형 액추에이터를 복수개의 구역 단위로 개별 전류 제어가 가능하게 할 수 있다.
상기 형성시키는 단계는, 상기 직물형 액추에이터의 표면에 패를린(Parylene) 코팅(Coating)을 수행하여 전도성을 띈 형상기억합금 표면을 절연시키고, 상기 절연을 통해 전류가 유입되는 구역 외의 인접 구역으로 전류가 흐르지 않도록 억제시킬 수 있다.
상기 직물 구조를 생성하는 단계는, 상기 재진입 구조가 반복(tessellation)되어 음의 푸아송 비를 가지는 메타 구조인 상기 직물 구조를 생성할 수 있다.
다른 특징에 따르면, 직물형 액추에이터는 한 쌍의 형상기억합금 와이어가 재진입 팽창 구조의 단위 격자에 매듭짓는 절차를 통해 생성된 재진입(re-entrant) 구조가 반복되어 2차원 방향으로 형상기억합금 와이어 쌍들이 연결된 직물 구조이고, 상기 직물 구조의 와이어 쌍들이 몰드를 이용하여 매듭지어져 단일 객체를 이룬다.
상기 재진입 구조는, 음의 푸아송 비를 가지는 메타 구조일 수 있다.
상기 직물형 액추에이터는 상기 재진입 구조가 반복(tessellation) 되어 전체 구조가 음의 푸아송 비를 가질 수 있다.
상기 직물형 액추에이터는 복수개의 분할 구역 중에서 일부 구역만 가열되어 수축하는 힘을 전달하는 구역 단위의 개별 전류 제어를 위해 표면에 박막 코팅이 형성될 수 있다.
상기 박막 코팅은, 패를린(Parylene) 코팅(Coating)을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 서로 다른 굴곡률을 갖는 인체 표면에 효과적으로 밀착 가능하며, 굽어진 형태에서도 모든 표면을 감쌀 수 있도록 음의 푸아송 비를 가지며 변형하는 메타 구조를 가지는 직물형 액추에이터를 제조할 수 있다. 그리고 이러한 직물형 액추에이터는 가볍고 부피가 작으면서, 일상에서 착용하는 의복과 같이 쉽게 착용할 수 있는 옷감형 웨어러블 햅틱 디바이스에 적용될 수 있다.
또한, 직물형 액추에이터의 표면에 페를린 박막 코팅을 적용하여 구역 별 개별 전류 공급을 통한 줄가열로 형상기억합금이 발생하는 힘을 편리하고 효과적으로 제어하고, 하나의 형상기억합금 기반 직물형 액추에이터가 공간이 구분된 구역별로 나뉘어져 복수의 정보를 제공할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 제작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 제작을 위한 매듭 절차를 설명하는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 제작을 위한 쉽게 풀어지지 않는 매듭 방식을 설명하는 도면이다.
도 4는 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 제작을 위한 몰드를 활용하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 한 실시예에 따른 표면에 페를린이 코팅된 직물형 액추에이터의 특정 영역에만 전류를 인가하여 공간적으로 구분된 구동을 설명하는 예시도이다.
도 6은 실시예에 따른 간단한 봉제로 패시브(Passive) 원단과 연결된 액티브(Active) 원단으로 제작된 팽창(auxetic)-매듭 형상기억합금 원단을 나타낸다.
도 7은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 음의 포아송 비율 동작 시연을 설명한다.
도 8은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 형상 맞춤(Shape-Fitting) 기능의 시연을 설명한다.
도 9는 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 사이즈 맞춤(Size-Fitting) 기능의 시연을 설명하는 사진이다.
도 10은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터를 분할된 구역 별로 개별 전류 제어를 수행한 후 촬영한 열적 IR 이미지를 나타낸 사진이다.
도 11은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 응용 예시를 나타낸다.
도 12는 다른 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 응용 예시를 나타낸다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 응용 예시를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 도면에 관계없이 동일한 도면번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는" 은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 제작 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 제작을 위한 매듭 절차를 설명하는 도면이고, 도 3은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 제작을 위한 쉽게 풀어지지 않는 매듭 방식을 설명하는 도면이고, 도 4는 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 제작을 위한 몰드를 활용하는 과정을 설명하는 도면이고, 도 5는 한 실시예에 따른 표면에 페를린이 코팅된 직물형 액추에이터의 특정 영역에만 전류를 인가하여 공간적으로 구분된 구동을 설명하는 예시도이다.
도 1을 참조하면, 직물 형태의 액추에이터, 즉, 직물형 액추에이터의 제작 과정은 S101, S102, S103, S104로 구성된다.
S101에서, 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 재진입 팽창 구조의 단위 격자에 매듭짓는 절차를 통해 유닛 구조인 재진입 구조를 생성하며, 도 2를 통해 자세히 설명한다.
S102에서는, S101을 반복함으로써, 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 2D(x축, y축) 방향으로 확장하여 복수의 쌍의 형상기억합금 와이어가 연결된 구조인 직물 형태로 제작한다. S102는 도 3을 통해 자세히 설명한다.
S103에서, 몰드를 이용하여 와이어 쌍들을 매듭지어 단일 개체의 직물형 액추에이터를 제작하며, 도 4를 통해 자세히 설명한다.
S104에서, 제작된 직물 액추에이어의 표면에 페를린(Parylene C) 코팅을 수행하며, 도 5를 통해 자세히 설명한다.
이상의 S101, S102, S103, S104를 통해 음의 푸아송 비를 갖는 메타 구조 형태의 직물형 액추에이터가 제작된다.
일반적으로, 푸아송 비는 물체의 수직 방향 변형률과 평행 방향 변형률의 비율을 나타내는 값이다. 음의 푸아송 비는 힘을 가한 축과 수직인 축이 같은 방향으로 수축 또는 이완하는 경우를 의미한다.
일련의 매듭(knotting) 과정을 통해 형상 기억 합금 와이어를 2D 방향으로 확장시켜 직물 형태의 액추에이터를 제작할 수 있다.
이때, 매듭을 통해 제작되는 유닛 구조(unit structure)는 음의 푸아송 비를 갖는 메타 구조 중 하나인 재진입 구조(re-entrant structure)를 갖도록 제작된다. 이러한 유닛 구조가 반복(tessellation)되어 음의 푸아송 비를 갖는 메타 구조 형태의 직물형 액추에이터(Wearable Haptic Auxetic Fabric, WHAF)가 제작된다.
도 2의 (a)는 두개의 형상기억합금(Shape-Memory Alloy, SMA) 와이어(검정색 라인)를 통해 유닛 구조(unit structure)인 재진입 구조(re-entrant structure)의 생성 과정을 나타낸다. 즉, 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 재진입 구조의 단위 격자에 매듭짓는 절차를 나타낸다. 이와 같이, 한 쌍의 형상기억합금 와이어가 매듭지어져 하나의 구역(zone)을 이루게 된다.
도 2의 (b), (c), (d)는 도 2의 (a)를 반복하는 과정을 통해 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 2D 방향으로 확장하여 직물 형태로 제작하는 과정을 나타낸다.
이때, 도 2의 (b)는 형상기억합금 와이어를 재진입 구조로 매듭지어 y축으로 확장하는 과정을 나타낸다.
도 2의 (c)는 형상기억합금 와이어를 재진입 구조로 매듭지어 x축으로 확장하는 과정을 나타낸다.
도 2의 (d)는 앞선 도 2의 (b)와 (c)를 반복하여 x축과 y축으로 매듭을 확장하는 과정을 나타낸다.
즉, 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 가지고 매듭을 반복하면 도 2의 (b)와 같이 아래 방향, 즉, y축으로만 확장된 구조를 만들게 된다. 따라서, 다른 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 추가하여 옆으로 붙여서 매듭을 짓게 되면 옆으로, 즉, x축 방향으로 확장된 구조를 얻을 수 있다.
이와 같이, 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 매듭지어서는 y축 방향으로 확장하는 구조가 제작되고 여러 쌍의 형상기억합금 와이어를 연결하여 매듭짓게 되면 x축으로 확장된 구조를 제작하게 된다. 도 4와 같이, 한 쌍의 형상기억합금 와이어가 짝이 되어 총 8개 쌍을 매듭짓게 되면 총 8개의 구역이 형성된다.
이때, 도 4의 1 구역의 양 끝단에 전류를 인가하면 1 구역으로만 전류가 흐르는 것이 아닌 인접한 구역으로 전류가 흐르게 되고 이를 조절하기 불가능하다. 전류가 흐르게 되는 원인은 서로 인접한 구역이 물리적 접촉을 이루고 있고, 형상기억합금은 도체성 물질이기 때문에 서로 닿고 있으면 전류가 흐르기 때문이다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 형상기억합금의 표면에 절연성 폴리머 박막을 아주 얇게 코팅함으로써, 인접한 부분으로 전류가 흐르는 걸 방지할 수 있어, 전류가 인가된 1 구역으로만 전류가 흐르게 할 수 있다.
도 3은 도 2의 (a), (b), (c), (d)의 매듭 과정에서 쉽게 풀어지지 않는 매듭을 형성하기 위해 사용한 매듭 방식을 나타낸다. 즉, 도 3은 꼭지점과 모서리를 공유하는 인접한 각 기둥에서 나오는 두 개의 형상기억합금 와이어를 매듭짓는 과정을 나타낸다.
도 4는 몰드를 활용해 형상기억합금 와이어를 매듭짓고 이를 통해 메타 구조의 직물형 액추에이터를 제작하는 과정을 나타낸다. 즉, 8쌍의 형상기억합금 와이어를 매듭지어 직물형 액추에이터를 단일 개체로 제작하는 과정을 나타낸다.
맞춤형 알루미늄 몰드는 형상 기억 과정에서 구조물을 제자리에 고정하기 위한 프레임으로 사용된다. 직물형 액추에이터의 기둥을 구성하는 와이어 쌍은 서로 다른 색상으로 구분되며, 각 와이어 쌍은 색상으로 일치된다.
몰드를 활용해 형태를 갖춘 직물형 액추에이터는 형상기억과정을 위하여 390° 고온에서 1시간 가열하고 찬물에 급속 냉각하는 과정이 총 3번 수행된다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 다음과 같다.
도 2의 (a)에 따르면, 재진입 구조의 단위 격자는 6개의 꼭지점이 6개의 모서리로 연결되어 나비 넥타이 모양과 유사하다. 매듭을 통해 이러한 독특한 모양을 형성하기 위해 두 개의 형상기억합금 와이어들(1과 1’로 표시)이 사용된다.
먼저, 형상기억합금 와이어들을 엇갈리게 매듭지어 중앙에 첫 번째 꼭지점을 형성한 후 두 와이어들을 각각 왼쪽과 오른쪽으로 분리하여 요각 팽창 단위의 상부를 형성한다. 그 다음, 아래쪽 절반에 추가 꼭지점을 매듭지은 후 두 개의 와이어들을 모아 중앙에서 매듭을 짓고 최종적으로 요각 형태의 하나의 단위 격자를 형성한다.
도 2의 (b)에 따르면, 마지막 꼭지점에서 나오는 두 개의 와이어들을 비틀고 동일한 과정을 반복하면 전체 구조가 한 방향, 즉, y축 또는 수직 방향으로 확장될 수 있다.
도 2의 (c)에 따르면, 구조를 다른 축, 즉, x축으로 확장하기 위해 형상기억합금 와이어 쌍을 매듭지어 인접한 보조 격자가 두 개의 꼭지점과 하나의 모서리를 공유하는 재진입 구조를 형성한다. 그 후, x축과 y축으로 팽창 구조를 형성하는 과정을 반복하여 2D 방향으로 확장된 팽창 형상기억합금 와이어 직물을 제작할 수 있으며, 이는 도 2의 (d)와 같다.
한편, 형상기억합금 와이어를 매듭지어 구현된 모든 꼭지점은 반복적인 작동 및 변형 중에 구조적 무결성이 높은 정적 지점으로 기능하도록 설계된다.
도 2에 따르면, 견고한 구조적 무결성을 보장하기 위해 꼭지점 매듭은 1단계: 인터레이싱(interlacing), 2단계: 정사각형 매듭 형성(forming square knot), 3단계: 소위 이중 정사각형 매듭 형성(tightening with the addition of forming a so-called double square knot)을 추가하여 조이는 3단계로 수행된다. 이러한 3개의 연속 단계에 따라 각 인터레이싱 프로세스 중에 3개의 마찰 점이 생성되어 변형이 있는 경우에도 꼭지점의 모양을 견고하게 유지하고 견고한 꼭지점이 변형되지 않은 정적 점으로 작동할 수 있게 된다.
도 4를 참조하면, 도 2의 팽창 직물을 형성하기 위해 형상기억합금 와이어를 매듭짓는 것은 매듭이 있는 정점이 생성되는 핀 포인트 역할을 하는 기둥이 있는 알루미늄 몰드를 사용한다.
이상의 4가지 특정 단계로 구성된 전체 인터레이싱 및 매듭짓기 절차는 도 2, 3, 4 각각에 표현되어 있다.
특정 부위에서 4단계에 걸쳐 형상기억합금 와이어의 엇갈림과 결절을 반복하여 팽창(auxetic) 구조의 매듭을 가지는 직물형 액추에이터(WHAF)가 제작된다.
도 5와 같이 공간적으로 구분된 구역별 구동 제어를 위하여 직물형 액추에이터의 표면에 페를린이 코팅된다. 즉, 하나의 형상기억합금 기반 직물형 액추에이터가 공간이 구분되어, 구역 별로 개별 구동이 가능하게 하기 위해 직물형 액추에이터의 표면에 5 마이크로미터 두께의 얇은 페를린(Parylene C) 코팅을 수행할 수 있다. 이를 통해 전도성을 띈 형상기억합금 표면을 절연시켜 전류 공급을 통한 줄가열 과정에서 인접한 영역으로 전류가 흘러 원하지 않는 공간이 가열되고 수축되는 현상을 억제시킬 수 있다.
이러한 페를린 코팅 과정은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 과정을 통해 수행되고, 이는 복잡하고 밀접한 구조의 표면에도 균일하고 견고하게 코팅 될 수 있도록 하는 과정이다.
페를린은 절연체이며, CVD, 즉, 가스 주입을 통한 코팅 방법을 사용하는 페를린 코팅은 아주 작은 틈 사이에도 균일하게 코팅할 수 있다. 따라서, 형상기억합금 표면에 페를린 코팅을 하게 되면, 매듭지어진 구조의 틈 사이 사이에 빠짐없이 페를린 박막이 코팅 될 수 있고, 이로 인해 구역 간에 전류가 흐르지 않게 할 수 있으므로 구역 별로 전류 제어가 가능하게 된다.
도 5에 따르면, 페를린 코팅을 수행한 형상기억합금 기반 직물형 액추에이터의 일부 구간에만 전류를 인가할시 인접한 영역에는 전류가 흐르지 않고 특정 구역에만 전류가 흐르도록 하여 해당 영역에서만 힘이 발생하고 수축하는 것을 알 수 있다.
이상의 과정을 통해, 형상기억합금 와이어를 매듭짓고 이를 확장한 2D 직물 형태이면서, 매듭을 지어 최종적으로 성형하는 형태가 음의 푸아송 비를 갖는 메타구조인 재진입(re-entrant) 구조를 가지고, 최종적으로 재진입 구조가 반복(tessellation)되어 전체 구조가 음의 푸아송 비를 갖는 메타 구조의 직물형 액추에이터를 제작할 수 있게 된다.
또한, 직물형 액추에이터의 표면에 페를린 박막 코팅을 수행함으로써, 표면 전도성 개질 및 이를 통한 구역별 구분 구동 제어가 가능하게 된다. 따라서, 전류 제어를 통해 직물형 액추에이터를 쉽고 효과적으로 제어할 수 있고, 햅틱 응용에 필수적인 다양한 공간 정보 제공을 수행할 수 있게 된다.
도 6은 실시예에 따른 간단한 봉제로 패시브(Passive) 원단과 연결된 액티브(Active) 원단으로 제작된 팽창(auxetic)-매듭 형상기억합금 원단을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 도 1 ~ 도 5에서 설명한 음의 푸아송 비를 가지는 메타 구조 직물형 액추에이터를 간단한 바느질을 통해 일반 옷감들과 결합시켜 착용형 디바이스로 응용하여 능동형 스마트 의복으로 제작될 수 있다.
(a) 확대 이미지는 형상기억합금 와이어가 어떻게 교차되고 매듭지어져서 재진입 구조의 타일 패턴을 형성하는지 나타낸다.
(b) 확대 이미지는 활성 직물(Active Fabric)의 가장자리가 어떻게 패시브 직물(Passive Fabric)과 함께 스티칭되어 있는지 또는 꿰매어져 있는지 나타낸다.
도 7은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 음의 포아송 비율 동작 시연을 설명한다.
도 7의 (a)를 참조하면, 직물형 액추에이터가 측면으로 신장되기 이전의 이미지를 나타낸다. 이때, 직물형 액추에이터의 전체 치수는 “80×75mm”로 측정된다.
도 7의 (b)를 참조하면, 직물형 액추에이터가 측면으로 신장된 이후의 이미지로서, 이때, 직물형 액추에이터의 전체 치수는 “155×90mm”로 측정된다.
계산된 음의 푸아송 비율은 수학식 1과 같이 계산된다.
[수학식 1]
도 7의 (c)를 참조하면, 직물형 액추에이터를 내측 방향으로 신장시키는 순서(① 화살표 방향)와 내측 신장 전후의 비교(② 화살표)를 나타낸다.
도 7의 동작 시연을 통해 한 축에 대한 변형(이완) 시 다른 축에도 동일한 변형(이완)을 갖는 것을 알 수 있다. 이렇게 음의 푸아송 비를 갖는 메타 구조는 굴곡진 표면의 곡률에 따라 구조가 적응하여 변하면서 효과적으로 밀착될 수 있다.
도 8은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 형상 맞춤(Shape-Fitting) 기능의 시연을 설명하고, 도 9는 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 사이즈 맞춤(Size-Fitting) 기능의 시연을 설명하는 사진이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 직물형 액추에이터가 반지름(R)이 1.9mm인 구(sphere)를 완전히 덮는 것을 나타낸다. 도 8의 (b)를 참조하면, 직물형 액추에이터가 축구공의 타원체 형태의 표면에 밀착됨을 나타낸다.
도 9의 (a)는 직물형 액추에이터를 가열한 후에 3D 방향으로 수축되고 압연된 경사면 모습(oblique view)을 나타낸 사진이고, 도 9의 (b)는 전면 모습(Front view)을 나타낸 사진이고, 도 9의 (c)는 측면 모습(Side view)을 나타낸 사진이다.
도 9와 같이, 2D 형태의 직물형 액추에이터를 원기둥 형태로 말아서 사용하게 되면 3D 방향으로 수축 혹은 이완하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 직물형 액추에이터는 능동적으로 착용자의 신체 사이즈에 적응하는 구조로 응용될 수 있다.
도 10은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터를 분할된 구역 별로 개별 전류 제어를 수행한 후 촬영한 열적 IR 이미지를 나타낸 사진이다.
도 10을 참조하면, 구역별 개별 전류 제어를 통한 라인 단위로 가열 시 특정 구역만 가열되어 해당 구역에만 수축하는 힘을 전달하는 것을 나타내고, 가열되는 모습은 열화상 카메라를 통해 기록되어 열적 IR 이미지를 획득한다. 구역별 개별 전류 제어를 통해 9가지의 서로 다른 정보를 착용자에게 전달하여 방향을 지시하는 데 사용될 수 있다.
1번은 왼쪽 구역에만 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지로, 이는 왼쪽 방향(Left, L)을 가리키는 정보로 사용될 수 있다.
2번은 중앙 구역에만 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지로, 이는 앞쪽 방향(Forward)을 가리키는 정보로 사용될 수 있다.
3번은 오른쪽 구역에만 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지로, 이는 오른쪽 방향(Right, R)을 가리키는 정보로 사용될 수 있다.
4번은 중앙과 왼쪽 구역에만 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지로, 이는 45°사선방향의 왼쪽(L-45°)을 가리키는 정보로 사용될 수 있다.
5번은 1번의 왼쪽 구역 및 3번의 오른쪽 구역에만 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지로, 이는 정지를 지시하는 정보로 사용될 수 있다.
6번은 중앙과 오른쪽 구역에만 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지로, 이는 45°사선방향의 오른쪽(R-45°)을 가리키는 정보로 사용될 수 있다.
7번은 오른쪽, 중앙, 왼쪽 구역에 차례대로 0.5초 간격으로 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지로, 왼쪽을 나타내는 방향과 움직임의 시작을 나타내는 타이밍에 대한 정보를 동시에 전달하는데 사용될 수 있다.
8번은 왼쪽, 중앙, 오른쪽 구역에 차례대로 0.5초 간격으로 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지로, 오른쪽을 나타내는 방향과 움직임의 시작을 나타내는 타이밍에 대한 정보를 동시에 전달하는데 사용도리 수 있다.
9번은 전체 구역(Total Squeeze)에 전류를 인가하고 가열하여 수축시킨 후 촬영한 열적 IR 이미지이다.
이와 같이, 도 10에 따르면, 구역 별로 개별 전류 제어를 통해 특정 구역에만 전류를 인가하고 가열하여 수축시킴으로써, 직물형 액추에이터를 웨어러블 햅틱 디바이스로 응용시 착용자에게 공간과 타이밍에 대한 정보를 직관적으로 제공할 수 있다.
도 11은 한 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 응용 예시를 나타내고, 도 12는 다른 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 응용 예시를 나타내고, 도 13은 또 다른 실시예에 따른 직물형 액추에이터의 응용 예시를 나타낸다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 실시예에 따른 직물형 액추에이터로 제작된 착용형 햅틱 디바이스는 팔목 부분에 밀착되어 착용할 수 있다.
착용형 햅틱 디바이스는 전술한 형상기억합금 기반 메타 구조의 직물형 액추에이터(Auxetic knotted-SMA)와 사이즈 조절 가능한(Adjustable) 끈(strap) 및 밴드 등을 활용해 제작된다. 이를 통해, 도 12와 같이 양손을 사용하지 못하는 경우, 예컨대, 이동형 장치 탑승 중 양손을 핸들에 고정시켜야 하는 경우, 착용형 햅틱 디바이스는 별도의 안내방송 혹은 네비게이션 확인 없이 팔목에 전달되는 방향에 대한 정보를 통해 이동 가능하도록 응용될 수 있다.
도 13을 참조하면, 착용형 햅틱 디바이스는 가상 현실(VR) 기기 및 VR 환경과의 호환을 통해 VR 환경 내에서 원격으로 로봇 및 운송 장치를 조종하는 경우, 예를 들어, 화성 탐사선 조종과 같이, 제한된 시각 정보 하에 방향 및 주변 공간에 대한 정보를 팔목에 직관적으로 전달하는 웨어러블 햅틱 디바이스로서 응용될 수 있다. 화성의 대기 환경 악화로 강한 모래폭풍으로 인해 시야가 제한된 상황을 가상 현실(VR)로 구현하고, 웨어러블 햅틱 디바이스를 통해 화상 탐사선의 전방, 측면, 후방의 장애물에 대한 정보를 전달할 수 있다. 이를 통해, 시야가 제한된 악조건에서 화성 탐사선을 조종하는 오퍼레이터(Operator)의 훈련(training)에 사용되거나, 실제 화성 탐사선 조종에 사용될 수 있다.
이상에서 본 개시의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 개시의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 개시의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 개시의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 한 쌍의 형상기억합금 와이어를 재진입 팽창 구조의 단위 격자에 매듭짓는 절차를 통해 재진입(re-entrant) 구조를 생성하는 단계,
    복수 쌍의 형상기억합금 와이어를 사용하여 상기 재진입 구조를 생성하는 단계를 반복하여 2차원 방향으로 형상기억합금 와이어 쌍들이 연결된 직물 구조를 생성하는 단계, 그리고
    상기 직물 구조의 와이어 쌍들을 몰드를 이용하여 매듭지어 단일 객체의 직물형 액추에이터를 제조하는 단계
    를 포함하는, 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 재진입 구조는,
    상기 매듭짖는 절차를 통해 성형된 형태가 음의 푸아송 비를 가지는, 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 제조하는 단계 이후,
    상기 직물형 액추에이터의 표면에 화학 증착법(CVD, Chmical-Vapor Deposition)을 이용한 필름막을 형성시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 필름막은,
    상기 직물형 액추에이터를 복수개의 구역 단위로 개별 전류 제어가 가능하게 하는, 제조 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 형성시키는 단계는,
    상기 직물형 액추에이터의 표면에 패를린(Parylene) 코팅(Coating)을 수행하여 전도성을 띈 형상기억합금 표면을 절연시키고, 상기 절연을 통해 전류가 유입되는 구역 외의 인접 구역으로 전류가 흐르지 않도록 억제시키는, 제조 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 직물 구조를 생성하는 단계는,
    상기 재진입 구조가 반복(tessellation)되어 음의 푸아송 비를 가지는 메타 구조인 상기 직물 구조를 생성하는, 제조 방법.
  6. 한 쌍의 형상기억합금 와이어가 재진입 팽창 구조의 단위 격자에 매듭짓는 절차를 통해 생성된 재진입(re-entrant) 구조가 반복되어 2차원 방향으로 형상기억합금 와이어 쌍들이 연결된 직물 구조이고, 상기 직물 구조의 와이어 쌍들이 몰드를 이용하여 매듭지어져 단일 객체를 이루는, 직물형 액추에이터.
  7. 제6항에서,
    상기 재진입 구조는,
    음의 푸아송 비를 가지는 메타 구조인, 직물형 액추에이터.
  8. 제7항에서,
    상기 재진입 구조가 반복(tessellation) 되어 전체 구조가 음의 푸아송 비를 가지는, 직물형 액추에이터.
  9. 제6항에서,
    복수개의 분할 구역 중에서 일부 구역만 가열되어 수축하는 힘을 전달하는 구역 단위의 개별 전류 제어를 위해 표면에 박막 코팅이 형성된, 직물형 액추에이터.
  10. 제9항에서,
    상기 박막 코팅은,
    패를린(Parylene) 코팅(Coating)을 포함하는, 직물형 액추에이터.
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