纺织基软体机器人结构设计与驱动性能研究

杨梦馨 李浩云 Iqbal M Irfan 孙丰鑫

摘要：针对现有软体气动机器人制备成本高、设计灵活性差、功率密度低、控制技术复杂等问题，文章以鞘芯结构的涤纶/氨纶弹性纱为基材编织针织罗纹组织，以涤纶纱为纬向衬垫纱间隔织入，形成力学各向异性的针织衬纬组织，并将该衬纬组织作为包覆层与气囊内胆装配，实现具有高致动应变、低能量耗散的高性能纺织基气动机器人开发。文章通过力学性能和驱动变形测试，表征分析了衬纬组织织物层的各向异性力学特征和针脚排列方式等因素对软体机器人驱动性能、变形特征、输出力和运动状态的影响规律。结果表明：纺织基软体机器人展现了优良的弯曲应变（弯曲曲率可达0.27 cm），高的驱动力输出（13 N/kg）。此外，开发的纺织基气动机器人具有低成本、设计灵活快捷、操控简单等优势，可通过编织结构设计和针脚方向的配置实现多模式的复杂变形，在可穿戴医疗康复训练设备和软体抓取器件等领域具有可观的应用前景。

关键词：软体机器人；智能驱动器；多模式运动；医疗可穿戴；纺织结构；预编程

中图分类号：TS05; TP302.7

文献标志码：A

文章编号：10017003（2024）02000108

DOI：10.3969/j.issn.1001-7003.2024.02.001

收稿日期：20230619;

修回日期：20231220

基金项目：国家自然科学基金项目（12272149;11802104）；中国博士后科学基金项目（2023M741400）；国家重点研发计划项目（2017YFB0309200）

作者简介：杨梦馨（1997），女，硕士研究生，研究方向为织物基气动软体机器人。通信作者：孙丰鑫，副教授，fxsun@jiangnan.edu.cn。

软体机器人能够完成传统刚性机器人所不能完成的复杂任务。与刚性机器人相比，它们具有灵活性好、顺应性强、功率密度高、驱动简单、交互安全等优点。因此，软体机器人被广泛应用在内科手术操作、农业采摘、柔性机械手和可穿戴设备等领域。

由于气动软体机器人响应快速、人机交互性友好、良好的复杂环境适应性等特性，受到研究者和工业界的普遍关注。现有气动软体机器人设计中最常用的材料是硅基弹性体、聚乙烯弹性膜等，然而，这些弹性体的制作过程一般较为复杂，固化过程耗时，且固化后难以循环和再利用等问题，因而制备成本较高。另外，常见的弹性体膜往往是力学各向同性的，因而气体驱动中难以实现单一方向膨胀，易造成能量的损耗。具有多尺度结构的纺织材料，可以通过结构编程设计，实现各向异性的力学性能，为解决该问题提供了途径。而且纺织品制备工艺成熟、生产效率高，同时具备好的柔顺性、质量轻、力学鲁棒性等明显优势，以及优异的触觉舒适性和亲肤性。因此，纺织基软体机器人成为人机交互和可穿戴领域的理想候选者。

现有纺织基软体机器人研究主要是将纤维、纱线、织物等应变限制器结合到柔性物体上，当驱动膨胀时，应变限制器会施加限制作用力，控制特定的形状，如弯曲、扭转、螺旋等。但是，对于纤维和纱线限制器来说，它们在驱动过程中会对弹性体产生剪切作用，导致气囊破裂并严重降低软体机器人的耐用性。在织物限制器方面，哈佛大学率先提出了针织和机织复合使用的弯曲变形软体机器人，然而基于传统织物结构设计的气动驱动器因织物层仍存在多方向相似的弹性而导致驱动应变小和驱动效率低等问题。

鉴于此，本研究将衬纬针织组织引入气动驱动器的织物层，并通过改变针脚方向和材料杨氏模量诱导驱动器不同的变形模式，从而实现软体机器人可预编程的多模式运动。此外，本研究进一步展示了软体机器人可用于多种材质物体的抓握和人体辅助运动等应用，在智能纺织品和其他医学康复领域展现了可觀的应用前景。

1 实 验

1.1 材 料

44.4 dtex氨纶（诸暨利群化纤有限公司），69.9 tex涤纶（青岛宏利纱线有限公司），厚度0.3 mm、邵氏硬度25弹性气囊（常州嬴安杨仪器有限公司），尼龙扎带（上海以瑟电子科技有限公司）。

1.2 仪器与设备

FA507B型环锭细纱机（无锡恒久电器技术有限公司），HZL-357ZP-C型缝纫机（日本重机），Micro LAB-110型高速摄像机（美国阿美特克），CMT6103型电子万能试验机（山东万辰试验机有限公司），FA2004N型电子天平（常州市衡正电子仪器有限公司）。

1.3 气动软体机器人的制备

1.3.1 各向异性针织护套层的制备

首先采用FA507B型环锭细纱机纺制氨纶包芯纱，纺纱工艺：以6.6 g/10 m涤纶粗纱、44.4 dtex氨纶丝为原料，纺制15 tex氨纶包芯纱，捻系数340，总牵伸24倍，后区牵伸1.1倍，氨纶丝牵伸倍数3.5倍。细纱机工艺参数：前罗拉隔距 18 mm，后罗拉隔距45 mm，锭速12 000 r/min。基于衬纬结构的各向异性针织物在双针床电脑横机上进行编织，以氨纶包芯纱为成圈纱、高模量涤纶纱线为衬垫纱，机号E20，编织宽度127 cm。在织造过程中，包芯纱由前后织针间隔钩住，相互交错，交替形成前后线圈，高模量涤纶纱线嵌入线圈对之间。通过优化衬纬针织物的间隔针迹，可以增强布面的稳定性，并保持布面的弹性。最后将涤纶纱线用HZL-357ZP-C型缝纫机在距两侧布边各10 mm的地方缝制一条应变限制纱线以形成应变梯度诱导弯曲应变，再将长方形织物平行于经向的两边用涤纶纱线缝合在一起形成圆筒形针织护套。

1.3.2 气动软体机器人的组装

将各向异性衬纬组织的针织护套层包裹在半径8 mm、长度200 mm的薄壁圆桶弹性气囊外，用3D打印机打印半径8 mm的导气管并与气囊、织物层装配固定在一起，如图1所示。为了保证气密性，气囊与导气管间用胶黏接，然后用扎带环绕在导气管和气囊黏接处并同时将织物扎结固定。由于软体机器人的装配是将二维的衬纬织物层采用弹性较低的涤纶线进行缝合形成三维管状形态，因此缝合线可作为应变限制纱。将软体机器人有应变限制纱线的一侧称为低弹性区，其他区域则称为高弹性区，由此使圆柱形驅动器沿着径向形成模量梯度。连接自主设计的气动控制系统，在气体驱动时，高弹性区域优先在纵向上产生应变，而低弹性区域被限制应变，此时软体机器人形成弯曲变形效果，实现纺织基弯曲软体机器人的构建。

1.4 测试与表征

1.4.1 结构与性能测试

拉伸性能测试：将设计的衬纬针织物层剪成30 mm×200 mm大小，使用CMT6103型电子万能试验机对织物层进行拉伸性能测试，设置夹持距离100 mm，拉伸速度100 mm/min，预加张力为1 N，每种样品分别测试3次，测量值以（平均值±标准差）表示，得到不同织物的应力应变曲线。

加压后弯曲曲率表征：使用Micro LAB-110型高速摄像机拍摄加压后软体机器人的运动过程，软体机器人的初始长度设为200 mm，根据比例，测量不同压力下软体机器人的弯曲半径，算得其弯曲曲率。

加压后阻断力测试：将加压后的软体机器人对FA2004N型电子天平施加压力，作用时间5 s，测定充气后软体机器人末端的阻断力。测试过程中，软体机器人的充气端固定且保持固定端的切线呈水平状态，以保证不同压力下末端初始位置的稳定性，从而确保阻断力测试的可靠性。

1.4.2 多模式运动性能测试

织物模量对软体机器人性能的影响测试：将三种不同拉伸模量的针织物制成尺寸相同的软体机器人，给其施加相同的压力，对比不同模量机器人产生的曲率差异。

织物针脚方向对软体机器人运动性能的影响测试：将织物斜裁为200 mm×50 mm的长方形，对比其与直裁织物在相同气压下产生的运动性能差异。

软体机器人直径对其运动性能的影响测试：将织物斜裁为上底边50 mm、下底边100 mm、高300 mm的梯形，并装配成软体机器人，观察其在同一气压下不同直径处的曲率。

1.4.3 运动和变形性能测试

机械臂运动性能测试：使用软体机器人加压后产生的弯曲运动辅助机械臂手肘进行运动，首先将软体机器人固定于人体假肢模型，之后通过增减驱动气压来驱动气动驱动器，并观测不同气压下人体假肢的抬起高度。

软体机器人末端运动轨迹测试：将具有多种运动轨迹的软体机器人连接在一起，将其垂直悬挂，使用视频分析工具（Tracker）记录软体机器人尖端在X、Y和Z方向上的轨迹，以确定软体机器人的弯曲和扭曲行为。

软体机器人抓握力测试：使用FlexiForce柔性力传感器作为位于软体机器人末端和被抓握物体之间的探针，测得在不同压力下软体机器人夹持物体时的抓握力，每种压力下作用时间为5 s，记录5 s内的平均抓握力作为实验结果。

2 结果与分析

2.1 织物结构与拉伸各向异性

软体机器人主要由两部分组成：一个管状的薄壁弹性气囊，作为基本的气动通道；另一个是基于针织衬纬组织形成的纺织护套，其包裹在弹性气囊外侧，限制气囊充气后的形变。通过调控纺织结构可获得纺织品不同方向的差异性弹性模量，进而实现对软体机器人的变形的调控。本研究主要探讨通过针织结构的各向异性设计和针脚方向实现软体机器人不同的驱动变形。

常见的纬编针织结构（如罗纹针织物）在经向和纬向均具有良好的弹性，因而在受力时在各个方向均易发生显著的拉伸变形。本研究在罗纹针织线圈的纬向引入低弹性的衬垫纱（图2），限制了织物在纬向的拉伸变形，使纬向获得高模量；然而织物的经向仍然保持了优异的拉伸弹性，并且纬向拉伸应变的限制反而在织物受到双轴拉伸时不受纬向伸长的影响，而促进其经向的弹性。本研究定量比较了沿无衬垫纱方向（经向）的织物拉伸性能与沿着衬垫纱方向（纬向）的织物拉伸性能，如图3所示。由图3可见，在应变小于200%的拉伸过程中，纬向模量是经向模量的100多倍，展现了衬纬针织物突出的各向异性力学弹性。

2.2 纺织基软体机器人的驱动性能

将力学各向异性的衬纬针织物包裹在圆柱形气囊外侧，二维织物形成三维管装需要将两端拼接缝合，缝合线采用弹性较低的涤纶纱线，因此该涤纶纱线限制驱动器一侧的弹性，在驱动中导致沿驱动器径向的应变梯度，实现弯曲软体机器人的制备。由于外侧包裹的衬纬针织物在其纵向和横向的各向异性，限制圆柱形软体机器人的径向膨胀，因此在受到气压驱动时，能量主要贡献于长度方向的伸长。该特性是提升纺织基软体机器人驱动效率，提高驱动应变的关键。随着压力的增大，弯曲软体机器人展现了高的输出力，如图4所示。由图4可见，在70 kPa气压下，测量的阻断力超过100 cN，该力值是此软体机器人自身质量（8 g）对应重力的10倍以上，体现了纺织基软体机器人高的质量比功率。

为了进一步阐释基于衬纬针织物的软体机器人的优异特性，本研究进一步比较了衬纬针织物和普通纬编针织物制成的气动驱动器在不同压力下的弯曲驱动变形能力，如图5所示。由图5可见，随着气压增加，衬纬针织软体机器人表现出更高的灵敏度和更大的弯曲曲率，在60 kPa输入气压下其弯曲曲率可达0.27 cm；而普通针织物制备的软体机器人最大弯曲曲率只能达到0.044 cm。这归因于衬纬纱可以限制驱动器的径向膨胀，避免了能量耗散，使其在不同压力下径向膨胀的比例远低于轴向伸长的比例。需要指出的是，驱动器的弯曲曲率主要由驱动器内外的杨氏模量差决定。随着供应压力的增加，外部应变增大，导致杨氏模量升高（图3），从而使驱动器内外的杨氏模量差变小。当外部杨氏模量接近内部杨氏模量时，弯曲曲率的变化将满足有限响应。因此，随着供应压力从20～40 kPa的增加，基于三层编织物的驱动器的弯曲曲率急剧增加；而当压力超过50 kPa时，曲率变化较小，当压力从60 kPa变为70 kPa时，曲率几乎保持不变（图5）。此外，将圆柱形弯曲软体机器人看成杆元件，其总体弯曲刚度EI受到其固有弹性模量E和杆元件截面惯性矩I的协同影响，其中截面惯性矩I正比于软体机器人直径的四次幂。由此进一步说明径向膨胀会增大截面惯性矩而增加其弯曲刚度，进而阻碍弯曲驱动变形。因此，通过设计沿着软体机器人径向的衬纬纱限制其径向膨胀变形，从弯曲力学角度，也是增大其驱动应变的重要策略。

對于基于衬纬针织物的软体机器人而言，在具备较好的弯曲柔度和工作能力的同时，在实际使用中，循环性能也是影响其使用周期的关键因素。尤其是在输入气压较大的情况下，过度拉伸可能会导致软体机器人的结构被破坏，从而影响其耐久性。在此，本研究对该软体机器人在高气压下（50 kPa）和低气压下（10 kPa）进行了50次的充气放气循环测试，如图6所示。由图6可见，在50次循环之后，软体机器人的阻断力几乎不变，表明了该软体机器人有较好的循环驱动效果和优良力学鲁棒性，可以很容易地应用于实际中。

2.3 多模式运动性能分析

通过针脚方向设计和不同材料弹性模量选配，实现软体机器人在单一气源控制下的卷绕、螺旋和弯曲等多模式变形形态，如图7所示。在传统的气动软体机器人中，多模式变形往往需要多组气源和充气管路的配合才能实现。为了在柔软的身体上赋予更复杂的运动，可以通过协同考虑改变织物的纤维/纱线模量和针织针脚方向等几何参量、力学参量对纺织软体驱动器的变形曲率与运动模式进行简单的编程设计，进而实现多重运动形式。设计出通过单一气源控制的顺次变形的软体抓取机器人，避免了复杂的连接结构和多源气动控制系统。因此，该设计充分展示了纺织多尺度结构在软体机器人形变可预编程性、设计灵活性和便捷性等方面的独特优势。由图7（a）可见，在驱动器弹性区域中的低模量部分会在充气时表现出更大弯曲变形，当杨氏模量在～10 MPa时，软体机器人可形成高曲率的卷绕变形（Ⅲ部分）；通过以约为45°排列针脚方向来创建螺旋运动形态（Ⅱ部分），可实现充气驱动过程中的螺旋和收缩冲程，以执行不同的变形需求，如物品提起和多点抓握等；当提升弹性区域的模量到～10 MPa时，虽然受到与Ⅲ部分和Ⅱ部分一样的气压控制，但Ⅰ部分展现了较小的弯曲变形。本研究还可以通过调整半径进一步设置驱动器的弯曲曲率，以实现类似触手的运动。由图7（c）可见，通过调整半径大小来制造锥形驱动器，以实现不同的弯曲效果，使其在不同压力（30、40、50 kPa）下充气时，曲率变化范围从 0.14～0.23 cm（图7（d））。

2.4 在医疗可穿戴与抓取机器人领域的应用举例

高性能纺织基驱动器可以提供良好的佩戴舒适性，同时纺织品固有的透气性、柔顺性和良好的触觉极大地提高了人机交互的安全性和舒适性，因此纺织基驱动器可用于辅助运动等医疗可穿戴领域。本研究制作了一条20 cm长的纺织基弯曲驱动器作为辅助人肢体运动的人工肌肉动力源，将其固定在手臂外侧，以辅助手臂运动，如图8所示。通过反复充压和释压，使驱动器膨胀弯曲和回复，从而驱动关节完成运动，驱动器的自身质量为0.019 kg，仅为机械臂质量（0.225 kg）的84%左右，展现了高效的驱动变形和高质量比功率。

除了可以用于医疗辅助外，还可以通过对针脚方向、针织材料等的设计实现软体机器人的预编程化，使其在单一气源控制下具有顺次的卷绕、螺旋和扭转的形态，用于抓取和提起物体。与普通弯曲软体机器人相比，螺旋软体机器人具有更大的接触面积和更复杂的运动形态，可以提供更有效的抓取能力，尤其是对于形状不规则的物体。软体机器人可以通过将尖端穿过胶带中心并通过扭转变形在非常短的时间内抓住并提起物体（图9）。由图9可以看出，在抓取过程中，第三节扭转软体机器人先进行扭转运动，使末端触手勾住目标物体，然后中间螺旋软体机器人通过螺旋收缩，将物体提升。此外，弯曲收缩和拉伸部分沿正交方向变形，以便在不同平面上变形并扩大工作空间。

由于其材料特性，驱动器非常柔软，因此可以适用于各种形状、质量和材质物体的抓取，并且不会损坏易碎物体。图10（a）展示了基于织物的驱动器在抓取和提升不同物体（如香蕉和花瓶）的多功能应用，其质量分别为150 g和300 g，驱动器（≈19 g）可以举起一个比自身质量高约16倍的花瓶（≈300 g）。本研究使用了力传感器作为位于软体驱动器和刚性或柔性形物体之间的探针，柔性压力传感器可以通过模拟人的触摸感觉来测量夹持力并进行实时反馈，如图10（b）所示。夹持力与弯曲驱动器的曲率变化密切相关，曲率变化由提供的压力决定，当压力超过40 kPa时曲率的变化变小（图10（c）），夹持力显示出小幅增加，并且随着压力从40 kPa增加到70 kPa而趋于稳定。该传感器在多个不同的气压下都表现出稳定的夹持力，夹持力的实时测量和分析值得进一步研究，通过将基于纺织品的传感器集成到驱动器中，以设计基于自感应和纺织品的智能驱动器。

3 结 论

采用高弹性的氨纶包芯纱作为针织圈纱，以涤纶低弹纱作为衬纬纱，织造了具有显著力学各向异性的衬纬针织物，并将衬纬针织物作为应力限制层包裹于气囊外，研发了大驱动应变、高能量利用率和高质量比功率的纺织基气动软体机器人。通过探讨不同织物模量、针织针脚方向等织物几何和力学因素对软体机器人运动的影响规律，实现了变形多样化、可预编程和灵活操控的多模式运动软体机器人的开发。进而实验验证了具有多种运动形态的单气源控制的软体机器人抓手、医疗辅助驱动器等应用，展现了纺织基气动驱动器更安全舒适的人机交互性，说明了纺织基驱动器在医疗可穿戴等智能设备的潜在应用，以及在人机交互中可观的应用前景。

参考文献：

［1］SINATRA N R， TEEPLE C B， VOGT D M， et al. Ultragentle manipulation of delicate structures using a soft robotic gripper［J］. Science Robotics， 2019， 4（33）： 1-11.

［2］SCHAFFNER M， FABER J A， PIANEGONDA L， et al. 3D printing of robotic soft actuators with programmable bioinspired architectures［J］. Nature Communications， 2018， 9： 1-9.

［3］GORISSEN B， REYNAERTS D， KONISHI S， et al. Elastic inflatable actuators for soft robotic applications［J］. Advanced Materials， 2017， 29（43）： 1604977.

［4］YANG S Y， KIM K， KO J U， et al. Design and control of lightweight bionic arm driven by soft twisted and coiled artificial muscles［J］. Soft Robotics， 2022， 10（1）： 17-29.

［5］HAO Y F， GONG Z Y， XIE Z X， et al. A soft bionic gripper with variable effective length［J］. Journal of Bionic Engineering， 2018， 15（2）： 220-235.

［6］SHE Y， CHEN J， SHI H L， et al. Modeling and validation of a novel bending actuator for soft robotics applications［J］. Soft Robotics， 2016， 3（2）： 71-81.

［7］HEUNG K H L， TONG R K Y， LAU A T H， et al. Robotic glove with soft-elastic composite actuators for assisting activities of daily

living［J］. Soft Robotics， 2019， 6（2）： 289-304.

［8］GREER J D， MORIMOTO T K， OKAMURA A M， et al. A soft， steerable continuum robot that grows via tip extension［J］. Soft Robotics， 2019， 6（1）： 95-108.

［9］QUINLIVAN B T， LEE S， MALCOLM P， et al. Assistance magnitude versus metabolic cost reductions for a tethered multiarticular soft exosuit［J］. Science Robotics， 2017， 2（2）： 1-10.

［10］SANCHEZ V， WALSH C J， WOOD R J. Textile technology for soft robotic and autonomous garments［J］. Advanced Functional Materials， 2021， 31（6）： 2008278.

［11］NG J L， SINGH T， KWAN L C， et al. Biotextilogy-prototyping and testing mechanical gradient textiles that emulate nature’s own［J］. Results in Materials， 2019， 2： 100018.

［12］WANG Y Q， LIU X L， ZHU C K， et al. Production and characterisation of novel phosphate glass fibre yarns， textiles， and textile composites for biomedical applications［J］. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2019， 99： 47-55.

［13］LASCHI C， CIANCHETTI M. Soft robotics： New perspectives for robot bodyware and control［J］. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology， 2014， 2（3）： 1-5.

［14］CACUCCIOLO V， RENDA F， POCCIA E， et al. Modelling the nonlinear response of fibre-reinforced bending fluidic actuators［J］. Smart Materials and Structures， 2016， 25（10）： 105020.

［15］KIM S Y， BAINES R， BOOTH J， et al. Reconfigurable soft body trajectories using unidirectionally stretchable composite laminae［J］. Nature Communications， 2019， 10： 3464.

［16］ZOU J， FENG M， DING N Y， et al. Muscle-fiber array inspired， multiple-mode， pneumatic artificial muscles through planar design and one-step rolling fabrication［J］. National Science Review， 2021， 8（10）： 1-11.

［17］GUAN Q H， SUN J， LIU Y J， et al. Novel bending and helical extensile/contractile pneumatic artificial muscles inspired by elephant trunk［J］. Soft Robotics， 2020， 7（5）： 597-614.

［18］CAPPELLO L， GALLOWAY K C， SANAN S， et al. Exploiting textile mechanical anisotropy for fabric-based pneumatic actuators［J］. Soft Robot， 2018， 5（5）： 662-674.

Study on the structural design and actuation performance of textile-based soft robotics

YANG Mengxin， LI Haoyun， IQBAL M Irfan， SUN Fengxin

（1.Laboratory for Soft Fibrous Materials， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;2.Department of Civil Engineering，The University of Hong Kong， Hong Kong 999077， China）

Abstract：Robots contribute a significant part of smart living and production in modern society. Compared to rigid robots composed of hard materials， soft pneumatic robotics constructed with flexible materials are more lightweight and flexible， offering greater compliance， environmental adaptability， and safety when interacting with humans and fragile objects. Therefore， they hold considerable promise in areas such as medical rehabilitation， human-robot interaction， and operations in unstructured complex environments. However， existing soft pneumatic robots constructed from multi-directional and highly deformable membrane materials often suffer from issues such as low power-to-weight ratio， complex control and fabrication processes， and poor skin-friendliness. Textile materials， as a category of typical fiber-based soft materials， offer opportunities for multi-scale controllable structural design. They possess characteristics like a solid phase with the ability to smoothly deform with multiple curvatures and high strength combined with flexibility. Consequently， they have the potential to enhance the power output， controllability， and applications of soft robots in the field of intelligent wearables.

On this basis， the multi-scale design strategy of textile structure was proposed in this study， and textile-based soft actuators with excellent performance were developed， so as to promote the practical applications of pneumatic actuators. In this study， the mechanical properties of the knitted fabric layer of the textile-based actuators were characterized， and the knitted layer with laying-in yarns and anisotropic mechanical behavior was designed to improve the actuating efficiency of the actuators. Furthermore， a comparison was made between the bending curvatures of soft robotics made by conventional knitting-based actuators and modified knitting-based actuators with laying-in stitches. A modified knitted architecture with laying-in yarns was pioneered to fabricate textile-based actuators. The loop yarn of the modified knitted fabric possessed core-sheath structure by wrapping spandex filaments with polyester fibers， so that high elasticity was achieved. The laying-in yarns were made of polyester fibers to endow the yarns with relatively low elasticity. The modified knitted fabric shows superanisotropic mechanical performance. Specifically， the Young’s modulus in the direction of laying-in yarns is up to 145 kPa， while the Young’s modulus in the orthogonal direction is only 1.1 kPa. Such an isotropic mechanical property of the designed fabric enhances the deformation of the actuator along fabric’s elastic direction but restricts the deformation in inelastic direction， endowing the fabricated actuator with high energy efficiency and blocking forces. A large bending curvature of 0.27 cm is achieved under a low applied pressure （60 kPa）. This bending actuation strain is much larger than that of actuators fabricated by conventional knitted fabrics. The multimode movements are achieved by programming the Young’s modulus of the fabrics to form bending， curling and coiling deformations. For the given size of the actuators， the bending curvature of the actuators ranges from 0.25 cm to about 0.13 cm when the Young’s modulus varies from 0.05 MPa to 5.6 MPa. Also， the bending curvature can be tuned by the dimension of the actuators， and a conical actuator can possess variable bending curvatures along its generatrix. The actuators can be used to assist arm motion， displaying high specific work， as indicated by the high actuation strain （over 90°） and high weight ratio between the arm weight （0.225 kg） and actuator weight （0.019 kg）. Moreover， the actuators can also be assembled to produce soft grippers to grip and then lift objects by a sequence deformation of the actuators driven by a monotonous air pressure source， and the gripping force can be easily tuned by controlling the supplied pressures.

Unlike the conventional strategy to integrate different components into actuators， a modified knitted architecture is used to fabricate actuators with superior actuation performance based on the hierarchical structure design of textiles. The proposed textile-based soft robotics fabricated based on the modified knitted fabric show a good bending actuation strain at low applied pressure， a large blocking force and high specific work. Also， the deformation of the actuators can be easily programmed by tuning the Young’s modulus and dimensional size based on the hierarchical textile manufacturing process， and thus the actuators possess low-cost and easy-fabrication features. The developed textile-based actuators are promising for diverse applications in soft robotics， medical rehabilitation training， soft gripper and other areas that are not possible with conventional linkage rigid actuators. This approach can be a paradigm to put forward structure innovation of textile-based actuators.

Key words：soft robotics; smart actuators; multi-modal movement; healthcare wearables; textile structures; preprogramming