Исследователи из Массачусетского технологического института и других странах разработали 3-D печатные сетки-как структуры, которые превращаются из плоских слоев в заданной фигуры, в ответ на изменения температуры окружающей среды. Новые структуры могут трансформироваться в конфигурациях, которые являются более сложными, чем другие оборотничеству материалы и конструкции позволяют добиться.
В качестве демонстрации исследователи напечатали плоские сетки, которые при воздействии на определенную разность температур, деформируется в форме человеческого лица. Кроме того, они разработали сетку врезал с токопроводящей жидкостью металл, который плавно переходит в купол, чтобы сформировать активную антенну, резонансная частота которых меняется по мере его деформирует.
Новый метод проектирования команда может использоваться, чтобы определить определенный рисунок плоских сетчатых конструкций для печати, учитывая свойства материала, для того чтобы сделать структуру преобразовать в нужную форму.
Исследователи говорят, что вниз по дороге, их методика может быть использована для разработки развертывания структур, таких как палатки или покрытия, которые автоматически раскрываются и надувать в ответ на изменения температуры или других условий окружающей среды.
Такие сложные, метаморфных структур также может быть использован как стенты или каркасы для искусственных тканей, или деформируемой линзы в телескопах. Вим ван Реес, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте, также видит приложений в мягкой робототехники.
“Я бы хотел увидеть это, например, робот-медуза, которая меняет форму, чтобы плавать, как положить его в воду”, — говорит Ван Риз. “Если бы вы могли использовать это в качестве привода, как искусственные мышцы, привод может быть любой произвольной формы, который трансформируется в другой произвольной формы. Затем вы входите в совершенно новый дизайн космос в мягкой робототехники”.
Ван Риз и его коллеги публикуют свои результаты на этой неделе в Трудах Национальной академии наук. Его соавторы Уильяма болей в Бостонском университете; Райан трубы, Арда Kotikian, Дженифер Льюис, л. Махадеван из Гарвардского университета, Чарльз Lissandrello лаборатории Дрейпера; и Марк Horenstein Бостонского университета.
Предел подарочная упаковка по
Два года назад, Ван Риз придумал теоретическую дизайн для того, чтобы превратить тонкий плоский лист в сложной формы, таких как человеческое лицо. До тех пор, исследователей в области 4-Д материалы — материалы, предназначенные для деформации с течением времени, были разработаны способы для некоторых материалов изменять или трансформировать, но только в относительно простых структур.
“Моей целью было начать со сложной 3-Д формы, которые мы хотим достичь, как человеческое лицо, а потом спрашивают, ‘Как мы можем запрограммировать материала, так как он туда доберется?’” Ван Риз говорит. “Это проблема обратного проектирования”.
Он придумал формулу для вычисления расширения и сжатия, что регионы двуслойные листам должны достичь, чтобы достичь желаемой формы, и разработала кодекс, чтобы смоделировать это в теоретический материал. Затем он привел формулу для работы, и визуализация, как метод может превратить плоский, сплошной диск в сложном человеческом лице.
Но он и его коллеги быстро нашли, что метод не будет применяться для большинства материалов, по крайней мере, если они пытались работать с непрерывными листами. В то время как Ван Реес используется сплошной лист для его имитации, это был идеализированный материал, без физических ограничений на размер расширения и сжатия он может достичь. Большинство материалов, напротив, имеют очень ограниченные возможности роста. Это ограничение существенно влияет на свойство, известное как двойной кривизны, то есть поверхности, которая может кривой одновременно в двух перпендикулярных направлениях — эффект, который описан в почти 200-летний теорема Карл Фридрих Гаусс назвал Теорема Egregium, Латинской для “замечательную теорему.”
Если вы когда-нибудь пытались завернуть подарок футбольный мяч, вы испытали эту концепцию на практике: трансформировать бумагу, которая не имеет никакой кривизны на всех, в форме шара, который имеет положительный двойной кривизны, вы должны мять и комкать бумагу по бокам и снизу, чтобы полностью обернуть шарик. Другими словами, на лист бумаги, чтобы приспособиться к форме двойной кривизны, то придется растянуть или договор, или оба, в нужных местах, чтобы обернуть равномерно мяч.
Чтобы придать двойную кривизну к оборотничеству лист, исследователи перешли основе структуры от непрерывного лист на решетки или сетки. Идея была двоякой: во-первых, температурное изгиб ребер решетки приведет к гораздо больше расширений и сокращений узлов сетки, не может быть достигнуто в непрерывном лист. Во-вторых, пустоты в решетке можно легко разместить большие изменения в площади поверхности, когда ребра предназначены, чтобы расти с разной скоростью по всему листу.
Исследователи также разработаны каждого ребра решетки гнулись при заданной степени для того, чтобы создать форму, скажем, нос, а не глазнице.
Для каждого ребра, они включены четыре стройнее ребер, устраивая две линии на двух других. Все четыре мини-нервюры были сделаны из тщательно отобранных вариации одного и того же базового материала, для калибровки требуются различные реакции на температуру.
Когда четыре мини-нервюры были стянуты в процессе печати, чтобы сформировать одну большую ребра, ребра как целые, может кривой из-за разницы в температуре реакции между материалами из небольших ребра: если один материал реагирует на температуру, она может предпочесть удлиненное. А потому, что он приклеен к менее чувствительным ребра, которое сопротивляется удлинению, все ребра вместо кривой.
Исследователи могут играть с обустройством четырех ребер для “перепрограммирования”, то ли ребра в целом кривые, чтобы сформировать часть носа, или опускается вниз как часть глазницы.
Формы разблокирован
Для того чтобы изготовить решетку, что изменения в форме лица человека, исследователи начали с 3-D изображение лицо — точнее, на лице Гаусса, чьи принципы геометрии лежат гораздо подхода команды. Из этого изображения, они создали карту расстояний плоскую поверхность потребует, чтобы подняться вверх или опустите вниз, чтобы соответствовать форме лица. Тогда Ван Риз разработал алгоритм для перевода этих расстояний в решетке с определенным рисунком ребер, а соотношение мини-нервюры в каждой нервюры.
Команда напечатано решетки из PDMS, общее резиноподобный материал, который естественным образом расширяется при воздействии повышения температуры. Они отрегулировать температуру отзывчивость материала вливая одно решение со стеклянными волокнами, что делает его физически более жесткая и более устойчива к изменению температуры. После печати модели кристаллической решетки материала, из которого они вылечили решетки в 250 градусов Цельсия духовку, затем вынул ее и положил его в ванной с соленой водой, где он охлаждается до комнатной температуры и превратились в форме человеческого лица.
Вежливость исследователей
Команда также напечатано решетчатый диск, изготовленный из ребер с встроенной жидких металлических чернил — антенны всякие, которые изменили его резонансной частоты как решетка превращается в купол.
В настоящее время ван Риз и его коллеги исследуют способы применения конструкции сложной формы-переход на более жесткие материалы, прочнее приложений, таких как температура реагирует палатки и самоходных плавники и крылья.
Это исследование было поддержано в части Национальным научным фондом, и Лаборатория Дрейпера.
