Исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций разработали трехмерные печатные сетчатые структуры, которые трансформируются из плоских слоев в заданные формы в ответ на изменения температуры окружающей среды. Новые структуры могут трансформироваться в более сложные конфигурации, чем те, которые могут быть достигнуты с помощью других изменяющих форму материалов и структур.
В качестве демонстрации исследователи напечатали плоскую сетку, которая при воздействии определенной разницы температур деформируется в форму человеческого лица. Они также разработали сетку, залитую проводящим жидким металлом, которая изгибается в виде купола, образуя активную антенну, резонансная частота которой меняется по мере деформации.
Новый метод проектирования команды можно использовать для определения конкретного шаблона плоских сетчатых структур для печати с учетом свойств материала, чтобы структура трансформировалась в желаемую форму.
Исследователи говорят, что в будущем их метод может быть использован для разработки складных конструкций, таких как палатки или навесы, которые автоматически разворачиваются и надуваются в ответ на изменения температуры или других условий окружающей среды.
Такие сложные, изменяющие форму структуры также могут быть использованы в качестве стентов или каркасов для искусственных тканей или в качестве деформируемых линз в телескопах. Вим ван Рис, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, также видит применение в мягкой робототехнике.
«Я бы хотел, чтобы это было включено, например, в роботизированную медузу, которая меняет форму, чтобы плавать, когда мы опускаем ее в воду», - говорит ван Риз.«Если бы вы могли использовать это как привод, например искусственную мышцу, приводом могла бы быть любая произвольная форма, которая трансформируется в другую произвольную форму. Тогда вы входите в совершенно новое пространство дизайна в мягкой робототехнике».
Ван Рис и его коллеги публикуют свои результаты на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences. Его соавторами являются Дж. Уильям Боли из Бостонского университета; Райан Труби, Арда Котикян, Дженнифер Льюис и Л. Махадеван из Гарвардского университета; Чарльз Лиссандрелло из лаборатории Дрейпера; и Марк Хоренштейн из Бостонского университета.
Лимит подарочной упаковки
Два года назад ван Рис предложил теоретический способ преобразования тонкого плоского листа в сложную форму, такую как человеческое лицо. До этого исследователи в области четырехмерных материалов - материалов, предназначенных для деформации с течением времени - разработали способы изменения или преобразования определенных материалов, но только в относительно простые структуры.
«Моя цель состояла в том, чтобы начать со сложной трехмерной формы, которую мы хотим получить, например, с человеческим лицом, а затем спросить: «Как нам запрограммировать материал, чтобы он получился?», - говорит ван Рис.. «Это проблема обратного проектирования».
Он придумал формулу для расчета расширения и сжатия, которых должны достичь области листа двухслойного материала, чтобы достичь желаемой формы, и разработал код для имитации этого в теоретическом материале. Затем он применил формулу и представил, как этот метод может превратить плоский непрерывный диск в сложное человеческое лицо.
Но он и его сотрудники быстро обнаружили, что этот метод неприменим к большинству физических материалов, по крайней мере, если они пытались работать с непрерывными листами. Хотя ван Рис использовал непрерывный лист для своих симуляций, он был из идеализированного материала без каких-либо физических ограничений на степень расширения и сжатия, которого он мог достичь. Большинство материалов, напротив, имеют очень ограниченные возможности роста. Это ограничение имеет глубокие последствия для свойства, известного как двойная кривизна, означающего поверхность, которая может искривляться одновременно в двух перпендикулярных направлениях - эффект, который описан в почти 200-летней теореме Карла Фридриха Гаусса под названием «Теорема Эгрегиум» (лат. «Замечательная теорема».
Если вы когда-нибудь пробовали упаковать футбольный мяч в подарочную упаковку, вы уже сталкивались с этой концепцией на практике: преобразовать бумагу, которая вообще не имеет кривизны, в форму мяча, имеющего положительную двойную кривизну., вы должны согнуть и скомкать бумагу по бокам и внизу, чтобы полностью обернуть шар. Другими словами, чтобы бумажный лист приспособился к форме с двойной кривизной, он должен был бы растягиваться или сжиматься, или и то, и другое в необходимых местах, чтобы равномерно обернуть мяч.
Чтобы придать изменяющему форму листу двойную кривизну, исследователи переключили основу структуры с непрерывного листа на решетку или сетку. Идея была двоякой: во-первых, температурный изгиб ребер решетки привел бы к гораздо большему расширению и сжатию узлов сетки, чем можно было бы достичь в сплошном листе. Во-вторых, пустоты в решетке могут легко приспосабливаться к большим изменениям площади поверхности, когда ребра предназначены для роста с разной скоростью по всему листу.
Исследователи также спроектировали каждое отдельное ребро решетки так, чтобы оно изгибалось на заданную степень, чтобы создать форму, скажем, носа, а не глазницы.
Для каждого ребра они включили четыре более тонких ребра, расположив два в линию над двумя другими. Все четыре мини-ребра были изготовлены из тщательно отобранных вариантов одного и того же базового материала, чтобы откалибровать требуемые различные реакции на температуру.
Когда четыре мини-ребра были соединены вместе в процессе печати, чтобы сформировать одно большее ребро, ребро в целом могло искривляться из-за разницы в температурной реакции между материалами меньших ребер: если один материал более чувствителен к температуре, он может предпочесть удлинение. Но поскольку он связан с менее чувствительным ребром, которое сопротивляется удлинению, вместо этого будет искривляться все ребро.
Исследователи могут играть с расположением четырех ребер, чтобы «предварительно запрограммировать», изгибается ли ребро в целом, образуя часть носа, или опускается вниз как часть глазницы.
Формы разблокированы
Чтобы изготовить решетку, которая принимает форму человеческого лица, исследователи начали с трехмерного изображения лица, а точнее, лица Гаусса, принципы геометрии которого лежат в основе большей части работы команды. подход. Из этого изображения они создали карту расстояний, на которые плоская поверхность должна подняться или опуститься, чтобы соответствовать форме лица. Затем Ван Рис разработал алгоритм для преобразования этих расстояний в решетку с определенным набором ребер и соотношением мини-ребер внутри каждого ребра.
Команда напечатала решетку из PDMS, распространенного эластичного материала, который естественным образом расширяется при воздействии повышения температуры. Они отрегулировали температурную чувствительность материала, добавив в один из его растворов стекловолокно, что сделало его физически более жестким и более устойчивым к изменению температуры. Напечатав решетчатые узоры материала, они выдержали решетку в печи при температуре 250 градусов по Цельсию, затем вынули ее и поместили в ванну с соленой водой, где она охладилась до комнатной температуры и приняла форму человеческого лица.
Команда также напечатала решетчатый диск из ребер, залитых жидкими металлическими чернилами - своего рода антенну, резонансная частота которой менялась по мере того, как решетка превращалась в купол.
Ван Рис и его коллеги в настоящее время изучают способы применения сложных формоизменяющих материалов к более жестким материалам для более прочных применений, таких как термочувствительные палатки и самодвижущиеся плавники и крылья.