Ingeniører 3D udskriver smarte objekter med legemliggjort logik

Selv uden en hjerne eller et nervesystem, Venus flyvefælde ser ud til at træffe sofistikerede beslutninger om, hvornår man skal lukke potentielt bytte, samt at åbne, når den ved et uheld har fanget noget, den ikke kan spise.

Forskere ved University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science har hentet inspiration fra denne slags systemer. Ved hjælp af stimuli-responsive materialer og geometriske principper, de har designet strukturer, der har "legemliggjort logik." Alene gennem deres fysiske og kemiske makeup, de er i stand til at bestemme, hvilke af flere mulige svar der skal foretages som reaktion på deres miljø.

Trods ingen motorer, batterier, kredsløb eller processorer af enhver art, de kan skifte mellem flere konfigurationer som reaktion på forudbestemte miljømæssige signaler, såsom fugtighed eller oliebaserede kemikalier.

Brug af 3D-printere med flere materialer, forskerne kan lave disse aktive strukturer med indlejrede hvis/derefter logiske porte, og kan styre timingen for hver port, muliggør kompliceret mekanisk adfærd som reaktion på simple ændringer i miljøet. For eksempel, ved at anvende disse principper kunne en vandforureningsovervågningsanordning være designet til kun at åbne og indsamle en prøve i nærvær af et oliebaseret kemikalie, og når temperaturen er over en vis tærskel.

Penn Engineers offentliggjorde en open access -undersøgelse, der skitserede deres tilgang i tidsskriftet Naturkommunikation .

Undersøgelsen blev ledet af Jordan Raney, adjunkt i Penn Engineering's Institut for Maskinteknik og Anvendt Mekanik, og Yijie Jiang, en postdoktor i sit laboratorium. Lucia Korpas, en kandidatstuderende i Raneys laboratorium, også bidraget til undersøgelsen.

Raneys laboratorium er interesseret i strukturer, der er bistabile, hvilket betyder, at de kan holde en af ​​to konfigurationer på ubestemt tid. Det er også interesseret i lydhøre materialer, som kan ændre deres form under de korrekte omstændigheder.

Disse evner er ikke i sagens natur forbundet med hinanden, men "legemliggjort logik" trækker på begge dele.

"Bistabilitet bestemmes af geometri, der henviser til, at reaktionsevne kommer ud af materialets kemiske egenskaber, "Raney siger." Vores tilgang bruger multimateriale 3D-print til at bygge bro over disse separate felter, så vi kan udnytte materialets lydhørhed til at ændre vores strukturs geometriske parametre på de helt rigtige måder. "

I tidligere arbejde, Raney og kolleger havde demonstreret, hvordan man 3D-udskriver bistabile gitter af vinklede silikonebjælker. Når de presses sammen, bjælkerne forbliver låst i en spændet konfiguration, men kan let trækkes tilbage til deres udvidede form.

Denne bistabile adfærd afhænger næsten udelukkende af bjælkens vinkel og forholdet mellem deres bredde og længde, "Raney siger." Komprimering af gitteret gemmer elastisk energi i materialet. Hvis vi kontrollerbart kunne bruge miljøet til at ændre bjælkernes geometri, strukturen ville stoppe med at være bistabil og ville nødvendigvis frigive dens lagrede belastningsenergi. Du ville have en aktuator, der ikke har brug for elektronik til at afgøre, om og hvornår aktivering skal finde sted. "

Formskiftende materialer er almindelige, men finkornet kontrol over deres transformation er sværere at opnå.

"Mange materialer absorberer vand og ekspanderer, for eksempel, men de udvider i alle retninger. Det hjælper os ikke, fordi det betyder, at forholdet mellem bjælkernes bredde og længde forbliver det samme, "Raney siger." Vi havde brug for en måde at begrænse ekspansion til kun én retning. "

Forskernes løsning var at indgyde deres 3D-trykte strukturer med glas- eller cellulosefibre, løber parallelt med bjælkens længde. Ligesom kulfiber, dette uelastiske skelet forhindrer bjælkerne i at forlænge, men tillader rummet mellem fibrene at ekspandere, øge bjælkernes bredde.

Med denne geometriske kontrol på plads, mere sofistikerede formændrende reaktioner kan opnås ved at ændre det materiale, bjælkerne er lavet af. Forskerne lavede aktive strukturer ved hjælp af silikone, som absorberer olie, og hydrogeler, som optager vand. Varme- og lysfølsomme materialer kunne også inkorporeres, og materialer, der reagerer på endnu mere specifikke stimuli, kan designes.

Ændring af bjælkernes startlængde/breddeforhold, samt koncentrationen af ​​de stive indre fibre, giver forskerne mulighed for at producere aktuatorer med forskellige følsomhedsniveauer. Og fordi forskernes 3D-trykningsteknik tillader brug af forskellige materialer i det samme tryk, en struktur kan have flere formændrende svar på forskellige områder, eller endda arrangeret i en rækkefølge.

"For eksempel, "Jiang siger, "vi demonstrerede sekventiel logik ved at designe en boks, der, efter udsættelse for et egnet opløsningsmiddel, kan autonomt åbne og derefter lukke efter en foruddefineret tid. Vi har også designet en kunstig Venus flyvefælde, der kun kan lukke, hvis der påføres en mekanisk belastning inden for et bestemt tidsinterval, og en kasse, der kun åbner, hvis både olie og vand er til stede. "

Både de kemiske og geometriske elementer i denne legemliggjorte logiske tilgang er skalauafhængige, hvilket betyder, at disse principper også kunne udnyttes af strukturer i mikroskopiske størrelser.

"Det kan være nyttigt til applikationer inden for mikrofluidik, "Raney siger." I stedet for at bruge en solid-state sensor og mikroprocessor, der konstant læser, hvad der strømmer ind i en mikrofluid-chip, vi kunne, for eksempel, design en port, der lukker automatisk, hvis den registrerer en bestemt forurening. "

Andre potentielle applikationer kan omfatte sensorer i fjernbetjening, hårde miljøer, såsom ørkener, bjerge, eller endda andre planeter. Uden behov for batterier eller computere, disse legemlige logiske sensorer kunne forblive i dvale i årevis uden menneskelig interaktion, springer først i gang, når den får den rigtige miljømæssige cue.