Denne flade struktur forvandles til form af et menneskeligt ansigt, når temperaturen ændres

Forskere ved MIT og andre steder har designet 3-D-printede mesh-lignende strukturer, der forvandles fra flade lag til forudbestemte former, som reaktion på ændringer i omgivelsestemperaturen. De nye strukturer kan forvandle sig til konfigurationer, der er mere komplekse, end hvad andre formskiftende materialer og strukturer kan opnå.

Som en demonstration, forskerne printede et fladt net, der når de udsættes for en vis temperaturforskel, deformeres i form af et menneskeligt ansigt. De designede også et net indlejret med ledende flydende metal, der buer ind i en kuppel for at danne en aktiv antenne, hvis resonansfrekvens ændres efterhånden som den deformeres.

Holdets nye designmetode kan bruges til at bestemme det specifikke mønster af flade mesh-strukturer til udskrivning, givet materialets egenskaber, for at få strukturen til at forvandle sig til en ønsket form.

Forskerne siger, at hen ad vejen, deres teknik kan bruges til at designe deployerbare strukturer, såsom telte eller belægninger, der automatisk folder sig ud og puster sig op som reaktion på ændringer i temperatur eller andre omgivende forhold.

Sådan komplekst, formskiftende strukturer kan også være nyttige som stents eller stilladser til kunstigt væv, eller som deformerbare linser i teleskoper. Wim van Rees, assisterende professor i maskinteknik ved MIT, ser også applikationer i blød robotteknologi.

"Jeg vil gerne se dette indarbejdet i, for eksempel, en robotvandmand, der ændrer form for at svømme, når vi putter den i vand, " siger van Rees. "Hvis du kunne bruge dette som en aktuator, som en kunstig muskel, aktuatoren kunne være en hvilken som helst vilkårlig form, der omdannes til en anden vilkårlig form. Så træder du ind i et helt nyt designrum inden for blød robotteknologi."

Van Rees og hans kolleger offentliggør deres resultater i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Hans medforfattere er J. William Boley fra Boston University; Ryan Truby, Arda Kotikian, Jennifer Lewis, og L. Mahadevan fra Harvard University; Charles Lissandrello fra Draper Laboratory; og Mark Horenstein fra Boston University.

Gavepapirs grænse

To år siden, van Rees kom med et teoretisk design til, hvordan man forvandler et tyndt fladt ark til en kompleks form, såsom et menneskeligt ansigt. Indtil da, forskere inden for 4-D materialer - materialer designet til at deformeres over tid - havde udviklet måder, hvorpå visse materialer kunne ændre sig, eller morph, men kun i relativt simple strukturer.

"Mit mål var at starte med en kompleks 3D-form, som vi gerne vil opnå, som et menneskeligt ansigt, og så spørg, "Hvordan programmerer vi et materiale, så det når dertil?" siger van Rees. "Det er et problem med omvendt design."

Han fandt på en formel til at beregne udvidelsen og sammentrækningen, som områder af et dobbeltlagsmaterialeark skulle opnå for at nå en ønsket form, og udviklet en kode til at simulere dette i et teoretisk materiale. Så satte han formlen i gang, og visualiserede, hvordan metoden kunne transformere en lejlighed, kontinuerlig disk ind i et komplekst menneskeligt ansigt.

Men han og hans samarbejdspartnere fandt hurtigt ud af, at metoden ikke ville gælde for de fleste fysiske materialer, i hvert fald hvis de forsøgte at arbejde med kontinuerlige ark. Mens van Rees brugte et kontinuerligt ark til sine simuleringer, det var af et idealiseret materiale, uden fysiske begrænsninger på mængden af ​​ekspansion og sammentrækning, det kunne opnå. De fleste materialer, i modsætning, har meget begrænsede vækstmuligheder. Denne begrænsning har dybtgående konsekvenser for en egenskab kendt som dobbelt krumning, betyder en overflade, der kan bue samtidigt i to vinkelrette retninger - en effekt, der er beskrevet i en næsten 200 år gammel sætning af Carl Friedrich Gauss kaldet Theorema Egregium, Latin for "bemærkelsesværdig sætning".

Hvis du nogensinde har prøvet at pakke en fodbold ind i gave, du har oplevet dette koncept i praksis:At transformere papir, som slet ikke har nogen krumning, i form af en kugle, som har positiv dobbeltkrumning, du skal krølle og krølle papiret i siderne og bunden for at pakke bolden helt ind. Med andre ord, for at papirarket tilpasser sig en form med dobbelt krumning, det skulle strække sig eller trække sig sammen, eller begge, på de nødvendige steder for at pakke en bold ensartet ind.

For at give dobbelt krumning til et formskiftende ark, forskerne skiftede grundlaget for strukturen fra et kontinuerligt ark til et gitter, eller mesh. Ideen var todelt:For det første en temperatur-induceret bøjning af gitterets ribber ville resultere i meget større udvidelser og sammentrækninger af mesh-knuderne, end det kunne opnås i et kontinuerligt ark. Sekund, hulrummene i gitteret kan nemt rumme store ændringer i overfladearealet, når ribberne er designet til at vokse med forskellige hastigheder hen over arket.

Forskerne designet også hver enkelt ribbe af gitteret til at bøje i en forudbestemt grad for at skabe formen af, sige, en næse frem for en øjenhule.

For hvert ribben, de inkorporerede fire tyndere ribben, arrangere to til at stille sig oven på de to andre. Alle fire miniribs blev lavet af nøje udvalgte variationer af det samme basismateriale, at kalibrere de påkrævede forskellige reaktioner på temperaturen.

Når de fire miniribs blev bundet sammen i trykningsprocessen for at danne en større ribbe, ribben som helhed kan krumme på grund af forskellen i temperaturrespons mellem materialerne i de mindre ribber:Hvis et materiale reagerer mere på temperaturen, den foretrækker måske at forlænge. Men fordi det er bundet til et mindre responsivt ribben, som modstår forlængelsen, hele ribben vil bue i stedet.

Forskerne kan lege med arrangementet af de fire ribben for at "forprogrammere", om ribben som helhed buer op til en del af en næse, eller dykker ned som en del af en øjenhule.

Former ulåst

At fremstille et gitter, der ændrer sig til form som et menneskeligt ansigt, forskerne startede med et 3-D billede af et ansigt – for at være specifik, Gauss ansigt, hvis principper for geometri ligger til grund for meget af teamets tilgang. Fra dette billede, de skabte et kort over de afstande, en flad overflade ville kræve for at rejse sig op eller dyppe ned for at tilpasse sig formen af ​​ansigtet. Van Rees udtænkte derefter en algoritme til at oversætte disse afstande til et gitter med et specifikt mønster af ribber, og forholdet mellem miniribs inden for hver ribben.

Holdet printede gitteret fra PDMS, et almindeligt gummiagtigt materiale, som naturligt udvider sig, når det udsættes for en temperaturstigning. De justerede materialets temperaturfølsomhed ved at infundere en opløsning af det med glasfibre, gør den fysisk stivere og mere modstandsdygtig over for temperaturændringer. Efter udskrivning af gittermønstre af materialet, de hærdede gitteret i en 250 graders ovn, tog det derefter ud og placerede det i et saltvandsbad, hvor det afkøles til stuetemperatur og omdannes til form som et menneskeligt ansigt.

Holdet trykte også en gitterskive lavet af ribber indlejret med flydende metalblæk - en slags antenne, der ændrede sin resonansfrekvens, da gitteret blev omdannet til en kuppel.

Van Rees og hans kolleger undersøger i øjeblikket måder at anvende designet af komplekse formskift på stivere materialer, til mere robuste applikationer, såsom temperaturfølsomme telte og selvkørende finner og vinger.