Endimensionelle objekter forvandles til nye dimensioner

En linje er den korteste afstand mellem to punkter, men "A-linje, "et 4-D printsystem udviklet ved Carnegie Mellon University, tager en mere kringlet vej. Endimensionel, "line"-formede plaststrukturer fremstillet med A-line systemet kan bøjes, folde og sno sig selv til forudbestemte former, når de udløses af varme.

3-D-printede objekter, der senere ændrer form, er selve definitionen af ​​4-D-print. Men processen får særlige kvaliteter, når genstandene kan passe gennem smalle åbninger. En stang indsat gennem en smal flaskehals, for eksempel, kan forvandles til en krog for at fiske en genstand ud af flasken. Eller en lang, tynde fastgørelseselementer indsat gennem huller i sædet på en stol kan låse et stoleben på plads.

A-line metoden kan også være nyttig til at lave kompatible enheder, såsom spiralfjedre og pincet. Disse er vanskelige at fremstille i endelig form ved hjælp af en 3-D printer, men kan let printes som stænger, der antager endelig form, når de dyppes i varmt vand.

At lave pinde, der omdannes til nye objekter, er en bedrift, som Lining Yao, adjunkt i CMU's Human-Computer Interaction Institute, og hendes kolleger i Morphing Matter Lab har opnået ved at bruge en alm. hobby-kvalitet 3-D printer og en enkelt type termoplastisk materiale.

"Det er ikke at udskrive stregen, der er svært, men det er at udvikle softwareværktøjet, der gør dig i stand til at designe, simulere og fremstille linjen, " forklarede Yao.

Gruppen brugte polymælkesyre, eller PLA - det mest almindelige materiale, der bruges i 3-D-print - til at producere deres objekter. PLA krymper som reaktion på varme i den retning, den blev trykt i, sagde Guanyun Wang, en post-doc i Morphing Matter-laboratoriet. Det gør det muligt at kontrollere, hvordan et objekts form vil forvandle sig baseret på afstanden mellem aktive og passive segmenter, tykkelsen af ​​segmenter og udskrivningsretningen for hvert segment, forklarede han.

A-line platformen udviklet af Yaos team inkluderer et bibliotek med otte bøjningsretninger, der kan kombineres for at producere enkle eller komplekse geometrier. Den inkluderer også et tilpasset designværktøj til at hjælpe brugerne med at kombinere disse forskellige typer bøjninger for at opnå de ønskede former.

Ye Tao, en gæsteforsker ved HCII fra Zhejiang University, sagde, at holdet udløste bøjningen ved at nedsænke de konstruerede pinde i vand opvarmet til omkring 170 grader Fahrenheit. Morphing kan også udløses af en varmepistol, med indlejret kulfiber til resistiv opvarmning eller med damp via hule kanaler i pindene.

Som med andre 4-D-printede objekter, en fordel ved A-line stængerne er, at de kan sendes som en flad pakke og udløses på stedet til at blive teltstøtter, stolestel eller skulpturer. Men Yao forestiller sig nogle applikationer, der er ejendommelige for stregformede objekter. Ved at bruge hydrogeler, der reagerer på elektriske felter i stedet for PLA, for eksempel, det kunne være muligt at udvikle en biokompatibel linje, som en kirurg kunne slange gennem snævre kropsrum og eksternt forvandle til en kirurgisk pincet. Ved at kontrollere elektriske felter, det kan også være muligt at styre pincetbevægelsen.

"Gennem dette arbejde, vi håber at udvide designområdet for 4-D printteknologi, " sagde Yao. "Vi opfordrer designere til at tænke over yderligere nye anvendelser af A-line."

Et forskningspapir, der beskriver A-Line, blev præsenteret tidligere i år på CHI 2019, Association for Computing Machinerys konference om menneskelige faktorer i computersystemer.