Firedimensionelle mikrobyggeklodser:Printbar, tidsrelateret, programmerbare værktøjer

Firedimensionel (4-D) udskrivning er baseret på sammensmeltning af multimateriale print, forstærkningsmønstre eller mikro- og nanofibrøse tilsætningsstoffer som tidsrelaterede programmerbare værktøjer, for at opnå ønskede formrekonfigurationer. Imidlertid, de eksisterende programmeringstilgange følger stadig et origami-designprincip for at generere rekonfigurerbare strukturer ved hjælp af selvfoldende og stablede 2-D-materialer i små skalaer. I en ny rapport vedr Videnskab fremskridt , T. Y. Huang og et team af tværfaglige, internationale forskere i USA og Kina foreslog et programmerbart modulært design til direkte at konstruere 3-D rekonfigurerbare mikrostrukturer, der er i stand til 3-D-til-3-D-transformationer via 4-D mikro-byggeklodssamling.

Forskerne brugte 4-D direkte laserskrivning til at printe to-foton polymeriserbare og stimuli-følsomme hydrogeler som byggemateriale og konstruerede byggestenene i mikrometerskalaen. Holdet introducerede Denavit-Hartenberg (DH) parametre, der typisk bruges til at definere robotarms kinematik (bevægelse) som en rettesnor til at samle mikrobyggeklodser og planlægge 3D-bevægelsen af ​​samlede kædeblokke. De har også 3D-printet en mikroskala-transformer for at ændre form fra en racerbil til en humanoid robot (meget gerne filmen endnu i lille og i sur opløsning) for at styre bevægelsen af ​​en række sammensatte rum for første gang i laboratoriet.

Form-morphing-systemer har vidtgående anvendelser inden for camouflage, som bløde robotaktuatorer og i biomedicinske enheder til at koordinere maskiner og deres miljøer. Forskere kan bruge computational origami designs som standard 2-D materiale platforme til at konstruere koordineret selv-morphing (selv-shaping), 3-D morphing maskiner. Self-shaping er en unik og kraftfuld teknik, der bruges til at konstruere små maskiner til trådløs aktivering af formændringer, uden afhængighed af manuelle monteringsprocesser. Materialeforskere havde også programmeret formtransformationer inden for 2-D materialer ved at introducere fibrøse mikro- og nanoarkitekturer for at skabe stimuli-responsive geler eller formhukommelsespolymerer. Nylige fremskridt inden for 3-D-printning har bekvemt gjort det muligt for forskere direkte at printe maskiner med rumligt kontrollerede mekaniske egenskaber. Imidlertid, eksisterende state-of-the-art 3-D morphing maskiner er stadig afhængige af 3-D print, der er baseret på en skabelon af plane 2-D selvfoldende origami modstykker.

En programmerbar designteknik til med succes at danne 3-D-til-3-D-formtransformationer er begrænset på grund af den øgede beregningsmæssige kompleksitet, der kræves for at designe en sådan arkitektur. Hidtil har forskere satset på finite element analyse (FEA) til at simulere formtransformationer af direkte 3-D printede strukturer, imidlertid, processen er tidskrævende med stigende 3-D strukturel kompleksitet. Selvom det er muligt at designe flere algoritmer til automatisk at generere designsamlingen og bevægelsen i modulære robotter, konceptet kan ikke anvendes på mindre maskiner.

I nærværende arbejde, Huang et al. derfor foreslået et programmerbart morphing modulært (brugerdefineret) design, inspireret via modulær robotteknologi og LEGO-lignende byggeklodser. Holdet lettede designet af komplekse 3-D-til-3-D-formtransformationer ved hjælp af direkte 3-D-printede mikrostrukturer. De brugte 4-D direkte laserskrivning (4-D DLW) ved submikron opløsning til at bygge en række mikroskala form-morphing byggeklodser, styres via laserdosering, at hjælpe med overgangen. Ved siden af ​​laserskrivning til modulært design, forskerne fangede fremadrettet og invers kinematik ved hjælp af DH (Denavit-Hartenberg) parametre og introducerede FEA til kvantitativt at studere deformationen af ​​byggesten. DH-parametrene gav dem også mulighed for at samle bevægelse af 3-D-rum til komplekse 3D-til-3-D transformationer ved at reducere beregningsbelastningen.

4-D-udskrivning afhænger stort set af matematik til at håndtere sofistikerede fremadrettede og omvendte problemer, og dens succes afhænger af nøjagtigheden af ​​beregningsmodeller i forhold til de eksperimentelle resultater. Da FEA inviterer til en stor beregningsbelastning, Huang et al. foreslået et modulært design til at rekonstruere en stor og kompliceret 3-D struktur og dens formtransformation ved hjælp af små og diskretiserede byggeklodser, som de introducerede FEA for baseret på Flory-teorien for at studere deformationen af ​​hver byggeklods. Forskerne udførte mikromekaniske kompressionstests i en alkalisk opløsning for at karakterisere spændings- og belastningsforholdet mellem de polymeriserede geler som en funktion af laserkraft.

Efter at have karakteriseret materialet, Huang et al. gennemførte en finite element simulering baseret på den kommercielle software Abaqus for at forudsige formudviklingen af ​​3-D strukturer med varierende kemisk potentiale. For indledningsvis at verificere nøjagtigheden af ​​FEA-forudsigelsen, de dannede en mikroblomst indeholdende 10 dobbeltlags-lignende kronblade, der hver var kodet med forskellige laserdoser, så forskellige morphing-krumninger kunne svulme op og krympe i forskellige miljøer. Den trykte struktur krympede betydeligt i sure opløsninger - den dominerende drivkraft, der letter deformation i trykte byggesten.

Huang et al. derefter repræsenterede 4-D byggesten som kubiske celler med en dobbeltlagskonfiguration indeholdende aktive og passive materialer. De beregnede bindingskrumningen af ​​de formulerede mikrobyggesten, finjusteret af deres slankhedsforhold og laserkraft på det aktive lag. For at samle og planlægge bevægelsen af ​​det modulære system, Huang et al. overvejet den overordnede strukturelle stivhed, samlingsfrihed og programmerbarhed af 4-D mikrobyggeblokkene. De opnåede dette ved at bruge en ottekantet prismatisk mikrocylinder som den grundlæggende byggesten til at konstruere et større og mere kompliceret morphing modulært system.

Forskerne observerede selvsamling af flere byggeklodser for at ligne en robotarm, der genererer de ønskede 3D-bevægelser, som de vurderede ved hjælp af FEA, og resultaterne stemte godt overens med eksperimenterne. Imidlertid, FEA kunne ikke fange bevægelseskompleksitet genereret af et større antal byggeklodser (n> 60). For at løse dette, Huang et al. introducerede DH-parametre (Denavit-Hartenberg) med kun fire fysiske parametre i en lukket analytisk form for at beregne formtransformationer af en robotarm indeholdende flere led og stive stænger. Disse parametre bestemte 3D-transformationerne og samlingsreglerne for det foreslåede modulære system.

Ultimativt, forskerne konstruerede en transformer i mikroskala via 3-D samling og 3-D bevægelsesplanlægning af 4-D byggeklodser, udskrevet med 4-D DLW. Mini-transformatoren indeholdt fem hovedfunktionelle segmenter, inklusive halsen, skulder, arme, rygrad og ben, ved siden af ​​deres forbindelser. Huang et al. fangede transformationer af hvert rum via en række DH-parametre og dannede en unik form-morphing overgang mellem en racerbil og en humanoid robot.

Resultatet var et første-i-studie for at skabe en mini-transformer, der automatisk ændrede sin form til at stå op - i laboratoriet. Imidlertid, det er stadig udfordrende at rationelt designe en transformer, der samtidigt forvandlede sig uden at forstyrre hver komponent til synkroniseret transformation. Mens mikroskala-transformeren er en ekstremt forenklet proof-of-princip-konstruktion til sine større modstykker på skærmen, forskere kan konstruere ægte 4-D trykte strukturer med kodet tidsdimension under udskrivning for at lette rekonfigurerbare designs og danne forskellige rum til sekventielt at transformere efter ønske.

På denne måde T. Y. Huang og kolleger foreslog et programmerbart modulært design baseret på 4-D mikro-byggebloksamling for at hjælpe komplekse fremadrettede og omvendte problemer med 4-D udskrivning. De brugte FEA til at forudsige formudviklingen af ​​hver byggeklods, uden at overveje hele strukturen for at reducere beregningsmæssig kompleksitet. Den resulterende mikroskalatransformator var i stand til komplekse 3D-transformationer baseret på fire DH-parametre og en enkelttrins DLW-fremstillingsproces ved hjælp af fotoresponsive hydrogeler. Huang et al. forudse, at det foreslåede modulære design vil bane vejen for at lette nye designs af kompleks 4-D-print.

© 2020 Science X Network