Hvordan man udvider og kontraherer buede overflader af alle former

Forskere ved TU Delfts afdeling for Precision and Microsystems Engineering (PME) har designet en dilatationsmetode, som kan anvendes på enhver buet overflade. Denne universelle metode kan have en række anvendelser, herunder medicinske seler til børn, udvidelige møbler eller aorta stents. Metoden blev offentliggjort i Naturkommunikation den 15. november 2019.

At gøre en genstand større eller mindre er normalt kun muligt ved at strække den, krølle den eller ændre dens form på anden måde. Strukturer, der kan ændre deres størrelse uden at ændre form, kaldes dilatations. Sådanne enheder kan have vigtige anvendelser inden for teknik og medicin - tænk på stents implanteret i menneskelige arterier, for eksempel. Nuværende dilatationsmekanismer er begrænset til meget få former, mest kugler eller kuglelignende overflader. Et velkendt eksempel er børnelegetøjet baseret på Hobermans sfære, hvor leddene foldes ind i midten af ​​bolden, når den trækker sig sammen. Sådanne mekanismer har den ulempe, at de dele, der gør det muligt for objektet at udvide sig og trække sig sammen, bevæger sig i en vinkel, normalt vinkelret på objektets overflade. Det betyder, at når objektet ændrer form, de mekaniske dele enten stikker ud eller stikker ind i det lukkede volumen. Det er langt fra ideelt til mange applikationer; det ville hæmme blodgennemstrømningen i tilfælde af aorta stents, for eksempel.

Triangulering + strømaftager =udvidelse

Freek Broeren og Werner van de Sande, forskere ved TU Delfts Institut for Præcisions- og Mikrosystemteknik (PME), har designet en dilatationsmetode, der kan anvendes på enhver buet overflade. De brugte triangulering, visualiseringen af ​​et buet objekt ved hjælp af trekanter placeret over hele overfladen. Trekantmasker er en beregningseffektiv måde at repræsentere 3D-strukturer i computergrafik. De kombinerede denne opfindsomhed fra det 21. århundrede med strømaftageren fra det 17. århundrede, en enhed første gang nævnt i litteraturen i 1653, lavet af fire stænger fastgjort på det ene punkt og drejeligt ved de andre. Det bruges til at opskalere tegninger, for eksempel. Broeren og Van de Sande brugte konceptet med den skæve strømaftager, en specifik mekanisme, der kan bruges til at skalere trekanter.

"Det første trin i vores metode er at triangulere objektets overflade, " forklarer Broeren. "Næste, en flisebelægningsalgoritme erstatter hver af de trekantede flader med strømaftagermekanismer på en sådan måde, at kollisioner undgås ved skalering. Dette gør det muligt at skalere enhver overflade med én grad af frihed, hvilket betyder, at bevægelsen foregår i samme plan som objektets overflade. Teoretisk set, vi kan skalere strukturer fra deres fuldt udvidede konfiguration ned til et enkelt punkt."

Ansøgninger

Broeren og Van der Sanden anvendte deres strategi på flere eksempler, inklusive Stanford-kaninen, en almindeligt brugt testmodel i computergrafik, der blev udviklet i 1994 ved Stanford University. De beviste også, at deres metode kan anvendes på enhver overflade. Anvendelser kan omfatte medicinske seler, der kan udvides til voksende børn, implantater, der skal rumme en vis bevægelse, men bevare deres form, såsom aorta stents, eller endda udvidelige møbler.

Deres fund har også betydning for deres egen forskning. Werner van de Sande forsker i eksoskeletter, der kan gøre det muligt for handicappede at bevæge sig. "Disse passive eksoskeletter skal være kompakte og forblive tæt på kroppen under bevægelse. Tilføjelse af skalering til overfladen giver os mere designfrihed til at opfylde det krav, " forklarer Broeren. Han arbejder selv med designmetoder til medicinske metamaterialer. "Man kan skabe alle slags materialeegenskaber ved at kombinere hårde og bløde materialer. Imidlertid, der er endnu ingen designmetoder til dette. Derfor kigger jeg på den bagvedliggende mekanik.«