2019-10-01 06:04:01
温度变化时扁平结构会变形成人脸形状

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麻省理工学院和其他地方的研究人员已经设计了3-D打印的网状结构,可以根据环境温度的变化从平坦的层变形为预定的形状。新的结构可以转变为比其他形状变化的材料和结构更复杂的配置。

作为演示,研究人员打印了一个扁平网,当暴露于一定温度差时,该扁平网会变形为人脸形状。他们还设计了一个嵌入导电液态金属的网格,该网格弯曲成圆顶以形成有源天线,其谐振频率会随着变形而变化。

该团队的新设计方法可用于在给定材料特性的情况下确定要打印的扁平网状结构的特定图案,以使结构转换为所需的形状。

研究人员说,在将来,他们的技术可用于设计可展开的结构,例如帐篷或覆盖物,它们会根据温度或其他环境条件的变化而自动脱开并膨胀。

这种复杂的,变形的结构还可以用作人造组织的支架或支架,或者用作望远镜中的可变形透镜。麻省理工学院机械工程助理教授Wim van Rees也看到了软机器人技术的应用。

范·里斯说:“例如,我希望将其结合到机器人水母中,当我们将其放入水中时,它会改变形状以游泳。” “如果您可以将其用作执行器,例如人造肌肉,那么执行器可以是任意形状,也可以转换为其他任意形状。然后您将进入软机器人领域的全新设计领域。”

范里斯和他的同事们本周将结果发表在《美国国家科学院院刊》上。他的合著者是波士顿大学的J. William Boley。哈佛大学的Ryan Truby,Arda Kotikian,Jennifer Lewis和L. Mahadevan;德雷珀实验室的Charles Lissandrello;和波士顿大学的马克·霍伦斯坦(Mark Horenstein)。

礼品包装的限额

两年前,范·里斯(van Rees)提出了一种理论设计,用于将薄平板转变为复杂的形状,例如人脸。在此之前,4-D材料领域(设计为随时间变形的材料)的研究人员已经为某些材料开发了改变或变形的方法,但只能改变为相对简单的结构。

范里斯说:“我的目标是从想要获得的复杂的3D形状开始,就像人脸一样,然后问:'我们如何编程材料使其到达那里?” “这是逆设计的问题。”

他想出了一个公式来计算双层材料板的区域必须达到的膨胀和收缩才能达到所需的形状,并开发了一个代码来在理论材料中对此进行模拟。然后,他将公式付诸实践,并形象化了该方法如何将平坦连续的圆盘变成复杂的人脸。

但是他和他的合作者很快发现,该方法不适用于大多数物理材料,至少在他们尝试使用连续图纸的情况下。范里斯使用连续纸进行模拟时,它是理想化的材料,对其可实现的膨胀和收缩量没有物理限制。相反,大多数材料的生长能力非常有限。这种局限性对称为“双曲率”的属性产生了深远的影响,“曲率”意味着可以同时在两个垂直方向上弯曲的曲面-卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)在已有近200年历史的定理中描述了这种效应,该定理称为拉丁文Theorema Egregium。 “卓越定理”。

如果您曾经尝试过将礼品包装成一个足球,那么您实际上已经体验到了这个概念:要将完全没有曲率的纸张转换为具有正双曲率的球的形状,您必须弄皱然后将纸的侧面和底部弄皱以完全包裹球。换句话说,为了使纸张适应具有双曲率的形状,纸张将必须在必要的位置拉伸或收缩,或两者同时进行,以均匀地包裹球。

为了使变形片具有双曲率,研究人员将结构的基础从连续片转换为晶格或网格。这个想法是双重的:首先,温度引起的晶格肋的弯曲会导致网状节点的膨胀和收缩,这比连续的薄片要大得多。其次,当肋条设计为以不同的速度在整个板上生长时,晶格中的空隙可以轻松适应表面积的大变化。

研究人员还设计了晶格的每个单独的肋骨,使其弯曲预定的角度,以形成例如鼻子而不是眼窝的形状。

对于每个肋骨,他们合并了四个较窄的肋骨,将其中两个排列成排在其他两个肋骨之上。所有四个微型肋骨均由精心挑选的相同基础材料制成,以校准所需的不同温度响应。

当在印刷过程中将四个小肋粘合在一起以形成一个较大的肋条时,由于较小肋条材料之间的温度响应差异,肋条可能会整体弯曲:如果一种材料对温度的响应性更高,则可能喜欢拉长。但是,由于它粘结在反应较慢的肋骨上,从而抵抗了伸长,因此整个肋骨都会弯曲。

研究人员可以通过四个肋骨的排列来“预编程”肋骨是整体弯曲成鼻子的一部分,还是作为眼窝的一部分浸入。

形状解锁

为了制造出可以改变为人脸形状的晶格,研究人员从人脸的3D图像开始-具体来说就是高斯的脸,高斯的几何原理在团队的大部分工作中都是根据的。他们根据此图像创建了一个平面的距离图,该平面需要向上或向下倾斜才能与脸部形状保持一致。范·里斯(Van Rees)然后设计了一种算法,将这些距离转换成具有特定肋骨图案和每个肋骨内微肋比例的格子。

该团队从PDMS印刷了格子,PDMS是一种常见的橡胶状材料,当暴露于温度升高时会自然膨胀。他们通过将一种溶液注入玻璃纤维来调节材料的温度响应性,使其在物理上更坚硬,并且更能抵抗温度变化。在打印出材料的晶格图案后,他们在250摄氏度的烤箱中固化了晶格,然后将其取出并放在盐水浴中,在其中冷却至室温并变形成人脸形状。

该小组还印刷了一种由嵌有液态金属墨水的肋骨制成的格子盘,这种天线是一种天线,随着格子转变成圆顶形,其共振频率发生了变化。

Van Rees和他的同事目前正在研究将更复杂的形状变换设计应用于较硬的材料的方法,以用于更坚固的应用程序,例如温度响应性帐篷,自推进式鳍和机翼。

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