Onderzoekers van de afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) van de TU Delft hebben een dilatatiemethode ontworpen die op elk gebogen oppervlak kan worden toegepast. Deze universele methode kan een scala aan toepassingen hebben, inclusief medische beugels voor kinderen, uitzetbaar meubilair of aortastents. De methode is gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 15 november 2019.

Een object groter of kleiner maken is meestal alleen mogelijk door het uit te rekken, het verfrommelen of op een andere manier van vorm veranderen. Structuren die hun grootte kunnen veranderen zonder van vorm te veranderen, worden dilatatie genoemd. Dergelijke apparaten kunnen belangrijke toepassingen hebben in techniek en geneeskunde, denk aan stents die in menselijke slagaders worden geïmplanteerd, bijvoorbeeld. De huidige dilatatiemechanismen zijn beperkt tot zeer weinig vormen, meestal bollen of bolvormige oppervlakken. Een bekend voorbeeld is het kinderspeelgoed gebaseerd op de bol van Hoberman, waar de gewrichten in het midden van de bal vouwen terwijl deze samentrekt. Dergelijke mechanismen hebben het nadeel dat de delen die het object in staat stellen uit te zetten en samen te trekken onder een hoek bewegen, meestal loodrecht op het oppervlak van het object. Dit betekent dat als het object van vorm verandert, de mechanische delen steken uit of steken uit in het omsloten volume. Dat is voor veel toepassingen verre van ideaal; het zou de bloedstroom belemmeren in het geval van aortastents, bijvoorbeeld.

Triangulatie + stroomafnemer =dilatatie

Freek Broeren en Werner van de Sande, onderzoekers van de afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) van de TU Delft, hebben een dilatatiemethode ontworpen die op elk gebogen oppervlak kan worden toegepast. Ze gebruikten triangulatie, de visualisatie van een gebogen object door middel van driehoeken die over het hele oppervlak zijn geplaatst. Driehoeksmazen zijn een rekenefficiënte manier om 3D-structuren in computergraphics weer te geven. Ze combineerden deze 21e-eeuwse vindingrijkheid met de 17e-eeuwse pantograaf, een apparaat voor het eerst genoemd in de literatuur in 1653, gemaakt van vier staven vast op één punt en scharnierend op de andere. Het wordt gebruikt om tekeningen op te schalen, bijvoorbeeld. Broeren en Van de Sande gebruikten het concept van de scheve stroomafnemer, een specifiek mechanisme dat kan worden gebruikt om driehoeken te schalen.

"De eerste stap in onze methode is om het oppervlak van het object te trianguleren, " legt Broeren uit. "Vervolgens een tegelalgoritme vervangt elk van de driehoekige vlakken door pantograafmechanismen op een zodanige manier dat botsingen worden vermeden bij het schalen. Dit maakt het mogelijk om elk oppervlak met één vrijheidsgraad te schalen, wat betekent dat de beweging plaatsvindt in hetzelfde vlak als het objectoppervlak. theoretisch, we kunnen structuren schalen van hun volledig uitgebreide configuratie naar een enkel punt."

Toepassingen

Broeren en Van der Sanden pasten hun strategie toe op verschillende voorbeelden, inclusief het Stanford-konijntje, een veelgebruikt testmodel in computergraphics dat in 1994 werd ontwikkeld aan de Stanford University. Ze hebben ook bewezen dat hun methode op elk oppervlak kan worden toegepast. Toepassingen kunnen medische beugels zijn die kunnen worden uitgebreid voor opgroeiende kinderen, implantaten die enige beweging moeten opvangen maar hun vorm behouden, zoals aortastents, of zelfs uitbreidbare meubels.

Hun bevinding is ook van invloed op hun eigen onderzoek. Werner van de Sande doet onderzoek naar exoskeletten waarmee mensen met een handicap kunnen bewegen. "Deze passieve exoskeletten moeten compact zijn en tijdens beweging dicht bij het lichaam blijven. Door schaalvergroting aan het oppervlak toe te voegen, hebben we meer ontwerpvrijheid om aan die eis te voldoen, ", legt Broeren uit. Zelf werkt hij aan ontwerpmethoden voor medische metamaterialen. "Door harde en zachte materialen te combineren, kun je allerlei materiaaleigenschappen creëren. Echter, hier zijn nog geen ontwerpmethoden voor. Daarom kijk ik naar de onderliggende mechanica."