De contra-intuïtieve vraag hoe je een gebogen bolvormig oppervlak moet omwikkelen met conventioneel stijve en niet-rekbare of broze materialen, vormt de basis van dit onderzoek. Om de vraag te beantwoorden, Yu-Ki Lee en een onderzoeksteam van de afdelingen materiaalkunde en computerwetenschappen in de Republiek Korea en de VS hebben een geometrische ontwerpmethode van computationele origami uitgebreid om sferische constructies in te pakken in een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . De aanpak bood een robuuste en betrouwbare methode om conforme apparaten voor willekeurig gebogen oppervlakken te ontwerpen met behulp van een computationeel ontworpen niet-polyedrisch ontwikkelbaar net. Het computerondersteunde ontwerp transformeerde tweedimensionale (2-D) materialen zoals silicium (Si)-wafels en staalplaten in conforme structuren die 3D-structuren volledig konden omhullen zonder breuk of vervorming. Dankzij de computationele verpakkingsmethode konden ze een ontwerpplatform ontwikkelen om conventioneel niet-rekbare 2D-apparaten om te zetten in conforme 3D-gebogen oppervlakken.

De studie introduceerde een universele methode voor conventionele niet-rekbare materialen om willekeurige en diverse 3D-gebogen oppervlakken te omwikkelen door conforme materiële apparaten te ontwerpen zonder hun prestaties op te offeren. Bijvoorbeeld, een bol omwikkelen met een rechthoekig stuk papier kan onvermijdelijk rimpels vormen, terwijl het proberen om een ​​bol te wikkelen met een taaier substraat, kan leiden tot breuk van het verpakkingsmateriaal. Om het proces te vergemakkelijken, materiaalwetenschappers kunnen insnijdingen met patronen aanbrengen in de niet-rekbare materialen, inclusief roostersnijpatronen en fractalsnijpatronen om 3D-oppervlakken effectief te omhullen. Dergelijke concepten zijn programmeerbaar in vorm en kunnen efficiënt een bol bedekken. Ingenieurs hebben ook computeralgoritmen aanbevolen om complexe 3D-modellen te ontwerpen op basis van 2D-auxetische structuren. Om een ​​optimale dekking te bereiken, introduceerden ze een computationele ontwerpstrategie die bekend staat als "computational inwikkeling met niet-polyedrische ontwikkelbare netten, " om niet-rekbare materiaalplatforms te vormen voor wearables en conforme apparaten.

In theorie, onderzoekers kunnen een gekromd oppervlak karakteriseren aan de hand van de Gauss-kromming - het vectorproduct van de maximale en minimale hoofdkrommingen op een punt. Bijvoorbeeld, een vel papier wordt een 'ontwikkelbaar oppervlak' genoemd en vertegenwoordigt een 2D-materiaal met nul Gauss-kromming op alle punten. Een ontwikkelbaar oppervlak kan niet worden getransformeerd in een niet-ontwikkelbaar 3D-oppervlak zonder te scheuren, het materiaal uitrekken of samendrukken. Het concept is wiskundig bewezen door de "Gauss Theorema Egregium, ", waarin staat:"Om een ​​oppervlak naar een ander oppervlak te verplaatsen, moet de Gauss-kromming van alle corresponderende punten overeenkomen." Computerwetenschappers hebben grote inspanningen geleverd om op algoritmische wijze oppervlakte-uitsnijdingen te bepalen die een niet-ontwikkelbaar oppervlak segmenteren in ontwikkelbare oppervlaktevlakken die bekend staan ​​als polyedrische netten of gewoon- Recente computationele methoden zijn gericht op het optimaliseren van de netkwaliteit en opvouwbaarheid met behulp van machine learning-methoden om de tijd en moeite die nodig is voor traditionele trial-and-error-benaderingen te verminderen.

Aangezien de meeste 3D-objecten in de echte wereld glad en gebogen zijn, wetenschappers hebben mazen met een hoge resolutie nodig om de oppervlakken nauwkeurig te bedekken. In dit werk, Lee et al. ontwikkelde een nieuwe benadering die bekend staat als "computational wrapping" die verder gaat dan de conventionele computationele vouwmethode. Om dit te bereiken, ze beschouwden het conforme apparaatontwerp als een probleem met het inpakken van papier in plaats van een uitdaging voor het vouwen van papier (origami). Het team herkende de functies van het bevestigen en omwikkelen van conforme apparaten om een ​​onderliggend gebogen 3D-oppervlak te bedekken, eenvoudig door een veelvlakkig net zonder plooien te buigen en te drukken.

Dankzij meshes met hoge resolutie konden ze de limieten van lange fabricagetijden en mechanische betrouwbaarheid aanpakken. Om een ​​oppervlak te omsluiten met een allround niet-nul Gauss-kromming, zoals een perfecte bol, Lee et al. gebruikte een ontwikkelbaar oppervlak na het verfijnen van het facetgaas om te voldoen aan de vereiste waarden voor wikkeldichtheid. De resultaten leverden gegevens op over een niet-polyedrisch ontwikkelbaar net om gecontroleerde en begrensde ruimtes tussen het net en de bol te creëren zonder openingen of overlappingen tussen de facetten. Het fabricageproces produceerde nauwkeurig zeer complexe en gladde 3D-oppervlakken, vele malen sneller dan conventionele computationele vouwmethoden bij het hanteren van complexe vormen met papier, metalen en keramische verpakkingsmaterialen. Eindige-elementenanalyse ondersteunde dat dergelijke computationele omhulsels mechanisch betrouwbaar waren.

De structuren die in het werk werden ontwikkeld, leidden tot een aanzienlijke toename van computationele origami voor industriële fabricageprocessen in de echte wereld. Bijvoorbeeld, Lee et al. ontwikkelde een conforme inrichting met behulp van elektroluminescente lamp (EL) panelen om een ​​bol te wikkelen, het resulterende 3D-conforme apparaat vertoonde een goede functie en ze schreven de resultaten toe aan buig- en persprocessen die werden gebruikt om de bol te wikkelen in plaats van vouw- en vouwtechnieken. Het team demonstreerde ook hun methode op een commercieel Koreaans masker en op een elektrisch speelgoedvoertuig met bevestigde EL-panelen om zonder problemen te functioneren. Om het ontwikkelbare net te genereren voor componenten met niet-nul Gauss-oppervlakken, zoals de koplampen van het elektrische speelgoedvoertuig, de wetenschappers gebruikten de ontvouwingsmethode van het genetische algoritme (GA).

Op deze manier, Yu-Ki Lee en collega's introduceerden het concept van computationele verpakking om niet-rekbare 2D-flexibele apparaten om te zetten in 3D-conforme apparaten. Met behulp van de methode, ze omsloten een oppervlak met een niet-nul Gauss-kromming zoals een perfecte bol. De voorgestelde techniek zou de afstand tussen de twee oppervlakken kunnen regelen om een ​​strakke verpakking te garanderen. Het werk produceerde een enkel verbonden oppervlak dat bekend staat als een niet-polyedrisch ontwikkelbaar net, ontworpen om een ​​2D-plaat conform elk 3D-oppervlak te wikkelen. Als resultaat, de wetenschappers waren zelfs in staat om stijve en brosse materialen zoals metalen platen en Si-wafels te vergemakkelijken om niet-nul Gaussiaanse krommingsoppervlakken volledig te bedekken en in te pakken. De universele computationele verpakkingsmethode die in dit werk is ontwikkeld, zal nieuwe inzichten bieden in de ontwikkeling van conforme apparaten met willekeurige vormen met behulp van efficiënte algoritmen en robuuste, betrouwbare fabricagemethoden.

© 2020 Wetenschap X Netwerk