In materiaalkunde en toegepaste natuurkunde, onderzoekers verwachten dat actuatiesystemen op dezelfde manier presteren als natuurlijke fenomenen. Als klassiek voorbeeld wetenschappers stelden voor om bio-geïnspireerde materialen te ontwikkelen die de camouflage van inktvissen nabootsten, hoewel het ontwerpen van dergelijke sterk geïntegreerde systemen een uitdaging kan zijn vanwege de gecombineerde complexiteit van het genereren van hoogdimensionale architecturale ontwerpen en multifunctionele materialen die verband houden met hun fabricageproces. In een recent rapport over wetenschappelijke vooruitgang , Subramanian Sundaram en collega's in de afdelingen informatica, kunstmatige intelligentie en elektrotechniek in de VS en Frankrijk presenteerden een compleet protocol over multi-objectieve topologie-optimalisatie en multimateriaal drop-on-demand driedimensionaal (3-D) printen om complexe actuatoren te engineeren.

De actuatoren bevatten zachte en stijve polymeren gekoppeld aan een magnetisch nanodeeltje/polymeercomposiet dat reageerde op een magnetisch veld. De topologie-optimizer kan materialen toewijzen aan individuele voxels om het fysieke uiterlijk met hoge resolutie te verbeteren. Toen ze de topologie-geoptimaliseerde ontwerpstrategie verenigden met het fabricageproces van meerdere materialen, Sundaram et al. zou complexe actuatoren kunnen ontwikkelen als een veelbelovende route naar geautomatiseerde en doelgerichte fabricage.

Moderne robots hebben actuatoren nodig die meerdere functies samen in één pakket integreren voor een optimale hoogte, energie-efficiëntie, topologie, grootte en andere prestatiestatistieken. Dit idee ligt ten grondslag aan onderzoeksvoorstellen die pleiten voor een nauwe integratie van sensing, bediening en berekening met robotmaterialen. Onderzoekers debatteren nog steeds of robots lichamen met hersenen of hersenen met lichamen zullen zijn en daarom moet er nog een onderscheid worden gemaakt tussen materialen en machines. Het nieuwe paradigma met robotmaterialen vereist dat robotonderdelen worden ontworpen voor meerdere functies en worden geoptimaliseerd voor meerdere doelen, zoals bij natuurlijke organismen.

De uitdaging met het reproduceren van bio-geïnspireerde multifunctionele systemen blijft bij het ontwerp van bedieningssystemen. In het klassieke voorbeeld van een bedieningssysteem van een inktvis, de gelijktijdige controle van zowel fysieke doorbuigingen als uiterlijk met hoge resolutie resulteert in effectieve biologische camouflage. Het reproduceren van een dergelijke naadloos geïntegreerde bediening in het laboratorium is omslachtig vanwege de complexiteit bij het creëren van een hoogdimensionale ontwerpruimte en het fabriceren van deze ontwerpen met nieuwe materialen en vrije-vormgeometrieën.

In hedendaagse voorbeelden van bedieningssystemen, materiaalwetenschappers hebben een digitaal microspiegelapparaat ontwikkeld met miljoenen identieke actuatoren en een 'duizendpoot'-systeem voor gegevensopslag met hoge dichtheid en cantilevers van het micro-elektromechanische systeem. Het optimaliseren van deze aandrijfsystemen voor stroomverbruik, lage footprint en procesbetrouwbaarheid zijn tijdrovend, terwijl niet-uniforme actuatorarrays extra complexiteit gaven in het laboratorium. Als veelbelovend alternatief topologie-optimalisatietechnieken bieden automatisch geoptimaliseerde materiaallay-outs in een bepaalde ontwerpruimte.

In het huidige werk, Sundaram et al. gebruikte een gesimuleerde gloeistrategie die eerder werd gebruikt als een succesvolle topologie-optimalisatiebenadering voor het ontwerpen van truss-structuren. Hoewel erg generiek in theorie, de aanpak hield rekening met specifieke kenmerken van het probleem om in de praktijk effectief te zijn. In de huidige aanpak is Sundaram et al. rekening gehouden met de rol van de materialen, waar de techniek volledig fabricage bewust was. De voorgestelde studie over een hoge resolutie, multifysica en fabricagebewust topologie-optimalisatieraamwerk is een eerste strategie die in dit werk wordt geïmplementeerd.

De wetenschappers gebruikten een precisiefabricageproces dat in staat is om hoogdimensionale ontwerpen te verwerken om de synthetische actuator te fabriceren. Daarna, ze kozen voor een snelle additieve 3D-productiebenadering voor de fabricage van actuatoren om nauwkeurige, complexe constructies met diverse materialen. De toenemende belangstelling voor 3D-geprinte actuatoren is te danken aan hun snelheid en toepasbaarheid in robotica op micro-/mesoschaal.

Wetenschappers hadden eerder de eigenschap van magnetische aandrijving voor zachte materie onderzocht vanwege gunstige schaling, hoge bedieningskrachtdichtheid en ongebonden bediening. Sundaram et al. verenigde een biomimetische evolutionaire optimalisatietechniek met een geautomatiseerd additief productieproces voor meerdere materialen om snel hoogdimensionale actuatoren te ontwerpen en te fabriceren in het huidige werk. De aanpak zou uiteindelijk volledig geautomatiseerde fabricage van hoogdimensionale ontwerpen mogelijk kunnen maken, wat een langetermijndoel is in robotica.

De onderzoekers implementeerden het aangepaste drop-on-demand 3D-printproces om de hele fabricagepijplijn te optimaliseren en fabricagebewuste verbeteringen uit te voeren. Ze ontwierpen een specifieke actuator in een vlakke, stijve structuur met synthetische cellen gevuld met een transparant stijf polymeer of een donker magnetisch responsief polymeer. De topologie-optimizer regelde de plaatsing van de twee materialen ten opzichte van hun materiaaleigenschappen voor optimale toepassingen. Sundaram et al. combineerde vervolgens een aangepast multimateriaal drop-on-demand 3D-printproces met multi-objectieve topologie-optimalisatie om de hoogdimensionale actuatorontwerpen in het laboratorium te ontwikkelen. Ze creëerden een set ultraviolet (UV)-uithardbare inkten met een verscheidenheid aan effecten, waaronder optische, magnetische en mechanische eigenschappen, karakteriseerde vervolgens de monsters om een ​​eigenschappenbibliotheek te genereren.

De wetenschappers gebruikten een op maat gemaakte inkjet-gebaseerde multimateriaal 3D-printer. Ze gebruikten een stijf acrylaatpolymeer (RIG), een elastisch acrylaatpolymeer (ELA) en een magnetisch nanodeeltjespolymeercomposiet (MPC) naast geoptimaliseerde startinkten voor het inkjetprintproces. Na inktafzetting, ze gebruikten een UV-light-emitting diode (LED) -array om de inkt te verknopen via fotopolymerisatie met vrije radicalen. De drie materialen bevatten sterk variërende elastische moduli en materiaaleigenschappen waardoor ze zachte verbindingen en stijve structuren konden maken voor gebruik als actuatoren. De wetenschappers demonstreerden hun capaciteiten en vervaardigden een verscheidenheid aan actuatorarrays uit meerdere materialen zoals handmatig ontworpen. Ze hebben de ontworpen en geconstrueerde actuatoren gedurende ten minste 1000 cycli gefietst zonder prestatieverlies.

Sundaram et al. onderzocht de toepassingen van 3D-geprinte, op multimateriaal gebaseerde zachte magnetische actuatoren met behulp van een elektromagneet die wordt aangedreven door een stroombron om een ​​afstembaar magnetisch veld te genereren. Als proof-of-concept, ze ontwikkelden vier individuele bloembladen voor magnetische activering op een lucht-waterinterface, waar de bloembladen uit de watergrens kwamen. Voor herhaalbare bediening, ze plaatsten de afgedrukte monsters op een siliconenolie-water-interface. Deze handmatig ontworpen voorbeelden waren een primeur om additieve fabricage van meerdere materialen in combinatie met magnetische activering te benadrukken. De strategie integreerde naadloos afdrukken van meerdere materialen en topologie-optimalisatie om unieke, optische eigenschappen met hoge resolutie.

De wetenschappers optimaliseerden multi-objectieve topologie met behulp van simulatiesoftware om de distributie van de MPC-cellen (Magnetic Nanoparticle Polymeer Composiet) voor magnetische activering te begrijpen. Vervolgens pasten ze de methode toe op twee verschillende afbeeldingen van schilderijen, waaronder een zelfportret van Van Gogh en de 'Schreeuw' van Munch. Na het toepassen van het topologie-optimalisatieraamwerk, ze regelden magnetische activering met een toegepast magnetisch veld om afbeeldingen geleidelijk van het Van Gogh- naar het Munch-portret over te zetten door de kantel- / afbuighoeken te vergroten. De wetenschappers karakteriseerden vervolgens de voor topologie geoptimaliseerde actuator met langetermijntests.

Op deze manier, Subramanian Sundaram en collega's ontwikkelden een topologie-optimizer die past bij de optische eigenschappen van het doelwit en de kantelhoeken. De wetenschappers koppelden bovendien een drop-on-demand inkjet-gebaseerd 3D-printen aan de optimalisatietechniek om topologie-geoptimaliseerde ontwerpen te ontwikkelen en optische eigenschappen met hoge resolutie te genereren. Hoewel er uitdagingen bestaan ​​bij de ontwikkeling van nieuwe inkten en materialen, ze konden een breed scala aan materialen fabriceren met behulp van het proces.

De onderzoekers kunnen de volledige fabricagepijplijn ontwerpen voor meer controlevrijheid met fabricagebewuste optimalisatie. De voor topologie geoptimaliseerde actuator en de bijbehorende fabricagetoolkit kunnen worden gebruikt om actuatoren met sensoren en elementaire computerelementen te ontwerpen om de lang gekoesterde visie van multifunctionele robotische/autonome composieten met grootschalige integratie en zelfvoorziening te verwezenlijken. Wanneer wetenschappers deze fundamentele strategieën verder onderzoeken, ze zullen multifunctionele actuatoren kunnen vormen met minimale menselijke tussenkomst.

© 2019 Wetenschap X Netwerk