Onderzoekers van MIT en elders hebben 3D-geprinte gaasachtige structuren ontworpen die van platte lagen veranderen in vooraf bepaalde vormen, als reactie op veranderingen in de omgevingstemperatuur. De nieuwe structuren kunnen transformeren in configuraties die complexer zijn dan wat andere vormveranderende materialen en structuren kunnen bereiken.

Als demonstratie, de onderzoekers printten een plat gaas dat, bij blootstelling aan een bepaald temperatuurverschil, vervormt in de vorm van een menselijk gezicht. Ze ontwierpen ook een mesh ingebed met geleidend vloeibaar metaal, die in een koepel buigt om een ​​actieve antenne te vormen, waarvan de resonantiefrequentie verandert als deze vervormt.

De nieuwe ontwerpmethode van het team kan worden gebruikt om het specifieke patroon van te printen platte gaasstructuren te bepalen, gezien de eigenschappen van het materiaal, om de structuur te laten transformeren in een gewenste vorm.

De onderzoekers zeggen dat op de weg, hun techniek kan worden gebruikt om inzetbare constructies te ontwerpen, zoals tenten of overkappingen die zich automatisch ontvouwen en opblazen als reactie op veranderingen in temperatuur of andere omgevingscondities.

zulke complexe, vormveranderende structuren kunnen ook worden gebruikt als stents of steigers voor kunstweefsel, of als vervormbare lenzen in telescopen. Wim van Rees, universitair docent werktuigbouwkunde aan het MIT, ziet ook toepassingen in zachte robotica.

"Ik zou dit graag verwerkt zien in bijvoorbeeld, een robotkwal die van vorm verandert om te zwemmen als we hem in water stoppen, ", zegt Van Rees. "Als je dit als actuator zou kunnen gebruiken, als een kunstmatige spier, de actuator kan elke willekeurige vorm hebben die in een andere willekeurige vorm verandert. Dan betreed je een geheel nieuwe ontwerpruimte in zachte robotica."

Van Rees en zijn collega's publiceren deze week hun resultaten in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Zijn co-auteurs zijn J. William Boley van de Boston University; Ryan Truby, Arda Kotikian, Jennifer Lewis, en L. Mahadevan van de universiteit van Harvard; Charles Lissandrello van Draper Laboratory; en Mark Horenstein van de Boston University.

De limiet van cadeaupapier

Twee jaar geleden, van Rees kwam met een theoretisch ontwerp voor het transformeren van een dun plat vel in een complexe vorm zoals een menselijk gezicht. Tot dan, onderzoekers op het gebied van 4D-materialen - materialen die zijn ontworpen om in de loop van de tijd te vervormen - hadden manieren ontwikkeld om bepaalde materialen te veranderen, of morph, maar alleen in relatief eenvoudige structuren.

"Mijn doel was om te beginnen met een complexe 3D-vorm die we willen bereiken, als een menselijk gezicht, en vraag dan 'Hoe programmeren we een materiaal zodat het daar komt?', zegt van Rees. 'Dat is een probleem van inverse design.'

Hij bedacht een formule om de uitzetting en samentrekking te berekenen die gebieden van een dubbellaagse materiaalplaat zouden moeten bereiken om de gewenste vorm te bereiken, en ontwikkelde een code om dit in theoretisch materiaal te simuleren. Vervolgens zette hij de formule aan het werk, en visualiseerde hoe de methode een flat kon transformeren, continue schijf in een complex menselijk gezicht.

Maar hij en zijn medewerkers ontdekten al snel dat de methode niet van toepassing was op de meeste fysieke materialen, tenminste als ze met doorlopende vellen zouden proberen te werken. Terwijl Van Rees een doorlopend blad gebruikte voor zijn simulaties, het was van een geïdealiseerd materiaal, zonder fysieke beperkingen op de hoeveelheid uitzetting en krimp die het zou kunnen bereiken. De meeste materialen, in tegenstelling tot, zeer beperkte groeimogelijkheden hebben. Deze beperking heeft ingrijpende gevolgen voor een eigenschap die bekend staat als dubbele kromming, wat betekent een oppervlak dat gelijktijdig in twee loodrechte richtingen kan buigen - een effect dat wordt beschreven in een bijna 200 jaar oude stelling van Carl Friedrich Gauss, de Theorema Egregium genaamd, Latijn voor "opmerkelijke stelling."

Als je ooit hebt geprobeerd een voetbal cadeau te doen, je hebt dit concept in de praktijk ervaren:om papier te transformeren, die helemaal geen kromming heeft, in de vorm van een bal, die een positieve dubbele kromming heeft, je moet het papier aan de zijkanten en onderkant kreuken en verkreukelen om de bal volledig in te pakken. Met andere woorden, voor het vel papier om zich aan te passen aan een vorm met dubbele kromming, het zou moeten uitrekken of samentrekken, of allebei, op de nodige plaatsen om een ​​bal gelijkmatig te wikkelen.

Om dubbele kromming te geven aan een vormveranderende plaat, de onderzoekers veranderden de basis van de structuur van een doorlopend blad naar een rooster, of gaas. Het idee was tweeledig:ten eerste, een temperatuurgeïnduceerde buiging van de ribben van het rooster zou resulteren in veel grotere uitzettingen en samentrekkingen van de maasknopen, dan in een doorlopende plaat zou kunnen worden bereikt. Tweede, de holtes in het rooster kunnen gemakkelijk grote veranderingen in het oppervlak opvangen wanneer de ribben zijn ontworpen om met verschillende snelheden over de plaat te groeien.

De onderzoekers ontwierpen ook elke individuele rib van het rooster om met een vooraf bepaalde graad te buigen om de vorm te creëren van, zeggen, een neus in plaats van een oogkas.

Voor elke rib ze verwerkten vier magere ribben, het regelen van twee om boven op de andere twee uit te lijnen. Alle vier de miniribs zijn gemaakt van zorgvuldig geselecteerde variaties van hetzelfde basismateriaal, om de vereiste verschillende reacties op temperatuur te kalibreren.

Toen de vier miniribs tijdens het drukproces aan elkaar werden gehecht om één grotere ribbe te vormen, de rib als geheel zou kunnen krommen als gevolg van het verschil in temperatuurrespons tussen de materialen van de kleinere ribben:als één materiaal beter reageert op temperatuur, het kan de voorkeur geven om te verlengen. Maar omdat het is gebonden aan een minder reagerende rib, die weerstand biedt aan de verlenging, de hele rib zal in plaats daarvan krommen.

De onderzoekers kunnen spelen met de opstelling van de vier ribben om te "voorprogrammeren" of de rib als geheel omhoog buigt om deel uit te maken van een neus, of duikt naar beneden als onderdeel van een oogkas.

Vormen ontgrendeld

Om een ​​rooster te maken dat verandert in de vorm van een menselijk gezicht, de onderzoekers begonnen met een 3D-beeld van een gezicht - om precies te zijn, het gezicht van Gauss, wiens principes van geometrie ten grondslag liggen aan een groot deel van de benadering van het team. Van dit beeld, ze creëerden een kaart van de afstanden die een plat oppervlak nodig zou hebben om omhoog of omlaag te gaan om zich aan te passen aan de vorm van het gezicht. Van Rees bedacht vervolgens een algoritme om deze afstanden te vertalen naar een rooster met een specifiek patroon van ribben, en verhoudingen van miniribs binnen elke rib.

Het team heeft het rooster geprint vanuit PDMS, een veelvoorkomend rubberachtig materiaal dat van nature uitzet bij blootstelling aan temperatuurstijging. Ze pasten de temperatuurgevoeligheid van het materiaal aan door een oplossing ervan te infuseren met glasvezels, waardoor het fysiek stijver en beter bestand is tegen een verandering in temperatuur. Na het afdrukken van roosterpatronen van het materiaal, ze hebben het rooster uitgehard in een oven van 250 graden Celsius, nam het er toen uit en plaatste het in een zoutwaterbad, waar het afkoelde tot kamertemperatuur en veranderde in de vorm van een menselijk gezicht.

Het team heeft ook een schijf met traliewerk geprint die is gemaakt van ribben die zijn ingebed met vloeibare metaalinkt - een soort antenne, die zijn resonantiefrequentie veranderde toen het rooster in een koepel veranderde.

Van Rees en zijn collega's onderzoeken momenteel manieren om het ontwerp van complexe vormverandering toe te passen op stijvere materialen. voor stevigere toepassingen, zoals temperatuurgevoelige tenten en zelfrijdende vinnen en vleugels.