Vierdimensionaal (4D) printen is gebaseerd op het samenvoegen van multimateriaal printen, versterkingspatronen of micro- en nanovezeladditieven als tijdgebonden programmeerbare hulpmiddelen, om gewenste vormherconfiguraties te bereiken. Echter, de bestaande programmeerbenaderingen volgen nog steeds een origami-ontwerpprincipe om herconfigureerbare structuren te genereren met behulp van zelfvouwende en gestapelde 2D-materialen op kleine schaal. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , T. Y. Huang en een team van interdisciplinaire, internationale onderzoekers in de VS en China hebben een programmeerbaar modulair ontwerp voorgesteld om direct 3-D herconfigureerbare microstructuren te construeren die in staat zijn tot 3-D-naar-3-D-transformaties via 4-D micro-bouwsteenassemblage.

De onderzoekers gebruikten 4-D direct laserschrijven om twee-foton polymeriseerbare en prikkelgevoelige hydrogels als bouwmateriaal te printen en bouwden de bouwstenen op micrometerschaal. Het team introduceerde Denavit-Hartenberg (DH) -parameters die doorgaans worden gebruikt om de kinematica (beweging) van de robotarm te definiëren als richtlijn voor het samenstellen van microbouwstenen en het plannen van de 3D-beweging van geassembleerde kettingblokken. Ze hebben ook 3D een microschaaltransformator geprint om de vorm te veranderen van een raceauto in een humanoïde robot (net zoals de film, maar dan in kleinschalige en zure oplossing) om de beweging van een verscheidenheid aan geassembleerde compartimenten voor de eerste keer in het lab.

Shape-morphing-systemen hebben brede toepassingen in camouflage, als zachte robotactuatoren en in biomedische apparaten om machines en hun omgevingen te coördineren. Onderzoekers kunnen computationele origami-ontwerpen gebruiken als standaard 2D-materiaalplatforms om gecoördineerde zelf-morphing (zelfvormend) te construeren, 3D morphing-machines. Self-shaping is een unieke en krachtige techniek die wordt gebruikt om kleinschalige machines te bouwen voor draadloze vormverandering, zonder afhankelijk te zijn van handmatige montageprocessen. Materiaalwetenschappers hadden ook vormtransformaties geprogrammeerd in 2D-materialen door vezelachtige micro- en nano-architecturen te introduceren om op stimuli reagerende gels of vormgeheugenpolymeren te creëren. Recente ontwikkelingen in 3D-printen hebben onderzoekers gemakkelijk in staat gesteld om machines met ruimtelijk gecontroleerde mechanische eigenschappen direct te printen. Echter, bestaande ultramoderne 3D-morphingmachines vertrouwen nog steeds op 3D-printen die is gebaseerd op een sjabloon van vlakke 2D-zelfvouwende origami-tegenhangers.

Een programmeerbare ontwerptechniek om met succes 3-D-naar-3-D-vormtransformaties te vormen, is beperkt vanwege de toegenomen rekenkundige complexiteit die nodig is om een ​​dergelijke architectuur te ontwerpen. Tot dusver hebben onderzoekers vertrouwd op eindige-elementenanalyse (FEA) om vormtransformaties van directe 3D-geprinte structuren te simuleren, echter, het proces is tijdrovend met toenemende 3D structurele complexiteit. Hoewel het mogelijk is om verschillende algoritmen te ontwerpen om automatisch de ontwerpassemblage en beweging in modulaire robots te genereren, het concept is niet toepasbaar op kleinschalige machines.

In het huidige werk, Huang et al. stelde daarom een ​​programmeerbaar morphing modulair (aangepast) ontwerp voor, geïnspireerd door modulaire robotica en LEGO-achtige bouwstenen. Het team faciliteerde het ontwerp van complexe 3D-naar-3-D vormtransformaties met behulp van directe 3D-geprinte microstructuren. Ze gebruikten 4-D direct laserschrijven (4-D DLW) met een resolutie van submicron om een ​​verscheidenheid aan vormveranderende bouwstenen op microschaal te bouwen, gecontroleerd via de laserdosering, om de overgang te helpen. Naast laserschrijven voor modulair ontwerp, de wetenschappers legden voorwaartse en inverse kinematica vast met behulp van DH (Denavit-Hartenberg) parameters en introduceerden FEA om de vervorming van bouwstenen kwantitatief te bestuderen. Dankzij de DH-parameters konden ze beweging van 3D-compartimenten samenstellen voor complexe 3D-naar-3-D-transformaties door de rekenbelasting te verminderen.

4D-printen is grotendeels afhankelijk van wiskunde om geavanceerde voorwaartse en inverse problemen aan te pakken en het succes ervan hangt af van de nauwkeurigheid van rekenmodellen ten opzichte van de experimentele resultaten. Omdat FEA een zware rekenbelasting met zich meebrengt, Huang et al. stelde een modulair ontwerp voor om een ​​grote en gecompliceerde 3D-structuur en zijn vormtransformatie te reconstrueren met behulp van kleine en gediscretiseerde bouwstenen waarvoor ze FEA introduceerden op basis van de Flory-theorie om de vervorming van elke bouwsteen te bestuderen. De wetenschappers voerden micromechanische compressietests uit in een alkalische oplossing om de relatie tussen spanning en rek van de gepolymeriseerde gels te karakteriseren als een functie van het laservermogen.

Na het karakteriseren van het materiaal, Huang et al. voerde een eindige-elementensimulatie uit op basis van de commerciële software Abaqus om de vormevolutie van 3D-structuren met variërend chemisch potentieel te voorspellen. Om in eerste instantie de nauwkeurigheid van de FEA-voorspelling te verifiëren, ze vormden een microbloem met 10 dubbellaagse bloembladen die elk waren gecodeerd met verschillende laserdoseringen om verschillende morphing-krommingen in verschillende omgevingen te laten zwellen en krimpen. De gedrukte structuur kromp aanzienlijk in zure oplossingen - de dominante drijvende kracht die vervorming in gedrukte bouwstenen vergemakkelijkt.

Huang et al. vervolgens vertegenwoordigden de 4-D-bouwstenen als kubische cellen met een dubbellaagse configuratie die actieve en passieve materialen bevat. Ze berekenden de bindingskromming van de geformuleerde microbouwstenen, verfijnd door hun slankheidsverhouding en laservermogen op de actieve laag. Om de beweging van het modulaire systeem te monteren en te plannen, Huang et al. rekening gehouden met de algehele structurele stijfheid, vrijheid van montage en programmeerbaarheid van de 4-D micro-bouwstenen. Ze bereikten dit met behulp van een achthoekige prismatische microcilinder als basisbouwsteen om een ​​groter en ingewikkelder morphing modulair systeem te bouwen.

De wetenschappers observeerden zelfassemblage van meerdere bouwstenen om te lijken op een robotarm die de gewenste 3D-bewegingen genereert, die ze schatten met behulp van FEA en de resultaten kwamen goed overeen met de experimenten. Echter, FEA kon geen bewegingscomplexiteit vastleggen die werd gegenereerd door een groter aantal bouwstenen (n> 60). Dit behandelen, Huang et al. introduceerde DH-parameters (Denavit-Hartenberg) met slechts vier fysieke parameters in een gesloten analytische vorm om vormtransformaties van een robotarm met meerdere gewrichten en stijve staven te berekenen. Deze parameters bepaalden de 3D-transformaties en montageregels van het voorgestelde modulaire systeem.

uiteindelijk, de wetenschappers ontwierpen een microschaaltransformator via 3D-assemblage en 3D-bewegingsplanning van 4-D-bouwstenen, afgedrukt met 4-D DLW. De minitransformator bevatte vijf functionele hoofdsegmenten, inclusief de nek, schouder, armen, ruggengraat en benen, naast hun connecties. Huang et al. legde transformaties van elk compartiment vast via een reeks DH-parameters en vormde een unieke vormveranderende overgang tussen een raceauto en een humanoïde robot.

Het resultaat was een eerste-in-studie om een ​​minitransformator te maken die automatisch van vorm veranderde om op te staan ​​- in het laboratorium. Echter, het is nog steeds een uitdaging om rationeel een transformator te ontwerpen die tegelijkertijd morphed zonder elke component te verstoren voor gesynchroniseerde transformatie. Hoewel de microschaaltransformator een uiterst vereenvoudigde proof-of-principle-constructie is voor zijn grotere tegenhangers op het scherm, onderzoekers kunnen tijdens het printen echte 4D-geprinte structuren ontwerpen met een gecodeerde tijdsdimensie om herconfigureerbare ontwerpen te vergemakkelijken en verschillende compartimenten te vormen die sequentieel naar wens kunnen worden getransformeerd.

Op deze manier, T. Y. Huang en collega's stelden een programmeerbaar modulair ontwerp voor op basis van 4-D micro-bouwsteenassemblage om complexe voorwaartse en inverse problemen van 4D-printen te helpen. Ze gebruikten FEA om de vormevolutie van elke bouwsteen te voorspellen, zonder rekening te houden met de hele structuur om de computationele complexiteit aanzienlijk te verminderen. De resulterende transformator op microschaal was in staat tot complexe 3D-transformaties op basis van vier DH-parameters en een eenstaps DLW-fabricageproces met behulp van fotoresponsieve hydrogels. Huang et al. voorzien dat het voorgestelde modulaire ontwerp de weg zal effenen voor nieuwe ontwerpen van complex 4D-printen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk