此平坦结构变形为一个人面部的形状,当温度变化



研究人员在bt365手机和其他地方已经设计了从平坦层变形为预定的形状,响应于环境温度的变化3-d印刷网状结构。新的结构可以转变成,它们比其它形状转移材料和结构可以实现更复杂的配置。

晶格结构,最初印刷平板,已响应于周围的温度变化后演变成一个人脸的轮廓。透视图(左),俯视图(中间)和侧视图(右)转化的晶格的,大约160毫米高。图像:洛瑞ķ。桑德斯

作为示范,研究人员打印的平网的是,当暴露于一定的温度差,变形为人脸的形状。他们还设计嵌有导电液体金属网,该曲线为圆顶,以形成有源天线,其中所述谐振频率的变化,因为它变形。

该球队的新的设计方法可用于确定平坦网状结构要打印的特定模式,给定了材料的性能,从而使结构变换成所需的形状。

研究人员说,在道路上,它们的技术可以被用来设计可展开的结构,如帐篷或覆盖物,可自动平展,响应于温度或其它环境条件的变化膨胀。

这种复杂的,形状转移结构也可以用作支架望远镜或支架用于人造组织,或作为可变形的透镜。 WIM面包车里斯,在bt365手机机械工程助理教授,也看到了软机器人应用。

“我倒要看看这个纳入,例如,改变形状游泳,因为我们把它放在水中机器人水母,说:”面包车里斯。 “如果你可以使用它作为一个驱动器,像一个人造肌肉,致动器可能是转换到另一个任意形状任意形状。那么你进入软机器人技术的全新设计空间“。

面包车里斯和他的同事在本周将发布他们的结果在 科学的美国国家科学院院刊。他的合着者J个。波士顿大学的威廉博利;瑞安truby,阿尔达kotikian,詹妮弗·刘易斯,和L。哈佛大学的马哈德;查尔斯lissandrello德雷珀实验室;并标记波士顿大学的霍伦斯坦。

礼品包装的限制

两年前,面包车里斯与理论设计如何在薄平板转换成复杂的形状想出了诸如人脸。在此之前,研究人员在4-d材料领域 - 设计,随着时间的推移变形材料 - 已经制定了某些材料的方式来改变,或变形,但只能为相对简单的结构。

“我的目​​标是与我们想要实现的,就像一个人的脸一个复杂的3-d形状开始,然后问,‘我们怎样的材料程序,所以它会在那里?’”面包车里斯说。 “这是反设计的问题。”

他提出了一个公式来计算的膨胀和一个双层材料片材的区域将必须以达到所希望的形状,以实现收缩,并开发了一个代码在理论上材料来模拟此。他然后把公式的工作,以及如何可视化方法可以改变一个单位,连续盘成一个复杂的人脸。

但他和他的合作者们很快发现,该方法并不适用于大多数物理材料,至少如果他们试图与连续片工作。而面包车里斯使用的连续片为他的仿真,这是一种理想化的材料,具有上膨胀的量没有物理限制和收缩也可能实现。大多数材料,相反,具有非常有限的增长能力。这种限制对称为双曲率的属性产生深刻的影响,这意味着一个表面,可以同时弯曲在两个垂直方向 - 即在一个几乎200岁定理通过卡尔·弗里德里希描述高斯称为绝妙定理,拉丁文的效果“显着的定理。”

如果你曾经试图礼品包装足球,你已经经历过这个概念在实践中:变换纸,其中有没有弯度,以一球,其中有积极的双曲率的形状,你必须折痕和揉碎在侧面和底部的纸完全包裹球。换句话说,对于纸张以适应具有双曲率的形状,它必须伸展或收缩,或两者,在必要的地方均匀地包裹一球。

赋予的形状移片双曲率,研究者切换结构的基础上从连续片材的格子或网状物。这个想法是双重的:第一,晶格的肋的温度引起的弯曲将导致更大的网格节点的膨胀和收缩,比可以在一个连续的片材来实现。第二,当肋被设计成在整个片材不同的速率生长在晶格中的空隙可以很容易地容纳在表面积大的变化。

研究人员还设计了晶格的每个单独肋以预定的程度,以创造的,比方说形状,鼻子而不是眼窝弯曲。

每个肋,它们并入4个瘦肋,布置两个排队顶上其他两个。所有四个miniribs是从同一基础材料的仔细选择的变化作出,以校准温度所需要的不同的响应。

当四个miniribs在印刷过程中被结合在一起,以形成一个较大的肋,该肋整体能由于较小的肋的材料之间的温度响应的差值曲线:如果一种材料是更加适应的温度,它可以喜欢拉长。但由于它被结合到一个不太敏感肋,其抵抗伸长,整个肋意愿曲线代替。

研究人员可以用四个肋的布置玩“预编程”肋条作为一个整体向上弯曲是否以形成鼻的一部分,或者向下跌落作为眼窝的一部分。

形状解锁

制造改变成一个人脸的形状的格子中,研究人员开始用脸的3 d图像 - 是具体的,高斯的脸,其几何形状的原则underly很多球队的办法。从该图像,他们创建地图的距离的平坦表面将需要上升或下沉,以符合脸的形状。面包车里斯然后设计出一种算法来这些距离与肋的特定图案的晶格,并且每个肋内miniribs的比例平移。

球队印刷从PDMS晶格,当暴露于温度升高这自然膨胀的普通橡胶材料。它们通过注入用玻璃纤维它的一个解决方案,使得物理上更硬,更耐温度变化调节材料的温度响应。印刷材料的格子图案后,它们固化在250度摄氏烘箱晶格,然后把它从并将其放置在盐水浴中,在那里它冷却至室温,并演变成一个人脸的形状。

研究人员礼貌

团队还印从嵌入有液体金属油墨肋制成的格子状圆盘 - 各种各样的天线,即改变了它的谐振频率作为晶格转变成圆顶。

面包车里斯和他的同事们正在研究如何运用设计复杂的形状转移到坚硬的材料,坚固的应用,如温度响应帐篷和自推进鳍和翅膀。

这项研究得到了支持,部分由美国国家科学基金会和德雷珀实验室。