3D打印”嵌入邏輯式”智能結(jié)構(gòu)

供稿人:張曼玉、田小永

在自然界中松果成熟時釋放種子，捕蠅草捕捉食物時快速閉合，含羞草受到刺激時的動作等等行為都是大自然對適應(yīng)環(huán)境刺激或一系列刺激動作做出變換形態(tài)和功能的例子。與傳統(tǒng)的使用電子元件和傳感器的機電系統(tǒng)不同，自然系統(tǒng)將這些感知刺激，傳遞刺激，執(zhí)行動作等一系列行為內(nèi)嵌在材料組成和結(jié)構(gòu)特征中。

來自賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)院的研究團隊從大自然中的此類系統(tǒng)獲得啟發(fā)，利用刺激響應(yīng)材料的幾何原理，設(shè)計制造帶有“嵌入邏輯”的智能結(jié)構(gòu)。該團隊利用3D打印多材料雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，通過對多材料雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的一系列實驗，探究出該系統(tǒng)的幾何參數(shù)，材料響應(yīng)時間從而設(shè)計出一系列內(nèi)嵌邏輯的智能結(jié)構(gòu)。

圖1， a雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖；b雙穩(wěn)態(tài)位移應(yīng)變能有限元曲線；c雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)自動激發(fā)原理；d直寫3D打印元件過程；e 3D打印多材料及內(nèi)部纖維排列[1]

該團隊通過實驗探究出雙穩(wěn)態(tài)取決于彈性梁（圖1a中所示梁）的角度和長寬比，當雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)處于壓縮狀態(tài)時，彈性能儲存在材料中，當改變環(huán)境時梁的長寬比發(fā)生變化，雙穩(wěn)態(tài)發(fā)生躍變，釋放能量。而在實際中許多材料吸水膨脹，但是由于材料各向同性，其膨脹發(fā)生在各個方向，梁的長寬比達不到是雙穩(wěn)態(tài)躍變的目的，因此該團隊在3D打印的材料（硅膠和水凝膠）中添加玻璃微纖維或納米纖維素，在打印過程微纖維通過噴頭沿長度方向排列，當材料與水或油基液體（硅膠遇油基液體膨脹；水凝膠遇水膨脹）接觸時長度方向由于纖維的控制，膨脹受限，因此雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的長寬比改變，結(jié)構(gòu)躍變。

圖2為該團隊設(shè)計具有復(fù)雜邏輯結(jié)構(gòu)的捕蠅草類似裝置。圖2a單元1和2材料采用橡膠和微玻璃纖維玻璃組成但纖維含量不同的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，陷阱和鎖扣為3D打印元件。當加入甲苯時單元1首先動作打開鎖扣（圖2b），加入物塊到陷阱中（圖2c），陷阱關(guān)閉捕捉物塊（圖2d）；經(jīng)過時間t2后單元2動作，鎖扣重新上鎖（圖2e），加入物塊，陷阱仍是開放的（圖2f）。

圖2 嵌入邏輯式仿捕蠅草智能結(jié)構(gòu)[1]

該團隊得出雙穩(wěn)態(tài)單元的性質(zhì)與梁的尺寸大小無關(guān)，只與長寬比和角度有關(guān)。因此系統(tǒng)可以根據(jù)實際應(yīng)用如軟體機器人、醫(yī)學(xué)設(shè)備或一些可展開結(jié)構(gòu)按需要縮放。

參考文獻：
Yijie Jiang. Lucia M. Korpas. Jordan R. Raney, Bifurcation-based embodied logic and autonomous actuation[J]. Nature Communications,2019
Liu, K., Wu, J., Paulino, G. H. & Qi, H. Programmable deployment of tensegrity structures by stimulus-responsive polymers. Sci. Rep. 7, 3511 (2017).

供稿人:張曼玉、田小永

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室