3D打印”嵌入邏輯式”智能結(jié)構(gòu)

作者：張曼玉 田小永

自然界中松果成熟時(shí)釋放種子，捕蠅草捕捉食物時(shí)快速閉合，含羞草受到刺激時(shí)的動(dòng)作等等行為都是大自然對(duì)適應(yīng)環(huán)境刺激或一系列刺激動(dòng)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(jī)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(dòng)作等一系列行為內(nèi)嵌在材料組成和結(jié)構(gòu)特征中。

來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)從大自然中的此類(lèi)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(jì)制造帶有“嵌入邏輯”的智能結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)利用3D打印多材料雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)多材料雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的一系列實(shí)驗(yàn)，探究出該系統(tǒng)的幾何參數(shù)，材料響應(yīng)時(shí)間從而設(shè)計(jì)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(xiàn)；c雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)自動(dòng)激發(fā)原理；d直寫(xiě)3D打印元件過(guò)程；e 3D打印多材料及內(nèi)部纖維排列[1]

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)寬比，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)處于壓縮狀態(tài)時(shí)，彈性能儲(chǔ)存在材料中，當(dāng)改變環(huán)境時(shí)梁的長(zhǎng)寬比發(fā)生變化，雙穩(wěn)態(tài)發(fā)生躍變，釋放能量。而在實(shí)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(gè)方向，梁的長(zhǎng)寬比達(dá)不到是雙穩(wěn)態(tài)躍變的目的，因此該團(tuán)隊(duì)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(guò)程微纖維通過(guò)噴頭沿長(zhǎng)度方向排列，當(dāng)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(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)寬比改變，結(jié)構(gòu)躍變。


圖2為該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)具有復(fù)雜邏輯結(jié)構(gòu)的捕蠅草類(lèi)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(dāng)加入甲苯時(shí)單元1首先動(dòng)作打開(kāi)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(guò)時(shí)間t2后單元2動(dòng)作，鎖扣重新上鎖（圖2e），加入物塊，陷阱仍是開(kāi)放的（圖2f）。

圖2 嵌入邏輯式仿捕蠅草智能結(jié)構(gòu)[1]

該團(tuán)隊(duì)得出雙穩(wěn)態(tài)單元的性質(zhì)與梁的尺寸大小無(wú)關(guān)，只與長(zhǎng)寬比和角度有關(guān)。因此系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用如軟體機(jī)器人、醫(yī)學(xué)設(shè)備或一些可展開(kāi)結(jié)構(gòu)按需要縮放。
參考文獻(xiàn)：
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).

作者：張曼玉 田小永  3D打印分會(huì)中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)