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工程师3D使用体现逻辑打印智能对象

发布时间:2019-04-21 09:33 已浏览:

  即使没有大脑或神经系统,维纳斯捕蝇器似乎做出了复杂的决定,关于什么时候关闭潜在的猎物,以及当它意外地捕捉到它不能吃的东西时打开。

  宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员从这些系统中汲取灵感。他们使用刺激响应材料和几何原理,设计出具有“体现逻辑”的结构。通过他们的物理和化学组成,他们能够确定响应他们的环境做出多种可能的反应中的哪一种。

  尽管没有任何类型的电动机,电池,电路或处理器,但它们可以响应于预定的环境信号(例如湿度或油基化学品)在多种配置之间切换。

  使用多材料3D打印机,研究人员可以使用嵌套的if / then逻辑门制作这些有源结构,并可以控制每个门的时序,允许复杂的机械行为以响应环境中的简单变化。例如,通过利用这些原理,可以设计水生污染监测装置,以仅在存在油基化学品的情况下以及当温度超过特定阈值时打开和收集样品。

  宾夕法尼亚大学工程师发表了一篇开放获取研究,概述了他们在Nature Communications杂志上的研究方法。

  该研究由宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系助理教授Jordan Raney和实验室博士后研究员Yijie Jiang领导。Raney实验室的研究生Lucia Korpas也参与了这项研究。

  Raney的实验室对双稳态结构感兴趣,这意味着它们可以无限期地保持两种配置中的一种。它也对响应材料感兴趣,它可以在正确的环境下改变它们的形状。

  “双稳定性取决于几何形状,而响应性来自材料的化学性质,”Raney说。“我们的方法使用多材料3D打印来跨越这些独立的区域,以便我们可以利用材料响应性以正确的方式改变我们的结构的几何参数。”

  在之前的工作中,Raney及其同事已经演示了如何3D打印成角度硅胶梁的双稳态晶格。当压在一起时,梁保持锁定在弯曲的配置中,但是可以容易地拉回到它们的扩展形式中。

  这种双稳态行为几乎完全取决于梁的角度以及它们的宽度和长度之间的比例,“Raney说道。”压缩格子可以在材料中存储弹性能量。如果我们可以可控制地使用环境来改变光束的几何形状,那么结构将停止双稳态并且必然释放其存储的应变能量。您需要一个不需要电子装置的执行器来确定是否以及何时应该启动。“

  “很多材料吸收水分并膨胀,例如,它们会向各个方向扩展。这对我们没有帮助,因为它意味着梁的宽度和长度之间的比例保持不变,”Raney说。“我们需要一种方法将扩张限制在一个方向。”

  研究人员的解决方案是将他们的3D打印结构注入玻璃纤维或纤维素纤维,与梁的长度平行。与碳纤维一样,这种非弹性骨架可以防止梁伸长,但可以使纤维之间的空间扩大,从而增加梁的宽度。

  通过这种几何控制,可以通过改变梁的材料来实现更复杂的形状变化响应。研究人员使用吸收水的硅油和吸收水分的水凝胶制造了活性结构。还可以结合热敏和光敏材料,并且可以设计对甚至更特定的刺激响应的材料。

  改变光束的起始长度/宽度比以及硬内部光纤的浓度,使研究人员能够生产具有不同灵敏度水平的执行器。并且因为研究人员的3D打印技术允许在同一印刷品中使用不同的材料,所以结构可以在不同区域中具有多种形状变化响应,或甚至按顺序排列。

  “例如,”江说,“我们通过设计一个盒子来证明顺序逻辑,该盒子在暴露于合适的溶剂后,可以在预定时间后自动打开然后关闭。我们还设计了一个人造的维纳斯捕蝇草,只有在在指定的时间间隔内施加机械载荷,并且只有在油和水都存在时才打开的箱子。“

  这种具体逻辑方法的化学和几何元素都是与尺度无关的,这意味着这些原理也可以通过微观尺寸的结构来利用。

  “这对于微流体应用非常有用,”Raney说。“例如,我们可以设计一个在检测到某种污染物时自动关闭的门,而不是使用固态传感器和微处理器来不断读取流入微流控芯片的信号。”

  其他潜在的应用可能包括遥感,恶劣环境中的传感器,如沙漠,山脉,甚至其他行星。在不需要电池或计算机的情况下,这些具体的逻辑传感器可以在没有人类交互的情况下保持休眠多年,仅在呈现正确的环境提示时才开始行动。



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