Технология, разработанная исследователями из Технологического института Джорджии и Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD), может использоваться для создания трехмерных структур, которые последовательно складываются из компонентов, которые были плоскими или свернутыми в трубу для отправки. . Компоненты могут реагировать на раздражители, такие как температура, влажность или свет, точно по времени для создания космических структур, развертываемых медицинских устройств, роботов, игрушек и ряда других структур.Исследователи использовали интеллектуальные полимеры с памятью формы (SMP), способные запоминать одну форму и переходить к другой запрограммированной форме при равномерном нагревании. Возможность создавать объекты, которые меняют форму в контролируемой последовательности с течением времени, обеспечивается путем печати нескольких материалов с различными динамическими механическими свойствами в заданных шаблонах по всему трехмерному объекту.
Когда эти компоненты затем нагреваются, каждый SMP реагирует с разной скоростью, изменяя свою форму, в зависимости от своих собственных внутренних часов. Тщательно рассчитав эти изменения, можно запрограммировать трехмерные объекты на самосборку.
Об исследовании было сообщено 8 сентября в журнале Scientific Reports, который издается издательством Nature Publishing. Работа финансируется Управлением научных исследований ВВС США, Национальным научным фондом США и Национальным исследовательским фондом Сингапура через Центр SUTD DManD.В ходе исследования были созданы самосгибающиеся структуры из трехмерных печатных шаблонов, содержащих различное количество различных интеллектуальных полимеров с памятью формы. Создание рисунка, выполненное с помощью трехмерного принтера, позволяет результирующим плоским компонентам иметь различную временную реакцию на одни и те же стимулы.
Более ранние методы требовали применения дифференциального нагрева в определенных местах плоской конструкции, чтобы стимулировать изменения формы.«Предыдущие попытки создать компоненты с последовательным изменением формы включали размещение нескольких нагревателей в определенных областях в компоненте с последующим контролем времени включения и выключения отдельных нагревателей», — пояснил Джерри Ци, профессор Школы машиностроения Джорджа В. Вудраффа. в Технологическом университете Джорджии. «Этот более ранний подход по существу требует управления теплом, применяемым ко всему компоненту как в пространстве, так и во времени, и является сложным. Мы изменили этот подход и использовали пространственно однородную температуру, которую легче применять, а затем использовали способность различных материалов внутренне контролировать их скорость изменения формы благодаря их молекулярному дизайну ".Команда продемонстрировала этот подход на серии примеров, включая механизм, который можно переключать с плоской полосы на заблокированную конфигурацию, когда один конец контролируемо изгибается и продвигается через замочную скважину.
Они также продемонстрировали плоский лист, который может складываться в трехмерную коробку с закрывающимися клапанами. Все эти примеры требуют точного управления последовательностью складывания различных частей конструкции, чтобы избежать столкновений компонентов во время складывания.
«Мы использовали возможность трехмерной печати интеллектуальных полимеров и интегрировали до десяти различных материалов в трехмерную структуру», — сказал Мартин Л. Данн, профессор Сингапурского университета технологий и дизайна, который также является директором. Центра цифрового производства и дизайна ЮТД. «Сейчас мы расширяем эту концепцию цифровых SMP, чтобы сделать возможным печать SMP с динамическими механическими свойствами, которые непрерывно меняются в трехмерном пространстве».Команда использовала сопутствующее моделирование методом конечных элементов для прогнозирования отклика трехмерных печатных компонентов, которые были сделаны из двух различных коммерчески доступных полимеров с памятью формы в различных соотношениях. Также была разработана упрощенная модель пониженного порядка для быстрого и точного описания физики процесса самосвертывания.
«Важным аспектом самосгибания является управление самоуничтожением, когда различные части складывающейся конструкции соприкасаются, а затем блокируют дальнейшее складывание», — заявили исследователи в своей статье. «Метрика разработана для прогнозирования столкновений и используется вместе с моделью пониженного порядка для проектирования самосгибающихся структур, которые фиксируются в стабильных желаемых конфигурациях».Исследовательская группа предполагает широкий спектр приложений для своей технологии. Например, беспилотный летательный аппарат может изменить форму с той, которая предназначена для крейсерской миссии, на форму, предназначенную для погружения.
Также возможны трехмерные компоненты, предназначенные для плоского складывания или сворачивания в трубы, чтобы их можно было легко транспортировать, а затем деформировать в предполагаемую трехмерную конфигурацию для использования.