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三维微观构建块:可打印,与时间相关的可编程工具
2020年09月26日    阅读量:546    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

四维(4-D)打印基于合并多材料打印,增强图案或微和纳米纤维添加剂作为与时间相关的可编程工具,以实现所需的形状重新配置。


然而,现有的编程方法仍然遵循折纸设计原理,以使用小尺寸的自折叠和堆叠式二维材料生成可重构结构。


在TY Huang和一个跨学科团队的最新科学进展报告中,美国和中国的国际研究人员提出了一种可编程的模块化设计,可以直接构建3D可重构微结构,该结构可以通过4进行3D到3D转换中国机械网okmao.com。 -D微型积木组件。


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研究人员使用4-D直接激光写入技术来印刷两光子可聚合且对刺激敏感的水凝胶作为建筑材料,并以微米为单位设计了建筑模块。团队介绍Denavit-Hartenberg(DH)参数通常用于定义机械臂的运动学(运动),作为组装微型积木和计划组装链块的3-D运动的准则。他们还3D打印了一个微型变压器,以将赛车从人形机器人转变为类人机器人(类似于电影,但在小规模和酸性环境中),以首次引导各种组装隔间的运动。实验室。


形状变形系统在伪装,软机器人致动器和生物医学设备中具有广泛的应用,以协调机器及其环境。研究人员可以将折纸设计用作标准的2D材料平台,以构造协调的自变形(自成形),3D变形机。自整形是一种独特且强大的技术,可用于构建用于无线形状更改驱动的小型机器,而无需依赖手动组装过程。材料科学家还通过引入纤维微结构和纳米结构来创建刺激响应性凝胶或材料,从而在二维材料中编程了形状转换形状记忆聚合物。最近的进展3-D打印方便地使研究人员可以直接打印具有空间控制的机械性能的机器。但是,现有的最先进的3D变形机仍然依靠基于平面2D自折叠折纸对应模板的3D打印。


模块化变形系统,由60个构件组成,这些构件在暴露于酸中时被编码为卷状。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aav8219

由于设计此类架构所需的计算复杂性增加,因此成功形成3D到3D形状转换的可编程设计技术受到了限制。到目前为止,研究人员已经依靠有限元分析(FEA)来模拟直接3-D打印结构的形状转换,但是,此过程非常耗时,并且3-D结构的复杂性不断提高。尽管可以设计几种算法以在模块化机器人中自动生成设计组件和运动,但该概念无法应用于小型机器。


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在目前的工作中,Huang等。因此,在模块化机器人技术和类似LEGO的构建块的启发下,提出了一种可编程的变形模块化(定制)设计。该团队使用直接的3D打印微观结构,促进了复杂的3D到3D形状转换的设计。


他们使用4维直接激光写入(4-D DLW)以亚微米的分辨率构建各种微尺度的形状变形构建基块,并通过激光剂量进行控制,以帮助过渡。除了用于模块设计的激光写入外,科学家还使用DH(Denavit-Hartenberg)参数捕获了正向和反向运动学,并引入了FEA来定量研究构件的变形。DH参数还允许它们通过减少计算量来组合3D隔室的运动,以进行复杂的3D到3D转换。


4-D打印在很大程度上依赖数学来处理复杂的正反问题,其成功取决于相对于实验结果的计算模型的准确性。


由于有限元分析会增加计算量,因此Huang等人。他提出了一种模块化设计,以使用离散的小型积木来重建大型复杂的3D结构及其形状转换,为此,他们基于Flory理论引入了FEA,以研究每个积木的变形。科学家在碱性溶液中进行了微机械压缩测试,以表征聚合凝胶的应力和应变关系与激光功率的关系。


表征材料后,Huang等人。基于商业软件Abaqus进行了有限元模拟,以预测具有不同化学势的3-D结构的形状演变。


为了最初验证FEA预测的准确性,他们形成了一个微花,其中包含10个双层花瓣,每个花瓣都用不同的激光剂量编码,以允许不同的变形曲率在不同的环境中膨胀和收缩。印刷结构在酸性溶液中会明显收缩,这种主要驱动力促进了印刷构件的变形。


左:借助有限元模拟,模块化系统的设计原理和装配规则。(A)铰接式积木的示意图和设计几何,其基本结构是八角形棱柱形空心圆柱,由成对的主动层,被动层和铰链接头组成。(B)由活性层的收缩引起的旋转变形。每个构建块都可以看作是旋转接头和刚性杆的组合,类似于机械臂。(C到E)各种预编程构件的组装使旋转运动具有受控的幅度和方向的示意图。(B),(C),(D)和(E)定义了如何分别在我们的模块化构建模块中实现四个DH参数θ,R,d和α。FEA提供了一种定量组装复杂模块化系统的方法。右图:变形模块化系统的逆向和正向设计。(A)反问题发现,用于对变形为所需形状的结构进行编程。在给定任意形状(例如波浪)的情况下,模块化设计将其转换为具有有限数量关节的离散副本,然后获得DH参数。模块化系统随后通过将反转的θz编码到卷中,构造成给定波形和组装后的卷配置之间的形状转换,以使其变形为波浪形。在以不同颜色编码的卷的逆设计图像中,实心圆表示θz为正,空心圆表示θz为负。(B)用不同的DH参数编码的已组装构件的光学图像。


黄等。然后将4-D结构块表示为立方单元,其双层结构包含主动和被动材料。他们计算了所配制的微构件的结合曲率,并根据其细长比和活性层上的激光功率对其进行了微调。为了组装和计划模块化系统的运动,Huang等人。考虑了4-D微型积木的整体结构刚度,装配自由度和可编程性。他们使用八角形棱柱形微圆柱体作为基本构建块来构建更大,更复杂的变形模块化系统,从而实现了这一目标。


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科学家们观察到了多个组装块的自组装,它们类似于产生所需3D运动的机械臂,他们使用FEA对其进行了估算,结果与实验吻合得很好。但是,FEA无法捕获由大量构造块(n> 60)产生的运动复杂性。


为了解决这个问题,Huang等。介绍了仅用四个物理参数以闭合分析形式的 DH参数(Denavit-Hartenberg),以计算包含多个关节和刚性杆的机械臂的形状转换。这些参数确定了建议的模块化系统的3D转换和装配规则。


由4-D微型积木组装而成的微型变压器。


最终,科学家们通过3-D组装和4-D 构建块的 3-D运动计划设计了一种微型变压器,并使用4-D DLW打印。


微型变压器包含五个主要功能部分,包括颈部,肩膀,手臂,中枢和腿部以及它们的连接。黄等。通过一系列的DH参数捕获每个车厢的变换,并在赛车和类人机器人之间形成了独特的形状变形过渡。


结果是在实验室中,首次研究创建了一个自动变形其形状以站立的微型变压器。


然而,合理地设计一种能够同时变形而又不干扰用于同步转换的每个组件的变压器仍然具有挑战性。相对于更大的屏幕对映机,微型变压器是极其简化的原理证明结构,研究人员可以在打印过程中设计具有编码时间维度的实际4D打印结构,以方便可重构设计并形成各种隔室,以便按需顺序转换。


通过这种方式,TY Huang及其同事提出了一种基于4-D微型积木组件的可编程模块化设计,以帮助解决4-D打印的复杂正向和反向问题。


他们使用FEA来预测每个构件的形状演变,而无需考虑整个结构,从而显着降低了计算复杂性。所得的微型变压器能够基于四个DH参数和使用光响应水凝胶的单步DLW制造工艺进行复杂的3-D转换。黄等。可以预见,提议的模块化设计将为便利复杂的4D打印的新设计铺平道路。


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