3D打印”嵌入邏輯式”智能結構

作者：張曼玉 田小永

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嵌在材料組成和結構特征中。

來自賓夕法尼亞大學工程與應用科學院的研究團隊從大自然中的此類系統(tǒng)獲得啟發(fā)，利用刺激響應材料的幾何原理，設計制造帶有“嵌入邏輯”的智能結構。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，材料響應時間從而設計出一系列內嵌邏輯的智能結構。

圖1， a雙穩(wěn)態(tài)結構及參數示意圖；b雙穩(wěn)態(tài)位移應變能有限元曲線；c雙穩(wěn)態(tài)結構自動激發(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)結構處于壓縮狀態(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)結構的長寬比改變，結構躍變。


圖2為該團隊設計具有復雜邏輯結構的捕蠅草類似裝置。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)結構，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），陷阱關閉捕捉物塊（圖2d）；經過時間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構[1]

該團隊得出雙穩(wěn)態(tài)單元的性質與梁的尺寸大小無關，只與長寬比和角度有關。因此系統(tǒng)可以根據實際應用如軟體機器人、醫(yī)學設備或一些可展開結構按需要縮放。
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).

作者：張曼玉 田小永  3D打印分會中國機械工程學會