网状结构可以变形成预定的形状

麻省理工学院的研究人员设计了3d打印的网状结构，可以根据环境温度的变化，从平面层变成预定的形状。新结构可以转换成比其他变形材料和结构更复杂的结构。

作为演示，研究人员打印了一个平面网格，当暴露在一定的温差下时，它会变形成人脸的形状。他们还设计了一个嵌入导电液态金属的网状结构，它弯曲成一个圆顶，形成一个有源天线，其共振频率随着变形而变化。

该团队的新设计方法可用于确定要打印的平面网格结构的特定模式，给定材料的属性，以使结构转换成所需的形状。

研究人员说，在未来的道路上，他们的技术可能会被用于设计可展开的结构，比如帐篷或覆盖物，它们会根据温度或其他环境条件的变化自动展开和膨胀。

这种复杂的、可变形的结构也可以用作人造组织的支架或支架，或者用作望远镜的可变形透镜。麻省理工学院机械工程助理教授维姆·范·里斯(Wim van Rees)也看到了软机器人的应用。

范里斯说:“我希望看到这一点被纳入，例如，一个机器水母，当我们把它放在水中时，它会改变形状来游泳。”“如果你可以把它用作驱动器，就像人造肌肉一样，驱动器可以是任意形状的，可以转换成另一个任意形状。然后你就进入了一个全新的软机器人设计领域。”

范·里斯和他的同事们目前正在研究如何将复杂的变形设计应用于更坚硬的材料，用于更坚固的应用，比如温度响应帐篷和自推进鳍和翅膀。

礼品包装的限制

两年前，范·里斯提出了一个理论设计，关于如何将薄的平板转换成复杂的形状，比如人脸。在此之前，4d材料领域的研究人员——设计成随时间变形的材料——已经开发出某些材料改变或变形的方法，但只能变成相对简单的结构。

“我的目标是从我们想要实现的复杂的3d形状开始，比如人脸，然后问，‘我们如何编程一种材料，让它达到那种效果?’”范·里斯说。“这是逆向设计的问题。”

他提出了一个公式来计算双层材料片的区域为了达到理想的形状而必须达到的膨胀和收缩，并开发了一个代码来模拟理论材料。然后，他把这个公式应用到工作中，并设想了如何用这种方法把一个平坦的、连续的圆盘变成一个复杂的人脸。

然而，van Rees和他的合作者发现，如果他们试图使用连续的薄片，这种方法将不适用于大多数物理材料。虽然范·里斯在模拟中使用了连续的薄片，但它是一种理想的材料，对其可以实现的膨胀和收缩量没有物理限制。相比之下，大多数材料的生长能力非常有限。这种限制对双重曲率的性质产生了深远的影响，这意味着一个表面可以同时在两个垂直的方向上弯曲——卡尔·弗里德里希·高斯在一个近200年前的定理中描述了这种效应，这个定理被称为定理Egregium，拉丁文的意思是“非凡定理”。

为了给可变形的薄片赋予双重曲率，研究人员将结构的基础从连续的薄片转变为晶格或网格。这个想法有两个方面:首先，温度引起的晶格肋弯曲会导致网格节点的膨胀和收缩，比连续板所能实现的要大得多。其次，当肋条被设计成以不同的速率在薄片上生长时，晶格中的空隙可以很容易地容纳表面积的巨大变化。

研究人员还设计了格子的每根肋骨，使其按照预定的程度弯曲，以创造出鼻子的形状，而不是眼窝的形状。

对于每根肋骨，他们结合了四根更细的肋骨，将其中两根排在另外两根上。所有四个迷你肋都是由精心挑选的相同基础材料制成的，以校准所需的不同温度响应。

当四个小肋条在打印过程中粘合在一起形成一个更大的肋条时，由于较小肋条的材料之间的温度响应差异，整个肋条可能会弯曲:如果一种材料对温度响应更敏感，它可能更倾向于拉长。但由于它与反应较差的肋骨相连，从而抵抗伸长，因此整个肋骨会弯曲。

研究人员可以对四根肋骨的排列进行“预编程”，以确定肋骨是作为一个整体向上弯曲形成鼻子的一部分，还是作为眼窝的一部分向下倾斜。

麻省理工学院(MIT)

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程、CFE传媒科技;cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程机器人的故事。

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