TU Delft bada innowacyjne metamateriały 3D do druku z aplikacjami w miękkiej robotyzacji

Metamateriały mechaniczne są podkategorią materiałów projektowych, w których geometria materiału syntetycznego w małej skali ma na celu wprowadzenie niezwykłych właściwości i funkcjonalności, takich jak zachowanie pamięci kształtu.

"Jest to niezwykłe własność tych metamateriałów powoduje, że tworzą one bardzo złożone wzorce aktywacji przy tylko jednej sile uruchamiania "- wyjaśnia profesor Amir Zadpoor, który pracuje w Additive Manufacturing Laboratory na Wydziale Inżynierii Biomechaniki Uniwersytetu. "Materiały te są również łatwe do wyprodukowania, ponieważ niedroga drukarka 3D i dwuskładnikowy elastomer to wszystko, czego potrzeba, aby stworzyć te struktury komórkowe."

Określony wzór lokalnego uruchamiania jest zaprogramowany bezpośrednio w projektowanie miękkich materiałów komórkowych do druku 3D tych metamateriałów na odległość, co oznacza, że ​​pojedyncza siła może stworzyć niezbędne lokalne uruchomienie. Według dr Reza Hedayati, inny badacza Delft, miejscowe uruchomienie wymaga zwykle sieci przewodowej-siebie, połączonych ze sobą elementów wykonawczych, które są sterowane zewnętrznie z tworzenia wzoru aktywacji.

„W naszym materiału, wzorzec aktywacji jest zaprogramowany w geometrii struktur komórkowych "- powiedział dr Hedayati. "Nie ma zatem potrzeby tworzenia sieci lokalnych siłowników i związanych z nimi okablowania i sterowników. To sprawia, że ​​te siłowniki są znacznie tańsze i łatwiejsze do wykonania. "

Zespół niedawno opublikował artykuł na temat ich pracy, zatytułowany" Metamateriały typu action-at-a-distance: rozproszone lokalne sterowanie siłami dalekiego pola, "W dzienniku materiałów APL; współautorzy m.in. dr Hedayati, dr MJ Mirzaali i L. Vergani z Politechniki w Mediolanie, i dr Zadpoor.

streszczenie brzmi: „Tu proponujemy pojęcie„działania, w metamateriały "na odległość", w których zaprogramowany jest wzór lokalnego odkształcenia w materiale materiałów (komórkowych). Pożądany wzorzec lokalnej aktywacji można wówczas osiągnąć poprzez zastosowanie jednej globalnej siły dalekiego pola. Zaproponowaliśmy stopniowane projekty auksetycznych i konwencjonalnych komórek elementarnych, zmieniając współczynniki Poissona jako sposób tworzenia metamateriałów "action-at-a-distance". Zbadaliśmy pięć rodzajów stopniowanych wzorów, w tym liniowy, dwa typy gradientów radialnych, kratkę i paski. Próbki były wytwarzane z pośrednim wytwarzaniem dodatków i testowane pod wpływem ściskania, rozciągania i ścinania. Mierzono mapy odkształceń całego polaz cyfrową korelacją obrazu potwierdziło różne wzorce lokalnego uruchamiania pod podobnymi odległymi odkształceniami pola. Materiały te mają potencjalne zastosowania w miękkiej (nadającej się do noszenia) robotyce i eksosuszonkach. "

Miękka robotyka przyciąga wiele uwagi, szczególnie w świecie druku 3D, ze względu na dużą elastyczność i dodatkowe bezpieczeństwo dla ludzkich operatorów. Jednak jednym z głównych wyzwań w tej dziedzinie jest tworzenie złożonych schematów aktywacji, aby wykonać zadania, takie jak chwytanie delikatnych przedmiotów lub pomoc pacjentom w łatwiejszym przemieszczaniu się. Właśnie dlatego metamateriały TU Delft są tak ważne - mogą sprawić, że te siłowniki będą łatwiejsze, a także tańsze i czasochłonne.

"Być może bardziej ważnym aspektem tego badania jest zaproponowanie nowego paradygmatu projektowania dla siłowników miękkich ", powiedział Zadpoor. "Zamiast używać sieci połączonych siłowników, możesz użyć geometrii i zaprogramować wzór aktywacji w tkaninie miękkiego materiału. Może to otworzyć wiele innych możliwości wykorzystania geometrii do sterowania. "

Zespół pokazał, w jaki sposób kombinacja struktur komórkowych drukowanych w 3D w strukturze plastra miodu (z dodatnim współczynnikiem Poissona) i muszce (ujemny Poisson's proporcje) można wykorzystać do tworzenia miękkich siłowników o tych złożonych wzorach aktywacji.

"Podstawową zasadą naszych projektów geometrycznych jest stopniowa zmiana liczby komórek o strukturze plastra miodu i muszli w całej strukturze komórkowej w celu utworzenia konkretny schemat aktywacji "- wyjaśnia dr Mirzaali, który dzieli się pierwszym autorstwem pracy z doktorem Hedayati. "Te struktury komórkowe są czasami nazywane stopniowanymi strukturami z powodu tej stopniowej zmiany." CD3D .

Ta stopniowa zmiana mogłaby być zaprojektowane w wielu wzorach, takich jak paski, promieniowe, liniowe lub podobne do szachownicy. W zależności od rodzaju zmiany, wzór aktywacji będzie wtedy inny.

Dr. Hedayati powiedział: "Inną zaletą tych geometrycznych konstrukcji jest to, że powstałe siłowniki są lekkie i nierozerwowane i można je łatwo nosić. Może to być podstawą przyjaznej do noszenia miękkiej robotyki, na przykład miękkiego eksosuitów, które pomogłyby pacjentom z ograniczoną mobilnością. "

Nazwa" akcja na odległość ", na wypadek gdybyś się zastanawiała, jest taka, że ​​pojedyncza siła stosowane w dużej odległości od siłowników to wszystko, co jest niezbędne do ich aktywacji.