Weet wanneer je ze moet folden: vooruitgang bij zelfassemblage

Anonim

Weet wanneer je ze moet folden: vooruitgang bij zelfassemblage

Wetenschap

David Szondy

18 juli 2013

4 afbeeldingen

Harvard Microrobotics Laboratory ontwikkelt 2D-objecten die zichzelf een extra dimensie kunnen geven

Natuurlijk, flat-pack meubilair is goedkoop en gemakkelijk te transporteren, maar wanneer je de doos opent, is de eerste vraag die bijna iedereen stelt: "Zou het niet geweldig zijn als het zichzelf zou assembleren?" Je zou een robot kunnen krijgen om te helpen, maar technici van het Harvard Microrobotics Laboratory werken aan manieren om objecten zelf te laten assembleren ... en ze kunnen 3D-printing tegelijkertijd een run voor zijn geld geven.

3D-printen wordt gezien als het volgende grote ding. Dat is geen verrassing voor een technologie die veelzijdige productie biedt zonder veel kapitaal of technische expertise. U kunt een eenvoudig CAD-bestand nemen, de printer aanzetten en uit solide objecten komen die slechts een paar jaar geleden een bekwame vakman zouden hebben meegenomen om te produceren. Het heeft echter zijn beperkingen ten aanzien van wat het kan maken, hoe snel en waar het het kan maken.

Het team van het Harvard Robotics Laboratory heeft een alternatief ontwikkeld voor 3D-printen op basis van platte objecten die zichzelf als origami in 3D-objecten vouwen. Volgens het team gebruikt de techniek minder materiaal dan afdrukken en is sneller en goedkoper omdat het kan worden gedaan met lasersnijden en lithografie. Het is ook logistiek eenvoudiger te gebruiken en kan complexe objecten vormen die sterker zijn dan hun afgedrukte tegenhangers, omdat de vellen kunnen worden omgezet in balken en andere structuren.

De zelf-assemblerende 3D-objecten starten als een reeks platte vellen die aan hun randen zijn verbonden met scharnieren. De scharnieren zijn gemaakt van geheugenmateriaal en keren terug naar hun oorspronkelijke vorm wanneer ze op de juiste manier worden gestimuleerd. In dit geval is het scharnier gemaakt van een dergelijk materiaal in een composiet van verschillende lagen. Naast het geheugenmateriaal, zoals een polymeer of metaal, is er ook een inert substraat. Wanneer gestimuleerd, verzacht het geheugenmateriaal en het substraat zorgt ervoor dat het samengestelde vel buigt en het geheel fungeert als een scharnier dat vouwt onder zijn eigen kracht.

De stimulus die het vouwen veroorzaakt, kan van een aantal dingen zijn, afhankelijk van het materiaal in kwestie. Het kan warmte, magnetische velden, elektrische velden, vloeistoffen, zichtbaar of UV-licht, lasers of straling zijn. Dit verwijdert het montageprobleem door het mogelijk te maken dat het object zichzelf verzamelt. Met het juiste materiaal dat op de juiste stimuli reageert, kan het object worden gemaakt om zichzelf op afstand te assembleren, hetzij automatisch of op commando. Een globale stimulus, zoals temperatuur, kan eenvoudige vormen samenstellen, maar het maakt geen gecompliceerde vormen mogelijk, omdat de onderdelen gewoon samen vastlopen. Aan de andere kant kunnen specifieke stimuli, zoals een elektrische stroom, opeenvolgend worden toegepast, zodat complexe objecten zichzelf kunnen assembleren - zelfs tot het punt waarop tab- en gleufbevestigingen worden besproken.

Het idee van het team was om een ​​benadering te ontwikkelen die niet duur is om te fabriceren, functioneel is en waarbij elk scharnier afzonderlijk kan worden geactiveerd. Het maakt gebruik van een vormgeheugenpolymeer, polyolen genaamd, dat is gebonden aan een vel papier. Het polymeer wordt elektrisch verwarmd, waardoor het van een glasachtige naar een rubberfase wordt. Als het verandert, trekt het polymeer samen en de papierbasis zorgt ervoor dat het composietvel buigt, waardoor een scharnier ontstaat.

Volgens het team is het composiet niet duur om te maken met lasersnijden en chemisch etsen. De elektrische verwarmingselementen zijn in het composiet gebonden, waarbij elke laag is gebonden door siliconen tape. Het composiet wordt vervolgens gebonden aan de harde vellen die het lichaam van het object vormen. Dit ontwerp wordt gecombineerd met besturings- en berekeningsalgoritmen die de scharnieren gelijktijdig of achtereenvolgens activeren om het object te laten assembleren, zelfs als het relatief complex is.

De samengestelde vellen die worden gebruikt om de scharnieren te construeren waarbij A het polymeer is, B de siliconenband, C het verwarmingselement en D het papiersubstraat

De aanpak is ontworpen om een ​​snelle productie mogelijk te maken. Eén versie die werd gebruikt in de experimenten, de kraan, kostte slechts een uur om te bouwen met behulp van een lasersnijder, een vaste-inktprinter en een ijzerertichloretank.

Eenmaal ontwikkeld, heeft de technologie een aantal toepassingen die verder gaan dan het potentieel voor zelfassemblerende dozen en platte meubels. Satellieten die zich in de ruimte verzamelen, kunnen het laadvermogen in raketten verminderen en het leger kan flat-pack-structuren laten vallen die zichzelf kunnen oprichten zonder een team van bekwame ingenieurs. Belangrijk is dat dit allemaal kan worden gedaan zonder dat mensen zichzelf in gevaarlijke omgevingen in gevaar moeten brengen.

De huidige techniek die op de microschaal wordt ontwikkeld, heeft zijn beperkingen, zoals beperkte samengestelde dikte, scharnierkoppel, maximale vouwhoek en materiaalresolutie. Het vereist enige verfijning van de materialen om de techniek te verbeteren en het praktisch te maken.

De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Soft Matter .

De onderstaande video toont verschillende experimentele objecten die zichzelf assembleren.

Bron: Harvard Microrobotics Laboratory

Zelf-assemblerende kraan

De drie zelfassemblerende objecten: een piramide, een zelfvergrendelende lip en gleuf en een kraan

De samengestelde vellen die worden gebruikt om de scharnieren te construeren waarbij A het polymeer is, B de siliconenband, C het verwarmingselement en D het papiersubstraat

Harvard Microrobotics Laboratory ontwikkelt 2D-objecten die zichzelf een extra dimensie kunnen geven