哈佛大学研究人员使用4D打印构建数学家高斯的面部 

2019-10-06 14:45 发布

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4D打印的可变形结构在工程的未来具有巨大的潜力。无论是自组装桁架,还是有助于细胞再生的医疗设备,在其成为现实之前,该领域仍需克服许多挑战。到目前为止,4D打印面临的最大挑战之一就是创建复杂的,平滑弯曲的形状的能力。难以处理单一材料和简单结构,而是需要使用多种材料的异构设计。

在哈佛大学,约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和Wyss生物启发工程学院的研究人员合作创造了具有挑战性的4D打印形状。在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的一篇论文中证明了该技术的潜力,该团队开发的方法已用于制造移频天线和放置在盐中的扁平晶格水,呈现出人脸的形状。

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平坦的晶格在与盐水接触时变成19世纪数学家卡尔·弗里德里希·高斯的脸

新型的可变形物质


在为4D打印文件建模时,设计人员会创建一些功能,这些功能会影响所用材料的转换。通过准确地理解材料在受刺激时(即通过加热或咸水)将如何膨胀或收缩,设计人员可以精确控制2D对象到可预测3D形状的转换。

在SEAS和Wyss的最新实验中,使用选择的,多方向的弯曲肋骨,在多层中建立了复杂的晶格。在此过程中,肋骨是使用四种不同的弹性体墨水的组合沉积的-每种墨水对提议的刺激都有不同的反应。

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多材料墨水的分层和弯曲的肋骨设计形成了卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)脸部的变形格子

为了实现可预测的转换,在设计阶段预先确定了用于创建每个单独的肋的确切位置,方向和材料。在一个示例中,对肋的变形进行了调整,以创建一种天线,该天线在从扁平形变为圆拱形时会改变谐振频率。在另一个更复杂的演示中,还对肋进行了微调,以模仿19世纪数学家卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)的脸部轮廓,后者为微分几何奠定了基础。

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卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)的脸部肖像,3D模型和随后的晶格设计在最近的哈佛研究中用于实验目的

“使用集成的设计和制造方法,我们可以在这些打印材料中编码复杂的'指令集',以驱动它们的形状变形行为,”哈佛大学刘易斯实验室(Lewis Lab)的负责人、生物学灵感工程教授詹妮弗·a·刘易斯(Jennifer A. Lewis)解释说。

刘易斯教授补充了这样一个项目的重要性,他补充说:“我们一起创造了可变形物质的新种类。”

形式服从功能

通过这项研究创建的控制几何设计随时可以应用于其他刺激响应材料,从而开始探索4D打印的“具有前所未有的复杂性的可缩放,可逆,变形的结构”。这种多学科方法的示例应用包括:哈佛在软机器人技术方面的其他发展在某些方面体现了软电子技术,智能织物,组织工程和机器人技术的发展。

哈佛大学物理学,有机和进化生物学教授,研究的合著者L. Mahadevan教授总结说:“形成既能实现功能又能约束功能。使用数学和计算来设计形式,并结合多尺度几何和多材料打印来实现它,我们现在能够构建具有多种功能潜力的变形结构。”
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