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4D材料革命:可变形成人脸轮廓的新材料

发表时间:2020-04-09

这些可变形材料也许有一天会被用来制造仅靠改变温度就能自行展开和充气的帐篷。它的潜在应用还包括可变形望远镜镜片,支架,软体机器人。

撰文丨珍妮弗·欧莱特(Jennifer Ouellette)

翻译丨罗广桢

编辑丨杨心舟

“4D材料”有可能是3D打印领域下一个研究热点。我们并不需要改变已有的制造技术来获得它,并且可以通过调控湿度、温度等环境因素来让它变化形状。因此,“4D材料”有时也被称为活性折纸或者变形系统。麻省理工学院(MIT)的科学家们已经成功制备出数种新型扁平结构,相比之前的一些工作,这些结构可以变形成人脸等更加复杂的形状。去年十月份的《美国科学院院刊》( PNAS )刊载了他们的研究成果。

关于4D打印的研究有很多,但之前研究者提出的很多方法只能使材料变形成简单的立体结构。这项研究的共同作者、麻省理工学院机械工程学家威姆·范·里斯设计出一种能够将薄型平板塑造成球形、圆顶形等较复杂形状的理论方法,他甚至做出了人脸的轮廓。“我一开始只是想要做出像人脸那样的复杂的三维形状,然后我就问了自己一个问题,‘要怎样做才能把原料变成那种形状呢?’”,他说道,“这是逆向设计中遇到的一个难题。“

不过他刚开展研究时并未受到这个问题的困扰,因为那时的理论假设是所用的平板材料可以无限伸缩。然而实际上,材料都有各自的伸缩范围,无法自由变化,这就是19世纪数学家卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)首次提出的“双曲率”问题。

1828年,高斯发表了《关于曲面的一般研究》,并提出“绝妙定理“(remarkable theorem),他认为物体表面的曲率只与角度和距离有关。这意味着当你弯曲一个物体时,它的表面曲率不会发生变化。也就是说,你要想优雅地吃一片披萨,不如把它对折起来,因为它的硬度随厚度增大而提高了。”绝妙定理“也解释了瓦楞纸箱的硬度、品客薯片嘎嘣脆的原因,科学家们也是根据这个定理得出宇宙是平坦的结论。

不过,“绝妙定理“也有局限性:它要求物体表面不能进行拉伸,收缩或撕裂等动作,否则当平面变形为具有不同高斯曲率的复杂形状时就会产生问题。范·里斯将这个挑战比喻为把足球包装起来:包装纸的高斯曲率为零,足球却是双曲率。所以要想包装一个足球,你就必须把包装纸的侧面和底部弄皱折弯;纸张必须在所有需要调整的位置伸展或收缩得恰到好处,这样才能与足球表面的曲率相同,两者才能贴合到一起。

为解决平面材料变形过程中曲率的问题,范·里斯和他的同事们决定采用点阵网状结构代替一开始的薄型平板。他们制作出的网状结构以一种橡胶作为原料,这种材料会随着温度上升而膨胀。网状结构中的缝隙很多,这样即使材料表面发生较大变化,它也能很轻松地适应。该团队使用高斯图像创建了一个虚拟图,该图可直观显示出将平面弯曲为人脸轮廓所需要的操作。然后他们设计了一种算法,以便将其转换为点阵中骨架的正确图案。

网孔薄板上各部分以不同的速率伸展弯曲,以呈现鼻子或眼窝的形状。打印好的产品会在烘箱中加热固化,然后在盐水浴中冷却至室温。经过这一过程,平平的网孔薄板变成了栩栩如生的人脸。另外,这个研究团队还制作了一个包含导电液态金属的格栅,它能够变形成有源天线,其共振频率也会随着变形而变化。

这些可变形材料也许有一天会被用来制造仅靠改变温度(或其他环境条件)就能自行展开和充气的帐篷。它的潜在应用还包括可变形望远镜镜片,支架,辅助人造组织培养和软体机器人。

范·里斯说:“我希望这种材料可以得到广泛应用,比如机器人可以模仿水母通过改变形状来实现游动功能”。“如果这种材料可以被用作执行器,例如人造肌肉,那么执行器的形状将会变化万千,这会给软体机器人设计带来颠覆性革命。”



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