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Engenharia inspirada em origami: Dobradura inteligente para inovação

Engenharia inspirada em origamis

Índice

Este artigo explora os desenvolvimentos recentes no campo interdisciplinar da engenharia inspirada em origamis. São abordados novos materiais e métodos de fabricação que permitem a autodobragem em vários tamanhos. Aplicações como peças compactas de naves espaciais, robôs modulares macios e peças dobráveis são abordadas. dispositivos médicos também são examinados. Os avanços do design computacional que otimizam movimentos complexos de dobragem por meio de simulação são discutidos.

Engenharia inspirada em origami: Dobrando o metal em formas impossíveis

engenharia inspirada em origamis

Origami, a antiga arte japonesa de dobrar papel, inspirou engenheiros que buscam novos métodos para projetos de dobras compactas em várias disciplinas. Seguindo as sugestões da complexidade multifuncional do origami, obtida com o mínimo de espaço, os pesquisadores estão desenvolvendo sistemas de materiais de automontagem e técnicas de design automatizadas. Diariamente, surgem novas aplicações que aproveitam a capacidade de transformação inerente às arquiteturas de origami. Este artigo examina os mais recentes avanços na engenharia inspirada no origami, desde materiais inteligentes que permitem a autodobragem em escalas de tamanho até ferramentas computacionais que otimizam movimentos complexos por meio de simulação. Usinagem de ponta Também são destacadas aplicações como componentes de espaçonaves implantáveis, robôs modulares macios e stents médicos auto dobráveis.

métodos de fabricação inspirados em origamis:

As ligas com memória de forma têm sido úteis para a criação de estruturas que se dobram automaticamente, pois podem retornar às suas formas originais quando aquecidas. As ligas de níquel-titânio, como o Nitinol, são especialmente boas para isso, pois mudam de forma reversivelmente com as mudanças de temperatura. Isso permite movimentos de dobragem muito precisos. Embora útil, o uso dessas ligas para estruturas grandes pode ser desafiador e requer a otimização do projeto e das propriedades do material.

Outros métodos de fabricação se inspiram na engenharia inspirada no origami, a arte japonesa de dobrar papel. Ao submeter filmes finos a tensões internas, estruturas complexas de mesoescala (tamanho médio) podem se automontar em rolos, tubos, polígonos e outras formas controláveis, bastando remover as camadas de sacrifício. Esse processo de liberação de tensões permite que os materiais se dobrem em geometrias que seriam difíceis de obter com o uso de materiais normais. técnicas de fabricação de metais. Ao compreender como as tensões residuais causam o autoenrolamento, os engenheiros podem projetar microestruturas que se dobram sem equipamentos complexos ou acionamento preciso. Isso abre novas possibilidades para a automontagem em diferentes escalas de comprimento.

Técnicas de auto-dobragem

As forças capilares das gotículas de água podem ser usadas para dobrar estruturas de engenharia com base em projetos de engenharia inspirados em origamis. Quando uma gota se forma no material, ela causa deformações precisas e movimentos de dobra com base no projeto.

Alguns materiais ativos também são úteis para a autodobragem. Os hidrogéis e os polímeros com memória de forma podem gerar encolhimento e alongamento irregulares em um substrato plano, persuadindo-o a se dobrar em uma forma 3D desejada. Os elastômeros de cristal líquido podem fazer algo semelhante usando tensões.

A dobragem termicamente ativada aproveita os polímeros que mudam de dimensão com a temperatura. Alguns se expandem quando aquecidos e se contraem quando resfriados, permitindo a dobragem por meio de ciclos controlados de aquecimento e resfriamento. Outros funcionam de forma inversa, inchando quando estão frios e encolhendo quando estão quentes.

Todas essas técnicas aproveitam as propriedades intrínsecas dos materiais, como acabamento de superfícieO senhor pode usar a tecnologia de encolhimento/expansão ou tensão irregular para realizar movimentos precisos de dobragem sem maquinário complexo. Ao compreender como os diferentes materiais se deformam e mudam de forma, os engenheiros podem projetar estruturas que se automontam por meio de estímulos ambientais simples, como água, calor ou condições ambientais.

Estruturas auto-dobráveis desenvolvidas por pesquisadores:

Estruturas auto dobráveis

Ionov criou hidrogéis feitos de álcool polivinílico e quitosana que se dobram em formas de microescala à medida que o solvente evapora. A modelagem de "dobradiças de travamento" permitiu a dobragem de filmes poliméricos extremamente finos, com espessura de até 100 nm, em formas poligonais complexas para administração de medicamentos.

Pesquisadores do MIT criaram robôs de engenharia inspirados em origamis que não dependem de nenhuma energia externa usando elastômeros dielétricos termicamente sensíveis. O aquecimento global de duas camadas de tecido-polímero condutor de polímero induziu movimentos de dobragem precisos.

Feinberg desenvolveu "filmes finos musculares" que coletam energia de movimentos de dobra termicamente acionados para alimentar pequenos dispositivos e robôs. O aquecimento de uma pilha de polímeros em camadas acima do ponto de transição vítrea causou contrações que proporcionaram a locomoção.

Esses estudos demonstram a capacidade de projetar estruturas autoformadoras em várias escalas, de micro a macro, usando técnicas como dobradiças padronizadas, sistemas multicamadas, acionadores de solventes e atuação térmica para obter dobras controladas sem a necessidade de mecânica externa. Esse trabalho pioneiro estabelece as bases para robôs e máquinas autônomos de engenharia inspirados em origamis.

Os pesquisadores estão projetando mecanismos altamente compactos usando a inspiração do origami:

Os princípios do origami possibilitam uma compactação sem precedentes, colapsando componentes multifuncionais em volumes muito menores. Essa compactação é ideal para aplicações com restrições de espaço.

Holland e Straub desenvolveram concentradores e retrorrefletores solares baseados em origami para missões em Marte que usam Impressão 3D e espelhos metálicos. Sua técnica integra precisamente a ótica com a colapsabilidade, permitindo o armazenamento compacto durante o lançamento. Spencer analisou os desafios da navegação solar, que exige uma embalagem extremamente densa para o lançamento. A dobragem compacta é fundamental.

Hodges caracterizou as dobradiças compostas destacáveis para tornar a óptica da espaçonave dobrável de forma independente e adaptável a qualquer condição de armazenamento, maximizando a capacidade de carga útil.

Ao aproveitar as dicas da complexidade multicamada de engenharia inspirada em origami em um espaço reduzido, os engenheiros podem projetar sistemas optomecânicos, matrizes solares, antenas e outras cargas úteis que implementam apenas o que é necessário quando em operação. Essa compactação otimizada abre novas oportunidades para a miniaturização e a utilização do espaço.

Robôs inspirados em origamis com recursos exclusivos:

Robôs inspirados em origamis

Son analisou robôs de origami macio impressos em 4D com designs hierárquicos em várias escalas que se dobram quando acionados. Essas estruturas integrativas alcançam habilidades multifuncionais.

Park criou um braço modular de origami macio que implementa facetas de rigidez por meio de dobragem controlada, permitindo rigidez variável. Ele executa tarefas usando folhas de elastômero dielétrico tratadas termicamente em padrões com vincos.

Yan integrou os princípios do origami com robôs autônomos capazes de detectar, processar informações e responder por meio de movimentos de dobra programados. Seu método simplificou o projeto e, ao mesmo tempo, possibilitou comportamentos complexos por meio da atuação. Ao mesclar a capacidade de transformação do origami com a atuação de materiais inteligentes, esses robôs macios demonstram como movimentos coreografados complexos e propriedades mecânicas podem surgir a partir de substratos dobrados simples. As hierarquias modulares e integradas permitem competências avançadas em pacotes pequenos e leves. Assim, a engenharia inspirada no Origami oferece um caminho para a criação de sistemas autônomos ágeis que se dobram nas formas necessárias.

O futuro da engenharia inspirada em origamis parece promissor:

futuro da engenharia inspirada em origamis

Com o progresso dos materiais inteligentes e dos métodos de atuação, os designs de origami integrarão cada vez mais esses avanços para maximizar o controle, a precisão e a funcionalidade em designs compactos.

A impressão 3D e a manufatura aditiva continuam a melhorar a resolução e as opções de materiais, possibilitando sistemas mais complexos baseados em origami com dobras intrincadamente definidas e capacidades multimateriais. O design e a simulação computacional orientados por dados ajudarão a otimizar os movimentos de dobra, as propriedades mecânicas, a integração multifuncional e a arquitetura em várias escalas. Automação do design, fabricação de metais na arte e os fluxos de trabalho de montagem acelerarão a pesquisa e a comercialização de engenharia inspirada em origami em diversos setores que buscam capacidade de transformação, implantação e armazenamento compacto.

Entre as áreas que podem se beneficiar estão os dispositivos miniaturizados, tecnologias biomédicasO senhor pode usar o Origami para criar aplicações espaciais, robótica flexível, óptica implantável e muito mais. Os princípios do origami de alcançar a complexidade por meio da simplicidade continuarão estimulando a inovação na engenharia inspirada no origami como um poderoso paradigma bioinspirado. O aumento da multifuncionalidade e do controle em volumes mínimos continua sendo uma perspectiva atraente.

Conclusão

Concluindo, este artigo apresentou uma análise das abordagens de engenharia inspiradas em origamis para estruturas e mecanismos de autodobragem. Ele explorou como as ligas com memória de forma e os materiais responsivos a estímulos, como os hidrogéis, facilitam a autodobragem precisa em escalas de tamanho, do micro ao macro. Os métodos emergentes de fabricação, como a montagem controlada por tensão e a dobragem termicamente acionada, foram resumidos. Aplicativos como componentes de espaçonaves implantáveis, robôs macios modulares e dispositivos médicos miniaturizados demonstraram o potencial do origami para projetos compactos e integrados. A modelagem computacional e as técnicas de fabricação digital estão avançando na otimização de sistemas baseados em origami.

De modo geral, foi pesquisado o poder transformador dos princípios do origami - alcançar a complexidade por meio da simplicidade, a multifuncionalidade em volumes mínimos. Progresso contínuo em materiais, fabricação de metais automotivos promete maximizar esses benefícios em todas as disciplinas que buscam a deplorabilidade, a capacidade de transformação modular e o empacotamento denso. À medida que os materiais inteligentes continuarem a se desenvolver e as ferramentas de design computacional avançarem, as abordagens de engenharia inspiradas no origami estimularão mais inovações, inspirando-se no domínio da natureza em dobrar formas funcionais.

Perguntas frequentes

Quais são algumas técnicas comuns de autodobragem?

As forças capilares de gotículas, as tensões residuais em multicamadas e as ligas com memória de forma que se dobram com o aquecimento são amplamente utilizadas. Os hidrogéis e os elastômeros de cristal líquido também podem se dobrar gerando tensões não uniformes em um substrato.

Como o origami pode possibilitar designs compactos?

Os padrões de origami permitem que os componentes sejam densamente embalados por meio de dobras hierárquicas. Isso se mostra vantajoso para dispositivos em miniatura e cargas úteis de espaçonaves que buscam um empacotamento eficiente. Projetos complexos integram várias funções em volumes mínimos.

Que tipos de aplicativos estão sendo explorados?

O origami influencia os arranjos solares, as antenas e a óptica que podem ser implantados. Ele inspira robôs macios modulares e stents médicos. O origami também auxilia na impressão 4D de estruturas que mudam de forma mediante estímulos. Os usos futuros podem incluir eletrônicos dobráveis, edifícios que se automontam e muito mais.

Como as ferramentas computacionais ajudam no design?

As simulações e os algoritmos automatizam a geração de padrões de origami, a otimização do movimento de dobra e a análise estrutural. Eles aprimoram a personalização em várias escalas e reduzem as iterações de prototipagem. Combinado com a fabricação avançada, isso reduz os ciclos de design.

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