Origami-Inspired Engineering: Умное складывание для инноваций

В этой статье рассматриваются последние достижения в междисциплинарной области инженерии, вдохновленной оригами. Рассматриваются новые материалы и методы изготовления, позволяющие самостоятельно складывать детали разных размеров. Такие области применения, как компактные развертываемые части космических кораблей, мягкие модульные роботы и складные медицинские приборы также рассматриваются. Обсуждаются достижения в области вычислительного дизайна, оптимизирующие сложные движения складывания с помощью моделирования.

Инженерия, вдохновленная оригами: Складывание металла в невозможные формы

Оригами, древнее японское искусство складывания бумаги, вдохновляет инженеров, ищущих новые методы создания компактных складных конструкций в различных дисциплинах. Взяв за основу многофункциональную сложность оригами, достигаемую при минимальных габаритах, исследователи разрабатывают системы самосборки материалов и методы автоматизированного проектирования. Ежедневно появляются новые приложения, использующие возможности трансформации, присущие архитектуре оригами. В этой статье рассматриваются последние достижения в области оригами-инженерии: от умных материалов, позволяющих самоскладываться в разных масштабах, до вычислительных инструментов, оптимизирующих сложные движения с помощью моделирования. Передовая обработка Также освещаются такие области применения, как развертываемые компоненты космических кораблей, мягкие модульные роботы и самоскладывающиеся медицинские стенты.

Методы изготовления, вдохновленные оригами:

Сплавы с памятью формы оказались полезными для создания самоскладывающихся структур, поскольку они могут возвращаться к своей первоначальной форме при нагревании. Никель-титановые сплавы, такие как нитинол, особенно хороши для этого, поскольку они обратимо меняют форму при изменении температуры. Это позволяет выполнять очень точные движения по складыванию. Несмотря на свою полезность, использование этих сплавов для создания больших структур может быть сложным и требует оптимизации их конструкции и свойств материала.

Другие методы изготовления черпают вдохновение в оригами-инженерии - японском искусстве складывания бумаги. Подвергая тонкие пленки внутреннему напряжению, сложные мезомасштабные (среднего размера) структуры могут самособираться в спирали, трубки, многоугольники и другие управляемые формы, просто удаляя жертвенные слои. Этот процесс снятия напряжения позволяет материалам самостоятельно складываться в геометрии, которые было бы трудно использовать при обычном техники изготовления металлических изделий. Поняв, как остаточные напряжения вызывают самоскручивание, инженеры смогут разрабатывать самоскладывающиеся микроструктуры без сложного оборудования или точного приведения в действие. Это открывает новые возможности для самосборки в различных масштабах длины.

Техники самостоятельного складывания

Капиллярные силы от капель воды могут быть использованы для складывания инженерных конструкций, основанных на оригами. Когда капля образуется на материале, она вызывает точные деформации и движения складывания в соответствии с дизайном.

Некоторые активные материалы также полезны для самоскладывания. Гидрогели и полимеры с памятью формы могут создавать неравномерную усадку и растяжение в плоской подложке, побуждая ее складываться в желаемую 3D-форму. Жидкокристаллические эластомеры могут делать нечто подобное, используя деформацию.

Термоактивируемое складывание использует преимущества полимеров, которые меняют размеры при изменении температуры. Некоторые из них расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, обеспечивая складывание с помощью контролируемых циклов нагревания и охлаждения. Другие работают в обратном направлении, разбухая в холоде и сжимаясь в тепле.

Все эти техники используют присущие материалам свойства, такие как обработка поверхности, сжатия/расширения или неравномерной деформации для выполнения точных движений складывания без сложных механизмов. Понимая, как различные материалы деформируются и меняют форму, инженеры могут разрабатывать конструкции, которые самостоятельно собираются под воздействием простых внешних факторов, таких как вода, тепло или условия окружающей среды.

Самоскладывающиеся структуры, разработанные исследователями:

Ионов создал гидрогели из поливинилового спирта и хитозана, которые самостоятельно складываются в микромасштабные формы при испарении растворителя. Паттерн "стопорные петли" позволил складывать очень тонкие полимерные пленки толщиной всего 100 нм в сложные многоугольные формы для доставки лекарств.

Исследователи Массачусетского технологического института создали инженерных роботов, вдохновленных оригами, не привязанных к внешнему питанию, используя термочувствительные диэлектрические эластомеры. Нагрев двух слоев полимерной проводящей ткани и полимера в глобальном масштабе вызвал точные движения складывания.

Файнберг разработал "мускулистые тонкие пленки", которые собирают энергию из движений складывания, вызванных термическим воздействием, для питания небольших устройств и роботов. Нагревание слоистого полимера выше точки стеклования вызывало сокращения, которые обеспечивали движение.

Эти исследования демонстрируют способность создавать самоформирующиеся структуры в различных масштабах, от микро до макро, используя такие техники, как узорчатые петли, многослойные системы, триггеры с растворителем и термическое воздействие для достижения контролируемого складывания без необходимости использования внешней механики. Эта новаторская работа закладывает основу для создания автономных инженерных роботов и машин, вдохновленных оригами.

Исследователи разрабатывают очень компактные механизмы, используя вдохновение оригами:

Принципы оригами позволяют добиться беспрецедентной компактности, сворачивая многофункциональные компоненты в гораздо меньшие объемы. Такая компактность идеально подходит для применения в условиях ограниченного пространства.

Холланд и Страуб разработали солнечные концентраторы и ретрорефлекторы на основе оригами для полетов на Марс, которые используют 3D-печать и металлические зеркала. Их техника точно объединяет оптику с возможностью складывания, что позволяет компактно укладывать их во время запуска. Спенсер рассмотрел проблемы, связанные с солнечными парусами, которые требуют чрезвычайно плотной упаковки для запуска. Компактное складывание имеет решающее значение.

Ходжес охарактеризовал разворачиваемые композитные шарниры, позволяющие сделать оптику космического корабля независимо складываемой и адаптируемой к любым условиям хранения, что максимально увеличивает вместимость полезной нагрузки.

Взяв за основу вдохновленную оригами инженерную многослойную сложность в пределах небольшой площади, инженеры могут проектировать оптико-механические системы, солнечные батареи, антенны и другие полезные нагрузки, которые разворачивают только то, что необходимо после начала работы. Такая оптимизированная компактность открывает новые возможности для миниатюризации и использования пространства.

Роботы, вдохновленные оригами, с уникальными возможностями:

Сон рассмотрел 4D-печатные мягкие роботы-оригами с иерархическими многомасштабными конструкциями, которые складываются при срабатывании. Эти интегративные структуры обладают многофункциональными возможностями.

Парк создал мягкую модульную руку-оригами, которая разворачивает грани жесткости посредством контролируемого сгибания, позволяя изменять жесткость. Она выполняет задачи с помощью листов диэлектрического эластомера, термически обработанных в виде складок.

Ян объединил принципы оригами с автономными роботами, способными чувствовать, обрабатывать информацию и реагировать на нее с помощью запрограммированных движений складывания. Их метод упростил конструкцию, обеспечив при этом сложное поведение за счет приведения в действие. Объединив способность оригами к трансформации с умным управлением материалами, эти мягкие роботы демонстрируют, как сложные хореографические движения и механические свойства могут возникать из простых смятых подложек. Модульные и интегрированные иерархии позволяют реализовать передовые компетенции в небольших, легких корпусах. Таким образом, инженерия, вдохновленная оригами, открывает путь к созданию проворных автономных систем, которые сами складываются в нужные формы.

Будущее инженерии, вдохновленной оригами, выглядит многообещающе:

По мере развития "умных" материалов и методов управления, в конструкциях оригами будут все чаще использоваться эти достижения, чтобы максимизировать контроль, точность и функциональность в компактных конструкциях.

3D-печать и аддитивное производство продолжают улучшать разрешение и возможности выбора материалов, позволяя создавать более сложные системы на основе оригами с замысловатыми складками и мультиматериальными возможностями. Вычислительный дизайн и моделирование, основанные на данных, помогут оптимизировать движения складывания, механические свойства, многофункциональную интеграцию и архитектуру в разных масштабах. Автоматизация проектирования, изготовление металлоконструкций в искусстве и рабочие процессы сборки ускорят инженерные исследования и коммерциализацию в различных отраслях промышленности, стремящихся к трансформации, развертыванию и компактной укладке.

К числу областей, которые могут выиграть от этого, относятся миниатюрные устройства, биомедицинские технологии, космические приложения, мягкая робототехника, развертываемая оптика и многое другое. Принципы оригами, заключающиеся в достижении сложности через простоту, будут и дальше стимулировать инновации в оригами-инженерии как мощной парадигме биоинспирации. Увеличение многофункциональности и контроля в минимальных объемах остается заманчивой перспективой.

Заключение

В заключение, в этой статье мы рассмотрели инженерные подходы к самоскладывающимся структурам и механизмам, вдохновленные оригами. В ней рассматривалось, как сплавы с памятью формы и чувствительные к стимулам материалы, такие как гидрогели, способствуют точному самоскладыванию в различных масштабах, от микро до макро. Были кратко описаны новые методы изготовления, такие как сборка с контролем напряжения и складывание с термоактивацией. Такие области применения, как развертываемые компоненты космических кораблей, модульные мягкие роботы и миниатюрные медицинские приборы, продемонстрировали потенциал оригами для создания компактных, интегрированных конструкций. Вычислительное моделирование и цифровые технологии производства способствуют оптимизации систем на основе оригами.

В целом, была рассмотрена преобразующая сила принципов оригами - достижение сложности через простоту, многофункциональность в минимальных объемах. Непрерывный прогресс в области материалов, изготовление автомобильных металлоконструкций обещает максимально использовать эти преимущества в различных дисциплинах, стремясь к деплойменту, модульной трансформации и плотной упаковке. По мере развития "умных" материалов и совершенствования инструментов вычислительного проектирования инженерные подходы, вдохновленные оригами, будут стимулировать дальнейшие инновации, черпая вдохновение в природном мастерстве складывания функциональных форм.

Вопросы и ответы

Каковы некоторые распространенные техники самоскладывания?

Широко используются капиллярные силы от капель, остаточные напряжения в многослойных материалах и сплавы с памятью формы, которые складываются при нагревании. Гидрогели и жидкокристаллические эластомеры также могут сворачиваться, создавая неоднородные деформации внутри подложки.

Как оригами позволяет создавать компактные конструкции?

Узоры оригами позволяют плотно упаковывать компоненты за счет иерархического складывания. Это выгодно для миниатюрных устройств и космических аппаратов, стремящихся к эффективной упаковке. Сложные конструкции объединяют множество функций в минимальных объемах.

Какие типы приложений изучаются?

Оригами влияет на развертываемые солнечные батареи, антенны и оптику. Оно вдохновляет на создание модульных мягких роботов и медицинских стентов. Оригами также помогает в 4D-печати структур, которые меняют форму под воздействием раздражителей. Будущее применение может включать складную электронику, самособирающиеся здания и многое другое.

Как вычислительные инструменты помогают дизайну?

Моделирование и алгоритмы автоматизируют создание шаблонов оригами, оптимизацию движений при складывании и структурный анализ. Они улучшают кастомизацию в разных масштабах и сокращают количество итераций при создании прототипов. В сочетании с передовым производством это сокращает циклы проектирования.