4D材料革命:可变形成人脸轮廓的新材料

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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。zqt9.com_【官方首页】-必赢足球麻省理工学院(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。zqt9.com_【官方首页】-必赢足球“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。zqt9.com_【官方首页】-必赢足球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。zqt9.com_【官方首页】-必赢足球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。zqt9.com_【官方首页】-必赢足球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。zqt9.com_【官方首页】-必赢足球另外,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。

zqt9.com_【官方首页】-必赢足球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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