3D打印”嵌入逻辑式”智能结构

作者：张曼玉 田小永

自然界中松果成熟时释放种子，捕蝇草捕捉食物时快速闭合，含羞草受到刺激时的动作等等行为都是大自然对适应环境刺激或一系列刺激动作做出变换形态和功能的例子。与传统的使用电子元件和传感器的机电系统不同，自然系统将这些感知刺激，传递刺激，执行动作等一系列行为内嵌在材料组成和结构特征中。

来自宾夕法尼亚大学工程与应用科学院的研究团队从大自然中的此类系统获得启发，利用刺激响应材料的几何原理，设计制造带有“嵌入逻辑”的智能结构。该团队利用3D打印多材料双稳态系统，通过对多材料双稳态系统的一系列实验，探究出该系统的几何参数，材料响应时间从而设计出一系列内嵌逻辑的智能结构。

图1， a双稳态结构及参数示意图；b双稳态位移应变能有限元曲线；c双稳态结构自动激发原理；d直写3D打印元件过程；e 3D打印多材料及内部纤维排列[1]

该团队通过实验探究出双稳态取决于弹性梁（图1a中所示梁）的角度和长宽比，当双稳态结构处于压缩状态时，弹性能储存在材料中，当改变环境时梁的长宽比发生变化，双稳态发生跃变，释放能量。而在实际中许多材料吸水膨胀，但是由于材料各向同性，其膨胀发生在各个方向，梁的长宽比达不到是双稳态跃变的目的，因此该团队在3D打印的材料（硅胶和水凝胶）中添加玻璃微纤维或纳米纤维素，在打印过程微纤维通过喷头沿长度方向排列，当材料与水或油基液体（硅胶遇油基液体膨胀；水凝胶遇水膨胀）接触时长度方向由于纤维的控制，膨胀受限，因此双稳态结构的长宽比改变，结构跃变。


图2为该团队设计具有复杂逻辑结构的捕蝇草类似装置。图2a单元1和2材料采用橡胶和微玻璃纤维玻璃组成但纤维含量不同的双稳态结构，陷阱和锁扣为3D打印元件。当加入甲苯时单元1首先动作打开锁扣（图2b），加入物块到陷阱中（图2c），陷阱关闭捕捉物块（图2d）；经过时间t2后单元2动作，锁扣重新上锁（图2e），加入物块，陷阱仍是开放的（图2f）。

图2 嵌入逻辑式仿捕蝇草智能结构[1]

该团队得出双稳态单元的性质与梁的尺寸大小无关，只与长宽比和角度有关。因此系统可以根据实际应用如软体机器人、医学设备或一些可展开结构按需要缩放。
参考文献：
Yijie Jiang. Lucia M. Korpas. Jordan R. Raney, Bifurcation-based embodied logic and autonomous actuation[J]. Nature Communications,2019
Liu, K., Wu, J., Paulino, G. H. & Qi, H. Programmable deployment of tensegrity structures by stimulus-responsive polymers. Sci. Rep. 7, 3511 (2017).

作者：张曼玉 田小永  3D打印分会中国机械工程学会