Gli ingegneri creano oggetti intelligenti stampati in 3D con la “logica incarnata”
In natura, ci sono innumerevoli esempi di movimento negli organismi che non hanno cervello o sistemi nervosi, come la Venere acchiappamosche. Si chiude quando la preda entra dentro, ma si apre anche se chiude accidentalmente qualcosa che non può essere digerito; tutto questo movimento è causato da tessuti che reagiscono alla pressione e alla presenza di determinate sostanze chimiche. Ispirati da tali sistemi, i ricercatori della School of Engineering e Applied Science dell’Università della Pennsylvania hanno ora oggetti stampati in 3D che realizzano movimenti definibili se esposti a stimoli specifici, il tutto senza l’uso di sensori elettronici o microprocessori.
Il team ha progettato e le strutture stampate in 3D con “logica incorporata” , che è una porta logica if / then basata sul materiale. Ciò è possibile a causa dei cambiamenti geometrici che vari materiali subiscono quando esposti a determinati stimoli. Ad esempio, molti materiali assorbono l’acqua e si espandono. Nella logica che si tradurrebbe in: se esposto all’acqua, quindi espandere. “Molti materiali assorbono l’acqua e si espandono, ad esempio, ma si espandono in tutte le direzioni, ma questo non ci aiuta, perché significa che il rapporto tra larghezza e lunghezza dei raggi rimane lo stesso”, spiega Jordan Raney, un assistente professore chi ha guidato lo studio. “Avevamo bisogno di un modo per limitare l’espansione a una sola direzione.”
Hanno superato questo ostacolo utilizzando una stampante 3D multi-materiale per incorporare fibre di vetro o cellulosiche in linee parallele lungo la lunghezza delle travi; le fibre limitano l’allungamento dei fasci consentendo nel contempo l’espansione tra i trefoli, rendendo i fasci più ampi. Raney studia sia materiali bistabili (oggetti che possono contenere indefinitamente una delle due configurazioni geometriche) sia materiali reattivi (oggetti che cambiano forma in specifiche condizioni), due distinti campi di studio che si sta sposando insieme per lo studio.
“La bilità è determinata dalla geometria, mentre la reattività deriva dalle proprietà chimiche del materiale”, afferma Raney. “Il nostro approccio utilizza la stampa 3D multimateriale per collegare questi campi separati in modo da poter sfruttare la reattività dei materiali per modificare i parametri geometrici delle nostre strutture nei giusti modi”.
Il rapporto tra lunghezza e larghezza dei raggi crea un movimento prevedibile senza motori o servomotori, come Raney spiega: “La compressione del reticolo immagazzina l’energia elastica nel materiale. Se potessimo usare l’ambiente in modo controllabile per modificare la geometria dei fasci, la struttura smetterebbe di essere bistabile e libererebbe necessariamente la sua energia di deformazione immagazzinata. Avresti un attuatore che non ha bisogno dell’elettronica per determinare se e quando dovrebbe verificarsi l’attuazione. “
E questo è esattamente quello che hanno fatto. L’autore principale dello studio Yijie Jiang afferma: “Ad esempio, abbiamo dimostrato la logica sequenziale progettando una scatola che, dopo l’esposizione ad un solvente adatto, può aprirsi autonomamente e poi richiudersi dopo un tempo predefinito. chiudi solo se viene applicato un carico meccanico entro un intervallo di tempo designato e una scatola che si apre solo se sono presenti sia olio che acqua. “
Queste risposte meccaniche possono essere utilizzate dai droni per la pulizia dell’olio, catturando solo l’acqua che è stata inquinata dall’olio e potrebbero farlo passivamente in quanto non è necessaria alcuna fonte di energia. I dispositivi che gestiscono i microfluidi potrebbero anche beneficiare della tecnologia logica incorporata, sostituendo i sensori elettronici con le valvole che si chiudono automaticamente quando vengono a contatto con un contaminante. Le possibilità sono infinite. La stampa 3D continua a crescere dalla sua infanzia di knickknack al suo tailleur high-tech.