Strutture complesse che cambiano forma i reticoli complessi cambiano in risposta agli stimoli per assumere la forma di una faccia, un’antenna

I ricercatori Harvard SEAS 3D / 4D stampano strutture complesse che cambiano forma
I reticoli complessi cambiano in risposta agli stimoli per assumere la forma di una faccia, un’antenna

Per mostrare la capacità del metodo di creare una superficie complessa con curvatura multiscala, i ricercatori hanno stampato il volto del matematico del 19 ° secolo che ha gettato le basi della geometria differenziale: Carl Friederich Gauss. (Immagini per gentile concessione di Lori Sanders / Harvard SEAS)

Come codificare e rilasciare curve complesse in strutture che cambiano forma è al centro della ricerca guidata dalla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e dall’Harvard Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering. Nell’ultimo decennio, teorici e sperimentatori hanno trovato ispirazione nella natura mentre cercavano di svelare la fisica, costruire quadri matematici e sviluppare materiali e tecniche di stampa 3D e 4D per strutture che possono cambiare forma in risposta a stimoli esterni. Tuttavia, la complessa curvatura su più scale è rimasta fuori portata.

Ora, i ricercatori hanno creato fino ad oggi le strutture di spostamento di forma più complesse: reticoli composti da più materiali che crescono o si riducono in risposta ai cambiamenti di temperatura. Per dimostrare la loro tecnica, il team ha stampato reticoli piatti che modellano un’antenna a spostamento di frequenza o la faccia del matematico pioneristico Carl Friedrich Gauss in risposta a un cambiamento di temperatura. La ricerca è pubblicata negli Atti della National Academy of Sciences.

“La forma abilita e limita la funzione”, ha affermato L Mahadevan , professore di matematica applicata di Valpine e professore di fisica, biologia organismica ed evoluzionistica di Harvard. “Utilizzando la matematica e il calcolo per progettare la forma e una combinazione di geometria multi-scala e stampa multi-materiale per realizzarla, ora siamo in grado di costruire strutture che cambiano forma con il potenziale per una gamma di funzioni.”

“Insieme, stiamo creando nuove classi di materie che cambiano forma”, ha dichiarato Jennifer A. Lewis , professore di ingegneria biologica ispirata a Hansjorg Wyss ad Harvard. “Utilizzando un approccio di progettazione e fabbricazione integrato, possiamo codificare” set di istruzioni “complessi all’interno di questi materiali stampati che guidano il loro comportamento di morphing delle forme.”

Volti Gauss complessi che cambiano forma con stampa 4D
Per creare forme complesse e doppiamente curve – come quelle che si trovano su una faccia – il team si è rivolto a un design reticolare multimateriale a doppio strato. Le celle aperte del reticolo curvo gli danno la possibilità di crescere o restringersi molto, anche se il materiale stesso subisce un’estensione limitata. Per ottenere curve complesse, crescere e ridurre il reticolo da solo non è sufficiente. Devi essere in grado di dirigere la crescita a livello locale.

Stampando materiali con diverso comportamento di espansione termica in configurazioni predefinite, i ricercatori possono controllare la crescita e il restringimento di ogni singola nervatura del reticolo, che a sua volta dà origine a una flessione complessa del reticolo stampato sia all’interno che all’esterno del piano. I ricercatori del SEAS hanno utilizzato quattro materiali diversi e hanno programmato ciascuna nervatura del reticolo per cambiare forma in risposta a un cambiamento di temperatura. Usando questo metodo, hanno stampato un’antenna patch che cambia forma, che può cambiare le frequenze di risonanza mentre cambia forma.

Stampa 3D complessa che cambia forma
Un ritratto di Carl Friedrich Gauss dipinto da Christian Albrecht Jensen nel 1840. I ricercatori hanno generato una superficie 3D tramite un algoritmo di intelligenza artificiale. Le nervature nei diversi strati del reticolo sono programmate per crescere e restringersi in risposta a un cambiamento di temperatura, abbinando le curve della faccia di Gauss. (Immagine gentilmente concessa da Harvard SEAS)
Per mostrare la capacità del metodo di creare una superficie complessa con curvatura multiscala, i ricercatori hanno deciso di stampare un volto umano. Scelsero il volto del matematico del XIX secolo che gettò le basi della geometria differenziale: Carl Friederich Gauss. I ricercatori hanno iniziato con un ritratto 2D di Gauss, dipinto nel 1840, e generato una superficie 3D usando un algoritmo di intelligenza artificiale open source. Hanno quindi programmato le costole nei diversi strati del reticolo affinché crescessero e si restringessero, mappando le curve della faccia di Gauss.

Questo approccio di progettazione inversa e il metodo di stampa multimateriale 4D potrebbero essere estesi ad altri materiali sensibili agli stimoli e utilizzati per creare strutture scalabili, reversibili, che cambiano forma con una complessità senza precedenti. Le aree di applicazione includono elettronica morbida, tessuti intelligenti, ingegneria dei tessuti, robotica e non solo.

“Questo lavoro è stato reso possibile dai recenti progressi nella posa e nella risoluzione di problemi geometrici inversi combinati con tecnologie di stampa 4D che utilizzano più materiali. Per il futuro, la nostra speranza è che questo approccio multidisciplinare per modellare la materia sia ampiamente adottato ”, ha affermato Mahadevan.

Co-primi autori degli articoli sono Wim M. van Rees e J. William Boley. Questa ricerca è stata scritta da Charles Lissandrello, Mark Horenstein, Ryan Truby e Arda Kotikian. È stato supportato dalla National Science Foundation e Draper Laboratory. L’ufficio di sviluppo tecnologico di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale correlata a questo lavoro, insieme a un ampio portafoglio di tecnologie di stampa 3D del Lewis Lab, e sta attualmente esplorando le opportunità di commercializzazione.