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科学家们研究出了一种变形成人脸的变形材料

虽然现在的3D打印还没有被广泛应用,但4D材料已经成为继3D打印之后未来的主要研究方向。据国外媒体报道,麻省理工学院的科学家们利用4D材料技术制造了一种变形成人脸的变形材料。

据介绍,所谓的“4D材料”是采用了相同的制造技术,但设计成随着时间的推移而变形,以应对环境的变化,如湿度和温度,也被称为主动折纸或形状变形系统。麻省理工学院的科学家们成功地创造出了扁平结构,这种结构可以转变成比以前复杂得多的结构,包括人脸。他们去年秋天在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。
麻省理工学院机械工程师温姆范里斯(Wim van Rees)是PNAS论文的合著者,他设计了一种理论方法,将薄平板变成更复杂的形状,比如球体、圆顶或人脸。他的目标是从一个我们想要实现的复杂的三维形状开始,比如一张人脸,然后是如何编程一种材料,让它达到目的。他认为这是一个逆向设计问题。

但他最初的模拟是针对一个理想化的材料片,它的膨胀或收缩程度没有界限,而且大多数真实世界的材料都有限制。

实际上,这是一个“双曲率”问题,最早由19世纪数学家卡尔•弗里德里希•高斯(Carl Friedrich Gauss)描述。Gauss在1828年提出了他的“Therema-Egregium”(显著定理),认为只要测量曲面的角度和距离就可以确定曲面的曲率,这意味着曲面曲率在弯曲时不会改变,比如说,折叠一片美味的比萨饼,因为折叠使比萨饼在垂直于折叠的方向上更加坚硬。这也是瓦楞纸箱强度背后的秘密,也是科学家们为什么能够发现宇宙是平的。

但有一点需要注意:曲面不能拉伸、收缩或撕裂,这在尝试将平板变形为具有不同高斯曲率的复杂形状时会造成问题。范里斯把他面临的挑战比作试图用礼品包装足球。因此,为了包裹足球,你必须在纸的侧面和底部折皱;纸必须在所有合适的地方拉伸或收缩。

为了解决这个问题,van Rees和他的同事决定使用网格状的晶格结构,而不是在初始模拟中建模的连续薄板。他们用一种橡胶材料制成晶格,这种材料在温度升高时会膨胀。晶格中的间隙使材料更容易适应其表面积的特别大的变化。麻省理工学院的研究小组使用高斯的图像创建了一个虚拟图,显示出要将平面重新配置成一张脸,需要弯曲多少。然后他们设计了一种算法,将其转化为网格中肋骨的正确模式。

他们设计的肋骨在网板上以不同的速度生长,每一根肋骨都能弯曲到足以形成鼻子或眼窝的形状。印刷格子在热烘箱中固化,然后在盐水浴中冷却至室温。然后,它变成了人的脸。研究小组还制作了一个含有导电液态金属的晶格,这种金属转变为有源天线,其共振频率随着变形而变化。

这种变形材料有一天可能被用来制作帐篷,只要改变温度(或其他环境条件),帐篷就可以自行展开和充气。其他潜在用途包括可变形望远镜镜头、支架、人工组织支架和软机器人。

范里斯表示,他想把它融入到一种机器人水母中,比如说,当把它放入水中时,它会改变形状来游泳。如果你可以把它作为一个执行器,就像一个人工肌肉,执行器可以是任意的形状,转换成另一个任意的形状。然后你就进入了一个全新的软机器人设计领域。

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