En ny teknikk for å skrive ut, brette opp og distribuere selvbyggende strukturer kan en dag gjøre det mye enklere for kirurger å plassere arteriestenter, eller astronauter å installere nye, lette romhabitater.
Relatert innhold
- Buckminster Fuller var god på ideer, forferdelig med bildesign
- New Zealand sendte en 3D-trykt rakett til verdensrommet
Designene bygger på et arkitektonisk konsept kalt "tensegrity", et begrep skapt av Buckminster Fuller på 1960-tallet (som også patenterte de første tensegrity-formene i 1962). Tensegrity, eller "tensional integritet" strukturer holder seg i form via stive stivere som holdes på plass med sammenkoblede høyspenningskabler. Kurilpa-broen i Brisbane, Australia, og et nytt radioantennetårn som er bygget oppå Santiago, Chiles Metropolitan Park-bakke, er to typiske eksempler på strekkfasthetsstrukturer.
Selv om de er veldig sterke, er de tunge, da de er konstruert med metallstivere og kabler. Ingeniører fra Georgia Tech Glaucio Paulino og Jerry Qi ønsket å bruke de samme fordelingsfordelene på gjenstander som kan brukes til mer enn bare broer og antenner, for eksempel plasshabitater eller hjertestenter.
Paulino og Qi utviklet en metode for å lage 3D-utskrivbare, lette, sammenleggbare versjoner av disse designene, med rør laget av et plastlignende materiale kalt en formminne-polymer koblet til trykte elastiske sener.
Ved å varme opp rørene blir støttematerialet programmert til å "huske" den åpne konfigurasjonen. Den kan deretter flates ut og brettes sammen, og når hele designen er blitt eksponert for varme, utfolder seg hele pakken sakte til sin endelige, åpne konfigurasjon - ingen motorer er involvert.
Paulino og Qi fant også ut at ved å programmere forskjellige deler av designene sine for å utfolde seg ved forskjellige temperaturer, kunne designene pakke seg ut i trinn for å forhindre at kablene blir sammenfiltrede.
Fordi hele designen kan knuses ned i en pakke som i hovedsak er ferdig montert, tar den mye mindre plass enn konvensjonelle strekkstyrkeutforminger.
"Hvis du sammenligner tensegrity-design med noen annen type struktur, er de ekstremt lette og veldig sterke, " sier Paulino. "Det fine med dette systemet er at det er en ekstra grad av frihet som gjør at strekkstyrken kan deformeres, forandre form, ha dramatisk formendring og støtte enhver type belastning i alle retninger."
Paulino og Qis laboratoriemodeller er på størrelse med et barns leketøy på bordet, fire til fem centimeter tvers på en side, og ser ut som ingenting så mye som en veldig organisert stabel med pinner som holdes på plass av den stramme fiskelinjen. Når de er fullstendig utfoldet, er stagene harde og stive, mens de elastiske kablene er mykere og mer fleksible. Når de er ferdig montert, har designene noe å gi - hvis du klemmer dem, vil formen deformeres. Men de smeller rett tilbake i form når de blir utgitt.
Teamet brukte varmtvannsbad for å demonstrere hvordan utpakningsprosessen med høy temperatur fungerer, men selv et verktøy som en varmepistol eller hårføner ville gjort susen. Det må bare være konsistent - som på det nåværende utviklingsstadiet kan være problematisk, sier Paulino. Å kontrollere vibrasjoner har også vært en utfordring i andre typer tensegrity-design.
Paulino og Qi valgte å bruke enkle design for å lette laboratorietesting, men Paulino sier at det ikke er noen begrensning for hva som kan gjøres på designfronten.
Deres ide er at polymere tensegrity-strukturer kan skaleres opp og gjøres mye mer kompleks, som for romstrukturer, eller ned, til størrelsen på noe som kan passe inn i menneskekroppen. Se for deg en stent som kan settes inn i en arterie, sier Paulino, som selv tar ut en gang på plass. Eller hvis plassbundne strukturer skulle være laget av lignende formminnepolymerer, ville de også veie mye mindre enn en lignende struktur laget av metall, noe som gir mulighet for billigere lanseringer av ferdigmonterte rammer som kan brukes til laboratorium eller boligkvarter i rom.
Dette er fremdeles bare konsepter på dette tidspunktet, selv om han la til at han har hatt en viss interesse fra medisinske kolleger, og at NASA allerede har undersøkt strekkstyrke som en tilnærming for fremtidige romoppdrag.
Robert Skelton, som har forsket på strekkstyrke for hav- og romfartsapplikasjoner i flere tiår ved Texas A&M University, sier Paulino og Qis arbeid har en effektivitet i forhold til andre typer strekkstyrkeutforminger.
"En fin fordel med Paulino og Qis arbeid er den lille energimengden som kreves for å stive [stagene], " skrev Skelton via e-post. Skelton la til at et lignende prinsipp er i aksjon når du trekker ut et målebånd: det er forhåndsspent for å være litt buet når det trekkes ut, men flatt mens det rulles opp. Forspente strukturelle elementer har vært en viktig tilnærming for rombygging, for eksempel på Hubble-romteleskopet, hvis solarrayer ble utplassert med slike forspente metallstrimler som er stive når de helt er åpnet.
"Virkningen [av strukturen i formminne-tensegrity] vil være like bred, med et stort utvalg av applikasjoner, på jorden og i verdensrommet, " la Skelton til.
Så det neste Paulino sier at han og Qi vil takle, er å ta konseptet sitt til å skalere - opp og ned. Og fordi alt som kreves er en 3D-skriver og riktig materiale, kan det gjøres hvor som helst når teknikken er perfeksjonert.
"Det tok litt tid å nå dette nivået, men vi føler at vi har et godt utgangspunkt for de neste trinnene, " sier Paulino. “Vi er veldig glade for det. Vi vet absolutt ikke alt som fortsatt må gjøres, men vi har tillit til at vi har evnen til å gjøre gode fremskritt på ideen. ”
