工程師3D打印帶有“嵌入式邏輯”的智能物體

即使沒有大腦或神經(jīng)系統(tǒng)粪小，捕蠅草似乎也會做出復(fù)雜的決定几睛，比如什么時候該突然關(guān)閉潛在的獵物，以及什么時候該意外地捕捉到它不能吃的東西時再打開侄旬。賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員從這類系統(tǒng)中獲得了靈感望抽。他們使用刺激反應(yīng)材料和幾何原理加矛，設(shè)計(jì)了具有“具體邏輯”的結(jié)構(gòu)。僅僅通過它們的物理和化學(xué)組成煤篙，它們就能夠確定對環(huán)境做出的多種可能反應(yīng)中的哪一種斟览。

盡管沒有任何類型的發(fā)動機(jī)、電池辑奈、電路或處理器苛茂，它們可以根據(jù)預(yù)先確定的環(huán)境信號(如濕度或油基化學(xué)品)在多種配置之間進(jìn)行切換。利用多材料3D打印機(jī)鸠窗，研究人員可以用嵌套的if/then邏輯門制作這些主動結(jié)構(gòu)妓羊，并可以控制每個門的定時，允許復(fù)雜的機(jī)械行為對環(huán)境的簡單變化作出反應(yīng)稍计。例如躁绸，利用這些原則，可以設(shè)計(jì)一種水環(huán)境污染監(jiān)測裝置臣嚣，只在有油基化學(xué)品存在和溫度超過某一閾值時才能打開和收集樣品净刮。

這項(xiàng)研究由賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系助理教授喬丹·拉尼(Jordan Raney)和他的實(shí)驗(yàn)室博士后研究員江一杰(Yijie Jiang)領(lǐng)導(dǎo)。拉尼實(shí)驗(yàn)室的研究生露西婭·科爾帕斯(Lucia Korpas)也參與了這項(xiàng)研究硅则。

Raney的實(shí)驗(yàn)室對雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)感興趣淹父，這意味著它們可以無限期地保持兩種構(gòu)型中的一種。它還對反應(yīng)性材料感興趣怎虫，這種材料可以在正確的情況下改變形狀弹灭。這些能力并不是內(nèi)在地相互關(guān)聯(lián)，而是“內(nèi)在邏輯”同時利用了這兩種能力揪垄∏钏保“雙穩(wěn)定性是由幾何形狀決定的，而響應(yīng)性則是由材料的化學(xué)性質(zhì)決定的饥努，”Raney說捡鱼。“我們的方法是使用多材料3D打印來跨越這些不同的領(lǐng)域酷愧，這樣我們就可以利用材料的響應(yīng)能力以正確的方式改變我們結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)驾诈〔纾”

在之前的工作中，Raney和他的同事演示了如何3D打印傾斜硅膠光束的雙穩(wěn)態(tài)晶格乍迄。當(dāng)擠壓在一起管引，梁保持鎖定在一個扣的配置，但可以很容易地拉回他們的擴(kuò)大形式闯两。這種雙穩(wěn)態(tài)行為幾乎完全取決于光束的角度以及光束的寬度和長度之比褥伴。壓縮晶格可以在材料中儲存彈性能量。如果我們能控制地利用環(huán)境來改變梁的幾何形狀漾狼，結(jié)構(gòu)將不再是雙穩(wěn)態(tài)的重慢，必然會釋放其儲存的應(yīng)變能。你會有一個驅(qū)動器逊躁，不需要電子來決定是否和何時應(yīng)該發(fā)生驅(qū)動器似踱。

形狀變化的材料很常見，但要對其變形進(jìn)行細(xì)粒度控制則比較困難稽煤。例如核芽，許多物質(zhì)吸收水分并膨脹，但它們向各個方向膨脹酵熙。這對我們沒有幫助狞洋，因?yàn)檫@意味著光束的寬度和長度的比值保持不變÷痰辏“我們需要一種方法吉懊，將擴(kuò)張限制在一個方向〖傥穑”

研究人員的解決方案是將玻璃或纖維素纖維注入他們的3d打印結(jié)構(gòu)中借嗽，與光束的長度平行。和碳纖維一樣转培，這種非彈性骨架阻止了梁的伸長恶导，但允許纖維之間的空間擴(kuò)大，增加了梁的寬度浸须。有了這種幾何控制惨寿，可以通過改變梁的材料來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的形狀變化響應(yīng)。研究人員使用硅膠和水凝膠來制造活性結(jié)構(gòu)删窒，硅膠可以吸收油裂垦，水凝膠可以吸收水。熱敏材料和光敏材料也可以被納入肌索，并可以設(shè)計(jì)對更具體的刺激作出反應(yīng)的材料蕉拢。

改變光束的起始長度/寬度比，以及硬纖維的濃度，使研究人員能夠制造出具有不同靈敏度的驅(qū)動器晕换。由于研究人員的3d打印技術(shù)允許在相同的打印中使用不同的材料午乓，一個結(jié)構(gòu)可以在不同的區(qū)域有多種形狀變化反應(yīng)，甚至排列成一個序列闸准∫嬗“例如，”姜說夷家，“我們通過設(shè)計(jì)一個盒子來展示順序邏輯蒸其，這個盒子在接觸到合適的溶劑后，可以在預(yù)定的時間內(nèi)自動開啟和關(guān)閉瘾英≡娼樱”我們還設(shè)計(jì)了一個人工捕蠅器颂暇，只有在一個指定的時間間隔內(nèi)施加機(jī)械載荷缺谴，捕蠅器才能關(guān)閉，而一個盒子只有在有油和水的情況下才能打開耳鸯。

這種嵌入的邏輯方法的化學(xué)和幾何元素都是尺度無關(guān)的湿蛔，這意味著這些原則也可以被微觀結(jié)構(gòu)利用∠嘏溃“這可能對微流體的應(yīng)用很有用阳啥，”Raney說〔圃“例如察迟，我們可以設(shè)計(jì)一種能夠在檢測到某種污染物時自動關(guān)閉的閘門，而不是使用固態(tài)傳感器和微處理器來不斷讀取流入微流控芯片的信息耳高≡浚”

其他潛在的應(yīng)用可能包括傳感器在遙遠(yuǎn)、惡劣的環(huán)境中泌枪，如沙漠概荷、山脈，甚至其他星球碌燕。如果不需要電池或電腦误证，這些嵌入式邏輯傳感器可以在沒有人機(jī)交互的情況下休眠多年，只有在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境提示下才會啟動修壕。