Новая методика распечатывания, складывания и развертывания конструкций для самостоятельного строительства может в один прекрасный день облегчить хирургам установку стентов артерий или астронавтов для установки новых, легких космических сред обитания.
Связанный контент
- Бакминстер Фуллер был хорош в идеях, ужасен в дизайне автомобилей
- Новая Зеландия отправила ракету с 3D-печатью в космос
Проекты основаны на архитектурной концепции под названием «тенсегрити», термин, придуманный Бакминстером Фуллером в 1960-х годах (который также запатентовал первые формы тенсегрити в 1962 году). Структуры Tensegrity или «целостность при растяжении» удерживают себя в форме с помощью жестких распорок, удерживаемых на месте с помощью соединенных между собой кабелей высокого напряжения. Мост Курильпа в Брисбене, Австралия, и новая башня антенны радио, возводимая на вершине Сантьяго, на холме Метрополитен-Парк в Чили, являются двумя типичными примерами структур Тенсегрити.
Хотя они очень сильные, они тяжелые, так как они построены из металлических распорок и кабелей. Технологии из Джорджии Глаусио Паулино и Джерри Ци хотели применить те же самые растягивающие преимущества к объектам, которые можно использовать не только для мостов и антенн, таких как космические места обитания или стенты сердца.
Паулино и Ци разработали метод создания печатных 3D-моделей, облегченных и складываемых версий этих конструкций, с использованием трубок, выполненных из пластикоподобного материала, называемого полимером с памятью формы, соединенных с печатными эластичными сухожилиями.
При нагреве труб материал стойки становится запрограммированным на «запоминание» открытой конфигурации. Затем его можно сплющить и сложить, и как только вся конструкция подвергается повторному нагреву, вся упаковка медленно разворачивается в свою окончательную открытую конфигурацию - без участия двигателей.
Паулино и Ци также обнаружили, что, программируя различные части своих конструкций так, чтобы они разворачивались при разных температурах, их конструкции могли распаковываться поэтапно, чтобы предотвратить спутывание кабелей.
Поскольку всю конструкцию можно сжать в пакет, который по существу полностью собран, он занимает гораздо меньше места, чем традиционные конструкции Tensegrity.
«Если вы сравните дизайн Tensegrity с любым другим типом конструкции, он будет чрезвычайно легким и очень прочным», - говорит Паулино. «Прелесть этой системы в том, что есть дополнительная степень свободы, которая позволяет напряженной деформации деформироваться, менять форму, резко менять форму и поддерживать любой тип нагрузки в любом направлении».
Лабораторные модели Паулино и Ци размером с детскую настольную игрушку, с четырьмя-пятью сантиметрами в поперечнике, выглядят так же, как высоко организованная пачка палочек, удерживаемая натянутой леской. Когда они полностью развернуты, распорки являются жесткими и жесткими, а упругие кабели более мягкими и гибкими. Проекты, когда они полностью собраны, имеют некоторое преимущество - если вы сожмете их, форма деформируется. Но они возвращаются в форму, когда их отпускают.
Команда использовала ванны с горячей водой, чтобы продемонстрировать, как работает процесс распаковки при высокой температуре, но даже такой инструмент, как тепловой пистолет или фен, справился бы с задачей. Он просто должен быть последовательным, что на нынешнем этапе разработки может быть проблематичным, говорит Паулино. Управление вибрацией также было проблемой в других типах конструкций Tensegrity.
Паулино и Ци решили использовать простые конструкции для удобства лабораторных испытаний, но Паулино говорит, что нет предела тому, что можно сделать на фронте дизайна.
Их идея заключается в том, что полимерные структуры Тенсегрити можно увеличить и сделать гораздо более сложными, как для космических структур, так и вниз, до размеров чего-то, что могло бы поместиться в теле человека. По словам Паулино, представьте себе стент, который можно вставить в артерию, который самостоятельно разворачивается в нужном положении. Или, если бы связанные с пространством структуры должны были быть изготовлены из аналогичных полимеров с памятью формы, они также весили бы намного меньше, чем аналогичная структура из металла, что позволяло бы производить более дешевые запуски предварительно собранных рам, которые можно было бы использовать для лаборатории или жилых помещений в пространство.
На данный момент это всего лишь концепции, хотя он добавил, что у него есть некоторый интерес со стороны коллег-медиков, и что НАСА уже изучает Тенсегрити как подход к будущим космическим полетам.
Роберт Скелтон, который десятилетиями исследовал тенсегрити для применения в океане и космосе в Техасском университете A & M, говорит, что работа Паулино и Ци имеет преимущество в эффективности по сравнению с другими типами конструкций тенсегрити.
«Приятным преимуществом работы Паулино и Ци является небольшое количество энергии, необходимое для усиления [распорок]», - написал Скелтон по электронной почте. Скелтон добавил, что подобный принцип действует, когда вы вытаскиваете металлическую рулетку: она предварительно напряжена, чтобы быть слегка изогнутой, когда она вытащена, но плоской, когда она свернута. Предварительно напряженные структурные элементы были важным подходом для космического строительства, например, на космическом телескопе Хаббла, солнечные батареи которого были развернуты с такими предварительно напряженными металлическими полосами, которые становятся жесткими после полного открытия.
«Воздействие [структур тенсегрити с памятью формы] будет таким же широким, с большим разнообразием применений, на земле и в космосе», - добавил Скелтон.
Итак, следующее, что Паулино говорит, что он и Ци будут заниматься, - это масштабирование их концепции - вверх и вниз. И поскольку все, что требуется, - это 3-D принтер и подходящий материал, это можно сделать из любого места, как только эта техника будет усовершенствована.
«Чтобы достичь этого уровня, потребовалось некоторое время, но мы считаем, что у нас есть хорошая отправная точка для следующих шагов», - говорит Паулино. «Мы очень рады этому. Конечно, мы не знаем всего, что еще нужно сделать, но мы уверены, что у нас есть возможность добиться хорошего прогресса в этой идее ».
