وقتی فناوری، صفحات صاف و نازک را به چهره انسان تبدیل می‌کند

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری دانشجو، محققان MIT یک ساختار شبکه‌ای مانند با چاپ سه بعدی طراحی کرده اند. این ساختار از لایه‌های مسطح به اشکال از پیش تعیین شده تصویر سازی شده و در پاسخ به تغییر دما می‌تواند پیکربندی که پیچیده‌تر از مواد دیگر است را شکل بدهد.

در اثبات این موضوع محققان یک شبکه مسطح را طراحی کردند. این شبکه هنگامی که در یک دمای خاص قرار می‌گیرد می‌تواند شکل صورت انسان را به خود بگیرد. آن‌ها همچنین شبکه‌ای که با فلز مایع رسانا، جاسازی شده طراحی کردند. 

از روش جدید طراحی این گروه می‌توان برای تعیین الگو‌های خاص ساختار مسطح شبکه برای چاپ، با توجه به خصوصیات مواد استفاده کرد تا ساختار به شکل دلخواه تبدیل شود. محققان می‌گویند که این فناوری می‌تواند برای طراحی ساختار‌های گسترده مثل چادر و پوشش‌هایی استفاده شود که در پاسخ به تغییرات آب و هوایی خودکار باز و بسته می‌شوند.

 

این ترکیب می‌تواند به عنوان چهارچوبی برای بافت مصنوعی یا لنز‌های قابل تغییر در تلسکوپ‌ها استفاده شود.

وین ریس، پروفسور مهندسی مکانیک در MIT که کاربرد‌های این روش در روباتیک نرم را بررسی می‌کند، کفت: «من دوست دارم این همبستگی را ببینم. برای مثال یک روبات ستاره دریایی که وقتی آنرا در آب قرار می‌دهیم تغییر شکل می‌دهد. اگر بتوانید از این روش به عنوان محرک استفاده کنید، مثل یک عضله مصنوعی، محرک می‌تواند به هر شکل دلخواهی تبدیل شود.»

دو سال پیش ون ریس، یک طراحی نظری برای نشان دادن چگونگی تبدیل یک ورق صاف نازک به شکل پیچیده‌ای مانند چهره انسان ارائه کرد. محققان در زمینه مواد ۴ بعدی (موادی که برای تغییر شکل طراحی می‌شوند) روش‌هایی را برای تغییر برخی مواد یا شکل‌های مختلف ایجاد کرده بودند، اما فقط به ساختار‌های ساده می‌پرداختند.

 

ریس  ادامه داد: «هدف من شروع با شکل‌های ۳ بعدی پیجیده مثل صورت انسان بود که می‌خواهیم به آن برسیم. اما مشکل پیش روی طراحی ما چگونگی رسیدن به برنامه‌ای است که ما به هدف برساند.»

او برای محاسبه انبساط و انقباض نواحی از صفحه دولایه ماده برای رسیدن به شکل دلخواه فرمولی ارائه داد. همچنین یک رمز برای شبیه سازی این ماده نظری بیان کرد. او سپس از این فرمول استفاده و مشاهده کرد چگونه این روش می‌تواند یک صفحه درهم تنیده و مسطح را به صورت پیچیده انسان شکل دهد.

ریس و همکارانش به سرعت فهمیدند که این روش روی بیشتر مواد فیزیکی نمی‌تواند اعمال شود یا حداقل تا زمانی که از صفحات در هم تنیده استفاده می‌کنند این امر ممکن نیست، در حالیکه ریس از صفحات در هم تنیده، به عنوان ماده ایده آل، بدون هیچ محدودیت انبساطی و انقباضی استفاده می‌کرد. در مقابل بیشتر مواد از نظر رشد بسیار محدود هستند. این محدودیت عواقبی روی خواصی که به عنوان خمیدگی دوگانه شناخته می‌شود را شکل می‌دهد. خمیدگی دوگانه یعنی سطح می‌تواند همزمان در دوجهت عمودی خم شود. اثری که با یک فرضیه تقریبا ۲۰۰ ساله بوسیله کارل فردریش گاوس به نام قضیه Egregium توضیح داده شده است.

اگر شما تا الان سعی کرده‌اید که یک توپ فوتبال را کادو کنید این مفهوم را تجربه کرده‌اید و برای اینکه کاغذ صاف را شکل توپ کنید که خمیده است باید کاغذ را چین بدهید و آنرا در اطراف و پایین مچاله کنید تا کاملا توپ را بپوشانید. به عبارت دیگر، برای اینکه ورق کاغذ با یک شکل با انحنای مضاعف تطبیق یابد، باید در مکان‌های لازم کشش یا انقباض یا هر دو در مکان‌های لازم را ببندد تا یک توپ را به طور یکنواخت بپوشاند.

به همین منظور محققان اساس ساختار را از صفحات درهم تنیده به شبکه تغییر می‌دهند. این ایده دو قسمتی بود؛ اول اینکه دما موجب می‌شود دنده‌های انبساطی وانقباضی نسبت به صفحات در هم تنیده بیشتر خم می‌شوند. دوم اینکه فضا‌های خالی شبکه می‌توانند راحت‌تر با تغییرات بزرگ تطبیق پیدا کنند و سطح تطبیق یافتن را در سراسر ورق سرعت بدهد.

محققان همچنین هر دنده را جوری طراحی کردند که برای ساختن شکل‌هایی مانند بینی سریعتر از حدقه چشم عمل کند. محققان ساختن این شبکه که شبیه صورت انسان می‌شود را با یک تصویرسه بعدی از گاوس، کسی که قوانین هندسی اش به گروه کمک بسیاری کرد، شروع کردند. آن‌ها با این تصویر فواصل مسطحی که نیاز است برای شکل دادن به صورت بالا بیاید یا پایین برود را تعیین کردند.

این گروه شبکه‌ای از PDMS، یک ماده رایج پلاستیکی که بصورت طبیعی وقتی در معرض افزایش گرما قرار می‌گیرد، چاپ کردند. آن‌ها پاسخ دمایی را با استفاده از فیبر‌های شیشه‌ای تنظیم کردند. بعد از چاپ شبکه‌ها را در یک فر با دمای ۲۵۰ درجه سیلسیوس می‌گذارند. سپس آنرا در حمام آب نمک گذاشته تا هم دمای اتاق شود و شبیه صورت انسان شود.