拓?fù)鋬?yōu)化和3D打印多材料磁致動(dòng)器和顯示器

在材料科學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)中，研究人員希望驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的表現(xiàn)與自然現(xiàn)象類似。作為一個(gè)典型的例子，科學(xué)家們提出要設(shè)計(jì)模仿烏賊偽裝的生物激發(fā)材料，盡管由于生成高維建筑設(shè)計(jì)和與其制造工藝相關(guān)的多功能材料的綜合復(fù)雜性，工程設(shè)計(jì)這種高度集成的系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性。在最近的科學(xué)進(jìn)展報(bào)告中，Subramanian Sundaram及其在和法國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)，人工智能和電氣工程系的同事提出了一個(gè)完整的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化協(xié)議和多材料按需噴射三維(3-D)打印工程師復(fù)雜執(zhí)行器。

致動(dòng)器包含軟磁性和剛性聚合物，其耦合到響應(yīng)磁場(chǎng)的磁性納米顆粒/聚合物復(fù)合材料。拓?fù)鋬?yōu)化器可以為各個(gè)體素分配材料，以增強(qiáng)高分辨率的物理外觀。當(dāng)他們將拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)策略與多材料制造工藝統(tǒng)一起來(lái)時(shí)，Sundaram等人?？梢栽O(shè)計(jì)復(fù)雜的執(zhí)行器作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)制造的有希望的途徑。

現(xiàn)代機(jī)器人需要在單個(gè)封裝內(nèi)集成多種功能的執(zhí)行器，以優(yōu)化高度，功率效率，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尺寸和其他性能指標(biāo)。這一想法是研究提案的基礎(chǔ)，該提案主張將傳感，驅(qū)動(dòng)和計(jì)算與機(jī)器人材料緊密結(jié)合。研究人員仍在爭(zhēng)論機(jī)器人是否會(huì)是帶有大腦或大腦的尸體，因此材料和機(jī)器之間的區(qū)別仍有待確定。采用機(jī)器人材料的新范例要求機(jī)器人部件設(shè)計(jì)用于多種功能，并針對(duì)多種目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，如同天然生物一樣。

材料屬性庫(kù)。(A)使用分光光度計(jì)測(cè)量的通過(guò)MPC的透射率顯示為不同厚度的薄膜的波長(zhǎng)的函數(shù)。(B)通過(guò)透明剛性材料的透射率，作為多個(gè)膜厚度的波長(zhǎng)的函數(shù)。(C)在室溫下測(cè)量的MPC的磁化強(qiáng)度與施加的磁場(chǎng)。磁性納米顆粒占MPC總重量的約12%。ELA，MPC和剛性聚合物(RIG)的典型機(jī)械應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線分別示于(D)至(F)中。線性應(yīng)變下聚合物的彈性模量(每個(gè)樣品平均三個(gè)樣品)顯著變化-ELA(528kPa)，MPC(507MPa)和RIG(1290MPa)。(G)原理圖顯示了基于鉸鏈的基本設(shè)計(jì)，其面板長(zhǎng)度為lp，厚度為tp。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，該面板被分成兩個(gè)相等的RIG和MPC部分。面板兩側(cè)用剛性邊界連接，ELA扭轉(zhuǎn)鉸鏈的長(zhǎng)度為lh，寬度為wh，厚度為th。在施加磁場(chǎng)時(shí)，面板的磁性部分產(chǎn)生扭矩。這用作手動(dòng)設(shè)計(jì)樣品中的基本塊。(H)2×2陣列的面板的圖像，每個(gè)面板具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。圖像的深棕色區(qū)域顯示MPC材料，半透明部分顯示剛性材料。彈性扭轉(zhuǎn)鉸鏈在外觀上幾乎與剛性聚合物相同。在施加磁場(chǎng)時(shí)，每個(gè)面板呈現(xiàn)出兩軸角度旋轉(zhuǎn)的獨(dú)特組合。左側(cè)顯示了平面打印樣本的俯視圖。(照片來(lái)源：SS和DSK，MIT。)信用：

再現(xiàn)生物啟發(fā)的多功能系統(tǒng)的挑戰(zhàn)仍然在于致動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在墨魚(yú)的致動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)典示例中，同時(shí)控制物理偏轉(zhuǎn)和高分辨率外觀導(dǎo)致有效的生物偽裝。由于在創(chuàng)建高維設(shè)計(jì)空間和使用新材料和自由形狀幾何形狀制造這些設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)這種無(wú)縫集成的致動(dòng)是麻煩的。

在當(dāng)代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的例子中，材料科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種數(shù)字微鏡器件，其具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)相同的致動(dòng)器和具有微機(jī)電系統(tǒng)懸臂的“千足蟲(chóng)”高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。優(yōu)化這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)功耗，低占地面積和工藝可靠性是耗時(shí)的，而非均勻的執(zhí)行器陣列在實(shí)驗(yàn)室中呈現(xiàn)出額外的復(fù)雜性。作為一種有前途的替代方案，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在給定的設(shè)計(jì)空間中提供自動(dòng)優(yōu)化的材料布局。

在目前的工作中，Sundaram等人。使用先前用作成功拓?fù)鋬?yōu)化方法的模擬退火策略來(lái)設(shè)計(jì)桁架結(jié)構(gòu)。雖然理論上非常通用，但該方法使問(wèn)題的特征在實(shí)踐中有效。在目前的方法中，Sundaram等人?？紤]了材料的作用，技術(shù)完全具備制造意識(shí)。所提出的關(guān)于高分辨率，多物理和制造感知拓?fù)鋬?yōu)化框架的研究是本工作中實(shí)施的第一個(gè)策略。

科學(xué)家們使用了一種能夠處理高維設(shè)計(jì)的精密制造工藝來(lái)制造合成執(zhí)行器。此后，他們選擇了快速添加劑3-D制造方法來(lái)制造致動(dòng)器，以生產(chǎn)具有多種材料的精確，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。對(duì)3D打印執(zhí)行器的興趣日益增加是由于它們?cè)谖?中尺度機(jī)器人中的速度和適用性。

執(zhí)行器特性 - 力，位移和驅(qū)動(dòng)帶寬。(A)為了表征執(zhí)行器的性能，科學(xué)家們采用了基本設(shè)計(jì)，只做了很小的改動(dòng)。這里，只有一小部分面板厚度tp填充有MPC，用λ表示。使用尺寸為lp1×lp2 = 8mm×9mm，厚度tp = 1mm，λ= 0.15的矩形面板和尺寸Wh = 0.5mm，lh = 1mm，th = 0.25mm的鉸鏈獲得以下結(jié)果。 。(B)測(cè)量的四個(gè)相同裝置的阻擋力表示為距離2“乘2”乘0.5“磁鐵的距離以及相應(yīng)的模擬結(jié)果的函數(shù)。(C)測(cè)量三個(gè)相同裝置的角度偏差，作為距磁鐵的距離的函數(shù)。(D)作為時(shí)間的函數(shù)的光學(xué)跟蹤的角位移，用于在0的頻率下致動(dòng)。01至10赫茲。(E)角位移幅度作為三個(gè)裝置的頻率的函數(shù)。(F)表觀大振幅帶寬取決于磁場(chǎng)的設(shè)置，因?yàn)橹聞?dòng)器本身所經(jīng)受的力隨位移而變化。這個(gè)圖中突出顯示了兩種情況 - 在一種情況下，執(zhí)行器所經(jīng)受的力隨著角位移(?)單調(diào)增加，而在另一種情況下，當(dāng)面板與最大方向?qū)R時(shí)，存在穩(wěn)定的角位移漸變(??)。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160 (F)表觀大振幅帶寬取決于磁場(chǎng)的設(shè)置，因?yàn)橹聞?dòng)器本身所經(jīng)受的力隨位移而變化。這個(gè)圖中突出顯示了兩種情況 - 在一種情況下，執(zhí)行器所經(jīng)受的力隨著角位移(?)單調(diào)增加，而在另一種情況下，當(dāng)面板與最大方向?qū)R時(shí)，存在穩(wěn)定的角位移漸變(??)。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160 (F)表觀大振幅帶寬取決于磁場(chǎng)的設(shè)置，因?yàn)橹聞?dòng)器本身所經(jīng)受的力隨位移而變化。這個(gè)圖中突出顯示了兩種情況 - 在一種情況下，執(zhí)行器所經(jīng)受的力隨著角位移(?)單調(diào)增加，而在另一種情況下，當(dāng)面板與最大方向?qū)R時(shí)，存在穩(wěn)定的角位移漸變(??)。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160

科學(xué)家之前已經(jīng)探索了由于有利的結(jié)垢，高驅(qū)動(dòng)力密度和無(wú)線驅(qū)動(dòng)而對(duì)軟物質(zhì)進(jìn)行磁力驅(qū)動(dòng)的特性。Sundaram等人。統(tǒng)一了仿生進(jìn)化優(yōu)化技術(shù)，采用自動(dòng)化多材料增材制造工藝，在當(dāng)前工作中快速設(shè)計(jì)和制造高維執(zhí)行器。該方法最終可以實(shí)現(xiàn)高維設(shè)計(jì)的全自動(dòng)制造，這是機(jī)器人技術(shù)的長(zhǎng)期目標(biāo)。

研究人員實(shí)施了定制的按需滴定3D打印流程，以優(yōu)化整個(gè)制造流程并執(zhí)行制造意識(shí)的改進(jìn)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)平面剛性結(jié)構(gòu)的特定執(zhí)行器，合成單元填充有透明的剛性聚合物或暗磁響應(yīng)聚合物。拓?fù)鋬?yōu)化器控制兩種材料相對(duì)于其材料屬性的放置，以實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)用。Sundaram等人。然后將定制的多材料按需滴定3D打印過(guò)程與多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合，以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中的高維致動(dòng)器設(shè)計(jì)。他們創(chuàng)造了一套紫外線(UV)固化油墨，具有多種效果，包括光學(xué)，磁性和機(jī)械性能，然后對(duì)樣品進(jìn)行表征，以生成屬性庫(kù)。

將印刷的睡蓮放置在流體界面處并使用永磁體致動(dòng)。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160

科學(xué)家使用了一種定制的基于噴墨的多材料3-D打印機(jī)。他們使用剛性丙烯酸酯聚合物(RIG)，彈性丙烯酸酯聚合物(ELA)和磁性納米粒子聚合物復(fù)合物(MPC)以及用于噴墨印刷工藝的優(yōu)化的起始油墨。在油墨沉積之后，他們使用UV-發(fā)光二極管(LED)陣列通過(guò)自由基光聚合交聯(lián)油墨。這三種材料包含廣泛變化的彈性模量和材料特性，使它們能夠制成柔軟的接頭和剛性結(jié)構(gòu)，用作致動(dòng)器?？茖W(xué)家們展示了他們的能力，并制作了多種手動(dòng)設(shè)計(jì)的多材料執(zhí)行器陣列。他們將設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)的執(zhí)行器循環(huán)至少1000次循環(huán)而不會(huì)降低性能。

Sundaram等人。研究了使用由電流源供電的電磁鐵產(chǎn)生可調(diào)諧磁場(chǎng)的三維印刷多材料軟磁致動(dòng)器的應(yīng)用。作為一種概念驗(yàn)證，他們開(kāi)發(fā)了四個(gè)單獨(dú)的花瓣，用于在空氣 - 水界面上進(jìn)行磁力驅(qū)動(dòng)，其中花瓣從水界面露出。為了可重復(fù)致動(dòng)，他們將印刷樣品放置在硅油 - 水界面上。這些手動(dòng)設(shè)計(jì)的示例首先突出了與磁致動(dòng)相結(jié)合的多材料添加劑制造。該策略無(wú)縫集成了多材料打印和拓?fù)鋬?yōu)化，以展示獨(dú)特的高分辨率光學(xué)特性。

執(zhí)行器的拓?fù)鋬?yōu)化。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160

科學(xué)家利用仿真軟件優(yōu)化了多目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以了解MPC(磁性納米粒子聚合物復(fù)合材料)電池在磁力驅(qū)動(dòng)中的分布。然后他們將這種方法應(yīng)用于兩幅不同的繪畫圖像，其中包括梵高的自畫像和蒙克的“吶喊”。在應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化框架后，他們通過(guò)施加的磁場(chǎng)控制磁致動(dòng)，以通過(guò)增加傾斜/偏轉(zhuǎn)角度將圖像從梵高逐漸過(guò)渡到蒙克肖像。然后，科學(xué)家們通過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的執(zhí)行器進(jìn)行了表征。

通過(guò)這種方式，Subramanian Sundaram及其同事開(kāi)發(fā)了一種拓?fù)鋬?yōu)化器，以匹配目標(biāo)的光學(xué)特性和傾斜角度?？茖W(xué)家們還將基于按需噴墨的3-D打印與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，以設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)并生成高分辨率光學(xué)特性。雖然新油墨和材料的開(kāi)發(fā)存在挑戰(zhàn)，但它們可以使用該工藝制造各種材料。

研究人員可以設(shè)計(jì)整個(gè)制造流程，通過(guò)制造感知優(yōu)化來(lái)增強(qiáng)控制自由度。拓?fù)鋬?yōu)化的執(zhí)行器和隨附的制造工具包可用于設(shè)計(jì)具有傳感器和基本計(jì)算元件的執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)具有大規(guī)模集成和自給自足的多功能機(jī)器人/自主復(fù)合材料的長(zhǎng)期愿景。當(dāng)科學(xué)家們進(jìn)一步探索這些基本策略時(shí)，他們將能夠以最少的人為干預(yù)形成多功能執(zhí)行器。