Programmierbare Ballons ebnen den Weg für neue Form-Morphing-Geräte

Ein Team von Forschern hat entworfen Materialien, die steuern können und einen Ballon in vorprogrammierte Formen formen. Das System verwendet kirigami sheets - dünne Materialbahnen mit periodischen cuts - eingebettet in eine aufblasbare Vorrichtung.

Das Team hat auch eine inverse Design-Strategie, einen Algorithmus, der findet die optimale Auslegung für die kirigami aufblasbare Vorrichtung entwickelt, die eine Zielform beim Aufblasen nachahmen.

„Diese Arbeit stellt eine neue Plattform für Form-Morphing-Geräte, die das Design von innovativen medizinischen Werkzeugen, Aktoren und rekonfigurierbare Strukturen unterstützen könnten“, sagte Katia Bertoldi, die William und Ami Kuan Danoff Professor für Angewandte Mechanik an SEAS und leitende Autor der Studie .

Die Forschung ist in Advanced Materials veröffentlicht.

Ein individueller Schnitt auf einem kirigami Blatt trägt zu der größeren Form des Ballons wie ein Bildpunkt hilft auf einer 2D-Oberfläche ein Bild zu erzeugen. Die Forscher fanden heraus, dass durch die geometrischen Parameter dieser Schnitte Tuning, konnten sie komplexe Formen steuern und einbetten.

„Mit nur zwei Parameter des Pixels variiert, können wir alle verschiedene Arten von verrückten Formen in die kirigami Ballons programmieren, einschließlich Kurven, Drehungen und Erweiterungen“, sagte Antonio Elia Forte, ein Postdoctoral Fellow an der SEAS und Co-Erstautor der Studie . „Unsere Strategie ermöglicht es uns automatisch auf eine verwandelbare Ballon von der Form ausgehend zu gestalten, dass Sie benötigen. Es ist ein Bottom-up-Ansatz, dass zum ersten Mal der Elastizität des Materials nutzt, nicht nur kinematische.“

Unter Verwendung dieser Parameter, entwickelten die Forscher einen inversen Algorithmus, mischen könnte und passen Pixel unterschiedlicher Breite und Höhe oder Löschen bestimmter Pixel zusammen, um die gewünschte Form zu erzielen. Durch die Manipulation der Parameter der einzelnen Pixel, waren die Forscher auf einem deutlich kleineren Maßstab abzustimmen Formen können. Um dies zu demonstrieren, programmierte sie einen Ballon zu imitieren die Form eines Squash (die Experimente fanden um Halloween) komplett mit den charakteristischen Beulen und Grate entlang der Seite.

„Durch die Erweiterung auf jeder Ebene des kirigami Ballons zu steuern, wir eine Vielzahl von Zielformen reproduzieren können“ Lishuai Jin, ein Doktorand an der SEAS und Co-ersten Autor des Papiers.

Die Forscher auch kirigami Ballons in den Formen von Kalebasse Kürbissen, Haken und Vasen, die zeigen, dass der Ansatz ist allgemein genug, um zu imitieren beliebige Form hergestellt.

Als nächstes wollen die Forschungen diese kirigami Ballons als formverändernde Aktoren für weiche Roboter verwenden. Die Arbeit legt eine Grundlage für die Gestaltung von Strukturen auf verschiedenen Skalen: von Mikrominimalinvasive chirurgische Vorrichtungen zu Makrostrukturen für Raumforschung.

Diese Forschung wurde Co-Autor von Bolei Deng und Ahmad Rafsanjani. Es wurde von der National Science Foundation unter Grants Nr DMR-1420570 und DMR-1922321 unterstützt.

Quelle: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. "Programmable balloons pave the way for new shape-morphing devices: Kirigami balloons could be used in medical devices, soft robotics." ScienceDaily. ScienceDaily, 8 July 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200708121417.htm>.