Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета черпали вдохновение в подобных системах. Используя материалы, реагирующие на стимулы, и геометрические принципы, они разработали структуры, которые "воплощают логику"."Только благодаря своему физическому и химическому составу они могут определить, какую из множества возможных реакций им следует предпринять в ответ на окружающую среду.
Несмотря на отсутствие двигателей, батарей, цепей или процессоров любого типа, они могут переключаться между несколькими конфигурациями в ответ на заранее определенные сигналы окружающей среды, такие как влажность или химические вещества на масляной основе.
Используя многоматериальные 3D-принтеры, исследователи могут создавать эти активные структуры с вложенными логическими вентилями if / then и могут контролировать время каждого гейта, обеспечивая сложное механическое поведение в ответ на простые изменения в окружающей среде.
Например, используя эти принципы, устройство для мониторинга загрязнения водной среды может быть разработано так, чтобы открывать и собирать образец только в присутствии химического вещества на основе нефти и когда температура превышает определенный порог.
Penn Engineers опубликовали исследование в открытом доступе с изложением своего подхода в журнале Nature Communications.
Исследованием руководили Джордан Рэйни, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики Пенсильванского университета, и Ицзе Цзян, научный сотрудник своей лаборатории. Люсия Корпас, аспирантка лаборатории Ренея, также внесла свой вклад в исследование.
Лаборатория Ренея заинтересована в структурах, которые являются бистабильными, что означает, что они могут бесконечно удерживать одну из двух конфигураций. Он также заинтересован в адаптивных материалах, которые могут изменять свою форму при правильных обстоятельствах.
Эти способности внутренне не связаны друг с другом, но «воплощенная логика» опирается на оба.
«Бистабильность определяется геометрией, тогда как отзывчивость зависит от химических свойств материала», – говорит Рэйни. «Наш подход использует трехмерную печать из нескольких материалов для преодоления этих отдельных полей, чтобы мы могли использовать способность материала реагировать на изменение геометрических параметров наших структур правильным образом."
В предыдущей работе Рэйни и его коллеги продемонстрировали, как 3D-печать бистабильных решеток из наклонных силиконовых балок. При сжатии вместе балки остаются заблокированными в изогнутой конфигурации, но их можно легко вернуть в развернутую форму.
Это бистабильное поведение почти полностью зависит от угла наклона лучей и соотношения их ширины и длины », – говорит Рэйни. "Сжатие решетки сохраняет упругую энергию в материале.
Если бы мы могли контролируемо использовать окружающую среду для изменения геометрии балок, структура перестала бы быть бистабильной и обязательно высвободила бы накопленную энергию деформации. У вас был бы привод, которому не нужна электроника, чтобы определять, когда и когда должно произойти срабатывание."
Материалы, изменяющие форму, являются обычным явлением, но точный контроль над их преобразованием труднее достичь.
"Многие материалы, например, впитывают воду и расширяются, но расширяются во всех направлениях.
Это нам не помогает, потому что это означает, что соотношение ширины и длины балок остается неизменным », – говорит Рэйни. "Нам нужен был способ ограничить расширение только в одном направлении."
Исследователи решили пропитать свои 3D-печатные структуры стеклянными или целлюлозными волокнами, идущими параллельно длине балок. Подобно углеродному волокну, этот неэластичный каркас предотвращает удлинение балок, но позволяет пространству между волокнами расширяться, увеличивая ширину балок.
Благодаря этому геометрическому контролю можно добиться более сложных реакций на изменение формы, изменив материал, из которого сделаны балки.
Исследователи создали активные структуры, используя силикон, который впитывает масло, и гидрогели, впитывающие воду. Также могут быть включены термочувствительные и светочувствительные материалы, а также могут быть созданы материалы, реагирующие на даже более специфические раздражители.
Изменение начального соотношения длины и ширины балок, а также концентрации жестких внутренних волокон позволяет исследователям изготавливать приводы с различными уровнями чувствительности. А поскольку технология 3D-печати исследователей позволяет использовать разные материалы в одном отпечатке, структура может иметь несколько откликов на изменение формы в разных областях или даже располагаться в определенной последовательности.
«Например, – говорит Цзян, – мы продемонстрировали последовательную логику, разработав коробку, которая после воздействия подходящего растворителя может автономно открываться, а затем закрываться по истечении заданного времени. Мы также разработали искусственную мухоловку Венеры, которая может закрываться только при приложении механической нагрузки в течение заданного временного интервала, и коробку, которая открывается только в том случае, если присутствуют и масло, и вода."
И химические, и геометрические элементы этого воплощенного логического подхода не зависят от масштаба, что означает, что эти принципы также могут быть использованы структурами микроскопических размеров.
«Это может быть полезно для приложений в микрофлюидике», – говорит Рэйни. «Вместо того, чтобы использовать твердотельный датчик и микропроцессор, которые постоянно считывают, что поступает в микрожидкостный чип, мы могли бы, например, спроектировать вентиль, который автоматически закрывается при обнаружении определенного загрязнения."
Другие потенциальные приложения могут включать датчики в удаленных, суровых условиях, таких как пустыни, горы или даже на других планетах.
Без необходимости в батареях или компьютерах, эти встроенные логические датчики могут оставаться бездействующими в течение многих лет без вмешательства человека, а срабатывают только при правильном сигнале окружающей среды.
Исследование было поддержано Исследовательским управлением армии США через грант № W911NF-17-1-0147.