Znalezienie przyszłej techniki w starożytnej sztuce

3D

Weź kawałek papieru. Złóż go na pół, a ty przekręciłeś arkusz z dyskietki w trójwymiarową strukturę, która może sama wstać, nawet jeśli jest nieco chwiejna.

Kilka bardziej celowych fałd, a może nawet masz samolot zdolny do rzeczywistego lotu. Lub, z odrobiną cierpliwości, dźwigiem, nosorożcem lub prawie dowolnym obiektem, kształtem lub wzorem, jaki możesz sobie wyobrazić.

Od tego prostego aktu składania możesz stworzyć ogromną złożoność – coś, co artyści origami robili od setek lat, przekształcając papier w sztukę. Ale ostatnio sztuka ta stała się użyteczna, ponieważ origami zaczęło łączyć się z inżynierią. Zasady Origami zainspirowały nowatorskie sposoby pakowania poduszek powietrznych, kształtowania stentów na serce, składanych żagli słonecznych zaprojektowanych do napędzania statków kosmicznych, a nawet składanych kuloodpornych tarcz.

 

A post shared by ARCFLY (@arcfly_ft) on

A naukowcy dopiero zaczynają. Teraz używają origami do projektowania materiałów przyszłości: materiałów, które zmieniają się z miękkiego na sztywny – iz powrotem – za pomocą przełącznika lub inteligentnych materiałów, które reagują na otoczenie tak, jakby były żywe. W połączeniu z robotyką i urządzeniami, te materiały mogą na nowo zdefiniować, co to znaczy być materiałem, z potencjalnymi zastosowaniami w inżynierii, architekturze, biologii, medycynie i nie tylko.

Wiele współczesnych badań w dziedzinie inżynierii origami nawiązuje do astrofizyka Koryo Miury, który w 1970 roku wymyślił prosty, ale elegancki krotnie. Składa się z zagnieceń, które tworzą wzór wyłożonych płytkami równoległoboków, dzięki czemu łatwo się zapadają i otwierają. Znany jako fałda Miura, czyli Miura-ori, ponownie wykorzystał fałd jako sposób na pakowanie dużych, płaskich membran do rozmieszczania w kosmosie. W rzeczywistości, w 1995 roku, japoński satelita wykorzystał fałdę do przechowywania swoich paneli słonecznych do uruchomienia i rozwinąć je raz na orbicie.

W międzyczasie Miura-ori stał się jedną z najlepiej zbadanych fałdów, co skłoniło inżyniera Cornell, Itai Cohena, do nazwania go atomem wodoru origami. Podobnie jak wodór, wzór jest prosty, ale nasycony złożonymi i egzotycznymi właściwościami. Kiedy ściskasz Miura-ori po bokach, góra i dół również zapadają się do środka. Ta funkcja, określana jako ujemny współczynnik Poissona, jest niezwykła. Większość innych rzeczy rozlewa się na zewnątrz w kierunku prostopadłym do twojego zgniatania. Trzymaj kanapkę zbyt ciasno, a twoje mięso i utrapienie „wytryskają po bokach.

Możesz również dostosować sztywność zgięcia. Cohen i jego współpracownicy wykazali, że defekty – wymuszanie fałd na fałdowanie w przeciwny sposób – mogą sprawić, że Miura-ori będzie sztywny.

„Możesz po prostu wziąć ten sam wzór fałdu i szturchnąć go w pewnych miejscach i nagle reaguje on inaczej niż wtedy, gdy szturchasz go w różnych miejscach” – mówi Christian Santangelo z University of Massachusetts, Amherst. W tym sensie Miura-ori reprezentuje materiał przełączalny, którego właściwości – w tym przypadku sztywność – mogą być włączane i dostrajane w locie.

Coś złożonego w Miura-ori jest przykładem metamateriału, materiału, którego właściwości zależą nie od tego, z czego jest zrobiony, ale od jego struktury. Być może najbardziej znanym przykładem jest peleryna-niewidka, materiał zatopiony w nanoskalowych strukturach, które mogą przekierowywać światło wokół obiektu, sprawiając, że staje się niewidoczny.

Ale w przeciwieństwie do konwencjonalnych metamateriałów, których właściwości są wbudowane, składane struktury wprowadzają potężną nową dynamikę: zdolność przekształcania. „Zasadniczo możemy wybrać dowolne właściwości mechaniczne” – mówi Santangelo. „Zmieniając strukturę, możesz mieć coś bardzo miękkiego lub bardzo twardego. Lub zaczyna być bardzo miękki i staje się twardy. „

Snapologia

Stosując podejście blokowe, Johannes Overvelde z AMOLF, instytutu badawczego w Holandii, Katia Bertoldi z Harvardu i inni, opracowali inny sposób osiągania złożonych struktur. Zestawiając identyczne trójwymiarowe struktury w kształcie sześcianu, naukowcy mogą zbudować większą strukturę, która poprzez składanie przekształca się w różne kształty i konfiguracje.

W tej modułowej strategii, nazwanej snapologią, właściwości każdego bloku konstrukcyjnego mogą zasadniczo przenieść się do całej struktury. „Jeśli zaczniesz od wszystkich sztywnych komórek elementarnych, twój metamateriał również stanie się sztywny”, mówi Overvelde. „Jeśli komórki jednostkowe są bardziej składalne, potencjalnie metamateriał jest bardziej składalny i bardziej konfigurowalny.”

Na przykładowym przykładzie, on i jego koledzy wykorzystali snapologię do zbudowania sieci plastikowych rur, które przekazują fale dźwiękowe. Mogą rekonfigurować konstrukcję ręcznie lub za pomocą ciśnienia powietrza, zmieniając i kontrolując sposób poruszania się dźwięku. Któregoś dnia, jak mówi Overvelde, falowód akustyczny, taki jak ten, może być osadzony w suficie pokoju lub sali koncertowej, zmieniając się, by tłumić hałas lub zmieniać kierunek dźwięku.

Ale to tylko jeden projekt. Możliwości, jak mówi, są prawie nieskończone. Naukowcy opracowali systematyczną strategię tworzenia dziesiątek tysięcy rekonfigurowalnych kształtów i struktur opartych na snapologii. Zasadniczo inżynier może przeszukiwać tę bazę danych, szukając projektów z właściwymi właściwościami wymaganymi dla konkretnej aplikacji.

Na razie jednak Overvelde właśnie odkrył, co jest możliwe w różnych geometriach i projektach, co sprawia, że ​​prototypy powstają z kartonu. Ale jeśli trójwymiarowe struktury, które sobie wyobraża, będą użyteczne, inżynierowie będą musieli wytwarzać je z bardziej wytrzymałych materiałów – prawdopodobnie w różnych skalach wielkości – co nie jest banalne. Jednym z rozwiązań jest drukowanie 3D, ale technologia nie jest jeszcze na tabaczkę.

W tym przypadku zaletą jest składanie struktur 3D z arkuszy 2D, takich jak Miura-ori. W końcu siła origami polega na tym, że łatwiej jest spasować strukturę, niż zbudować ją od podstaw, co jest generalnie sposobem, w jaki powstają konwencjonalne metamateriały. Od cięcia laserem po techniki litograficzne, które umożliwiają trawienie nanoskali na chipach, metody drukowania 2D są bardziej zaawansowane i szybsze niż drukowanie 3D. „Możemy wydrukować wszystko, co chcemy, naprawdę, w 2D”, mówi Erik Demaine, artysta origami i informatyk w MIT.

Uniwersalny algorytm

Co może jeszcze bardziej ułatwić oprogramowanie, które tworzy dla Ciebie projekty. Oprogramowanie takie jak TreeMaker, stworzone przez artystę origami i fizyka Roberta Langa lub Origamizer, autorstwa Tomohiro Tachi z Uniwersytetu w Tokio, może określić wzory zagięć dla różnych kształtów, pomagając artystom origami tworzyć coraz bardziej wyrafinowane projekty.

Chociaż oprogramowanie jest potężne, nie może przekształcić każdego kształtu w origami. Dlatego Tachi i Demaine postanowili opracować uniwersalny algorytm, który może znaleźć wzór zagięcia dla dowolnej powierzchni 3D. Po dziesięciu latach pracy odnieśli sukces i zaprezentowali swój algorytm w lipcu ubiegłego roku. Po zakodowaniu algorytmu do następnej wersji programu Origamizer można wprowadzić renderowanie 3D twarzy, linii horyzontu lub innej powierzchni, a oprogramowanie wypisze odpowiedni wzór zagięcia.

 

A post shared by Alberto Camara (@camarasketch) on

Nawet algorytm ma swoje ograniczenia. Zakłada, że ​​masz nieskończenie cienki arkusz materiału. Papier jest cienki, ale nie tak cienki, więc dostosowanie się do prawdziwego origami może być trochę trudne. Algorytm jest zoptymalizowany w celu uzyskania zestawu zakładek, które najbardziej efektywnie wykorzystują arkusz papieru. Ale w przypadku metamateriałów niekoniecznie jest to, czego chcesz.

„Origamizer polega na złożeniu materiału w odpowiedni kształt” – mówi Demaine. „Ale w rzeczywistości, a szczególnie w metamateriałach, dbasz również o właściwości strukturalne.” Nowy algorytm nie pozwala jeszcze na tworzenie projektów opartych na właściwościach strukturalnych, ale przyszłe inkarnacje mogą, jak mówi. Mimo to, nowy i ulepszony Origamizer stanowi znaczące osiągnięcie i może pomóc w projektowaniu metamateriałów.

Niesamowity, samoczynnie składający się mikrobot

Ale design to dopiero początek. Klucz do origami jest oczywiście złożony. Głównym celem wśród badaczy jest opracowanie sposobu na złożenie struktur samodzielnie. Przełączalne i rekonfigurowalne metamateriały nie będą zbyt użyteczne, jeśli będziesz musiał je składać ręcznie – i będą prawie niemożliwe do wykonania, jeśli będą wymagały mikroskopijnych fałd.

Większość strategii wykorzystuje na przykład materiały, które kurczą się lub rozszerzają w różnym tempie w odpowiedzi na ciepło. Jeśli połączysz te materiały ze sobą i nałożysz ciepło, tylko jeden z nich się skurczy, zmuszając cały klocek do spięcia. Projektując swój klocek do zapięcia tylko wzdłuż wyznaczonych zagięć, możesz go złożyć do dowolnego pożądanego wzoru.

Znalezienie odpowiednich kurczących się lub rozszerzających się materiałów nie jest jednak łatwe. Badacze tacy jak Santangelo eksperymentowali na przykład z hydrożelami, które pęcznieją w wodzie.

„Problem z hydrożelami polega na tym, że są one bardzo powolne i słabe” – mówi. „Są świetne do udowodnienia dowodów na zasadę – nie tak wspaniała, kiedy trzeba wykonywać rzeczywistą pracę fizyczną.”

Ale teraz Cohen myśli, że ma odpowiedź. Współpracując z Markiem Miskinem z firmy Cornell, Cohen znalazł sposób na uzyskanie mocnych, sztywnych paneli, aby spasować w mniej niż sekundę. Struktury te są również niewielkie – mniej więcej wielkości komórki biologicznej – dzięki czemu są potencjalnie przydatne w medycynie: wyobraź sobie, że wysyłają maleńkie, samozwijające się roboty do organizmu, aby zaatakować wirusa lub nowotwór.

„To pierwsza prawdziwa platforma dla tego rodzaju nanotechnologii, jaką widzisz w science fiction” – mówi Miskin.

Panele wyginają się wzdłuż zawiasów o grubości zaledwie dwóch nanometrów, które są wykonane ze szkła przyklejonego do jednego arkusza grafenu, cienkiej warstwy węgla, która jest sztywna, a na skali atomowej mocniejsza niż diament. Aby go spasować, naukowcy zanurzają materiał w kąpieli chemicznej i zwiększają jej kwasowość. Wyższa kwasowość powoduje powstawanie większych jonów w celu zastąpienia mniejszych w szkle, co zmusza szkło do rozszerzania – i zginania arkusza. Bardziej podstawowe rozwiązanie odwraca proces.

Ponownie dużym wyzwaniem dla samo-składającego się urządzenia jest to, że pasuje on bezproblemowo do obecnej technologii litograficznej i półprzewodnikowej 2D, dzięki czemu produkcja jest łatwiejsza, mówi Cohen. Fakt, że urządzenia te składają się, oznacza także, że można je zgnieść w kompaktowe miejsca. Samo-składane działanie może nawet wykonywać fizyczną pracę, taką jak napęd przez ciało lub wywieranie siły na komórkę.

Naukowcy zbudowali prototyp, który składa się w czworościan o szerokości 15 mikronów, zaledwie trzykrotnie większy niż krwinka czerwona. Dowodem na to, że zbudowali małe helisy, kostki, jednostkę Miura-ori i książkę, która się zamyka.

„W efekcie powstaje pusta tablica, w której można teraz projektować prawdziwe maszyny” – mówi Cohen. „Teraz pytanie brzmi: co powinieneś tam umieścić, aby stworzyć maszynę, której chcesz.”

Przyszłe roboty, jak mówi, mogą mierzyć właściwości komórek, wchodzić z nimi w interakcje lub wywoływać odpowiedzi komórkowe. Ponieważ grafen przewodzi prąd elektryczny, można podłączyć czujniki elektroniczne lub inne elementy. Na przykład naukowcy badają, jak włączyć czujniki światła, które mogą być użyteczne w badaniach biomedycznych. Ponieważ ich samozwijające się urządzenia są wrażliwe na jony, przewidują również użycie ich do mierzenia stężenia jonów w ciele – a robiąc to, może nawet mierzą kiedy neurony strzelają do mózgu.

Materiał czy maszyna?


Rzeczywiście, integrowanie urządzeń w samozwijające się struktury mogą być materiałami przyszłości. Overvelde na przykład próbuje teraz osadzić czujniki w swoich rekonfigurowalnych strukturach 3D. Ma nadzieję zaprojektować inteligentne metamateriały, które wyczuwają swoje otoczenie i rekonfigurują się w odpowiedzi – rodzaj emergentnego zachowania, podobnego do uciekających ptaków lub szkółek ryb. Ponieważ odpowiedź nie zależy od centralnego komputera lub urządzenia, struktura będzie nadal działać, nawet jeśli zostanie podzielona na pół.

Tego rodzaju technologia może przywodzić na myśl T-1000, zmieniający kształt zabójcę robota z filmu Terminator 2 lub zieloną plamę z Flubber. „W tej chwili jest to ewidentnie science fiction” – mówi Martin van Hecke z AMOLF. Ale kiedyś otrzymując darmowa kasa, kasyno również brzmiało jak science fiction. Ale ponieważ urządzenia stają się bardziej zintegrowane z materiałami, granica między nimi będzie się zacierała. „Jeśli naprawdę myślisz o tym, co będziemy robić od 50 lat, spodziewałbym się, że niektóre urządzenia nie będą nawet rozpoznawane jako urządzenia. Mogą wyglądać jak kawałek Jell-O lub obojętnego plastiku, i wpadną w coś zupełnie innego. Nie widzę fizycznego powodu, dla którego to niemożliwe. „

Jak pokazują współczesne struktury inspirowane origami, istnieje mniejsze rozróżnienie między materiałem a maszyną. „Dla mnie osobiście jest to ekscytująca rzecz, ponieważ oznacza koncepcyjnie inny typ obiektu” – mówi.

To połączenie materiału i maszyny może nawet zawierać samowznoszące się roboty Cohena. Wyobraża sobie, że łączy je ze sobą, tworząc połączony rój, który zachowuje się bardziej jak materiał, porównywalny do mikrobotów w filmie „Wielka Szóstka”.

Jednak od teraz ich technologia i inny zainspirowany origami metamateriałowy robot-ukośnik to tylko ważna zasada dowodowa, mówi Cohen.

„Reszta to nasza wizja” – mówi. „Szansa, że ​​to wszystko się spełni, wynosi zero. Szanse, że niektóre się spełnią lub przynajmniej zainspirują coś, co się spełnia, są dość wysokie.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *