Нова техника за разпечатване, сгъване и разгръщане на самоизграждащи се структури може един ден да улесни много хирурзите да поставят артериални стентове или астронавтите да инсталират нови леки космически местообитания.
Свързано съдържание
- Бъкминстър Фулър беше добър в идеите, ужасен в дизайна на автомобили
- Нова Зеландия изпрати в космоса 3D-отпечатана ракета
Дизайнът се основава на архитектурна концепция, наречена "tensegrity", термин, измислен от Бъкминстър Фулер през 60-те години на миналия век (който също патентова първите форми на тенсегрити през 1962 г.). Tensegrity, или "степенна цялост", структурите се поддържат във форма чрез твърди подпори, държани на място с взаимосвързани кабели за високо напрежение. Мостът Курилпа в Бризбейн, Австралия, и нова кула на радио антената, която се изгражда на върха на Сантяго, хълма на Metropolitan Park в Чили, са два типични примера за напрегнати структури.
Въпреки че са много здрави, тежки, тъй като са конструирани с метални подпори и кабели. Инженерите от Джорджия Технологии Глаусио Паулино и Джери Ци искаха да приложат същите предимства в размер на обекти, които могат да се използват за повече от мостове и антени, като космически хабитати или сърдечни стентове.
Паулино и Ци създадоха метод за създаване на леки, сгъваеми версии на 3D за отпечатване на тези дизайни, с тръби, изработени от материал, подобен на пластмаса, наречен полимер за форма на памет, свързан с отпечатани еластични сухожилия.
С нагряването на тръбите материалът на подпорите става програмиран да „помни” отворената конфигурация. След това той може да бъде сплескан и сгънат и след като целият дизайн е отново изложен на топлина, целият пакет бавно се разгръща в окончателната си, отворена конфигурация - без включени двигатели.
Паулино и Ци откриха също, че програмирайки различни части от дизайна си, за да се разгръщат при различни температури, дизайните им могат да се разопаковат на етапи, за да не се заплитат кабелите.
Тъй като целият дизайн може да бъде разбит на пакет, който по същество е напълно сглобен, той заема много по-малко място от конвенционалните дизайни на tensegrity.
„Ако сравните дизайна на напрегнатостта с всеки друг тип структура, те са изключително леки и много здрави“, казва Паулино. „Красотата на тази система е, че има допълнителна степен на свобода, която позволява на напрежението да се деформира, да промени формата си, да промени драматично формата и да поддържа всякакъв тип зареждане във всяка посока.“
Лабораторните модели на Paulino и Qi са с размерите на детска играчка за настолни компютри, с размери от четири до пет инча отстрани и изглеждат като нищо толкова много, колкото високо организиран куп от пръчки, задържан на място от опъната въдица. Когато са напълно разгънати, подпорите са твърди и твърди, докато еластичните кабели са по-меки и гъвкави. Конструкциите, когато са напълно сглобени, имат известна даденост - ако ги стиснете, формата ще се деформира. Но те се връщат веднага във форма, когато бъдат освободени.
Екипът използва бани с гореща вода, за да демонстрира как работи процесът на разопаковане с висока температура, но дори инструмент като термо пистолет или сешоар би направил хитростта. Той просто трябва да бъде последователен - което на настоящия етап на развитие може да бъде проблематично, казва Паулино. Контролът на вибрациите също е предизвикателство при други видове проекти на напрегнатост.
Паулино и Ци избраха да използват прости дизайни за улесняване на лабораторните тестове, но Паулино казва, че няма ограничение за това, което може да се направи на фронта на дизайна.
Идеята им е, че полимерните напрегнати структури могат да бъдат увеличени и да бъдат много по-сложни, както за космическите структури, така и надолу, до размера на нещо, което би могло да се побере в човешкото тяло. Представете си стент, който може да бъде вкаран в артерия, казва Паулино, който се саморазгръща веднъж на място. Или ако структурите, свързани с пространството, трябва да бъдат направени от полимери с подобна форма на памет, те също биха тежили много по-малко от подобна структура, направена от метал, което позволява по-евтини изстрелвания на предварително сглобени рамки, които биха могли да се използват за лаборатория или жилищни помещения в пространство.
Това все още са само понятия в този момент, въпреки че той добави, че има известен интерес от медицинските колеги и че НАСА вече изследва напрегнатостта като подход за бъдещи космически мисии.
Робърт Скелтън, който от десетилетия изследва напрегнатостта на океанските и космическите приложения в Тексаския университет A&M, казва, че работата на Паулино и Ци има ефективност спрямо други видове проекти на напрегнатост.
„Хубаво предимство на работата на Паулино и Ци е малкото количество енергия, необходима за втвърдяване на [подпорите]“, написа Скелтън по електронната поща. Skelton добави, че подобен принцип е в действие, когато издърпате метална лента: предварително е напрегнат, за да бъде леко извит, когато е издърпан, но плосък, докато е навит. Предварително напрегнатите конструктивни елементи са важен подход за изграждането на космоса, като например на космическия телескоп Хъбъл, чиито слънчеви масиви са били разположени с такива предварително напрегнати метални ленти, които са твърди, след като са напълно отворени.
„Въздействието [на структурите на паметта на формата на паметта] ще бъде също толкова широко, с голямо разнообразие от приложения, върху земята и в космоса“, добави Скелтън.
Така че следващото нещо, което Паулино казва, че той и Ци ще се справят е да приемат концепцията си за мащабиране - нагоре и надолу. И тъй като всичко, което се изисква, е 3-D принтер и подходящ материал, той може да бъде направен от всяко място, след като техниката е усъвършенствана.
„Отне известно време, за да достигнем това ниво, но смятаме, че имаме добра отправна точка за следващите стъпки“, казва Паулино. „Много сме развълнувани от това. Със сигурност не знаем всичко, което все още трябва да се направи, но имаме увереност, че имаме способността да постигнем добър напредък по идеята. “
