工程师3D打印带有“嵌入式逻辑”的智能物体

工程师3D打印带有“嵌入式逻辑”的智能物体

即使没有大脑或神经系统，捕蝇草似乎也会做出复杂的决定，比如什么时候该突然关闭潜在的猎物，以及什么时候该意外地捕捉到它不能吃的东西时再打开。宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员从这类系统中获得了灵感。他们使用刺激反应材料和几何原理，设计了具有“具体逻辑”的结构。仅仅通过它们的物理和化学组成，它们就能够确定对环境做出的多种可能反应中的哪一种。

尽管没有任何类型的发动机、电池、电路或处理器，它们可以根据预先确定的环境信号(如湿度或油基化学品)在多种配置之间进行切换。利用多材料3D打印机，研究人员可以用嵌套的if/then逻辑门制作这些主动结构，并可以控制每个门的定时，允许复杂的机械行为对环境的简单变化作出反应。例如，利用这些原则，可以设计一种水环境污染监测装置，只在有油基化学品存在和温度超过某一阈值时才能打开和收集样品。

这项研究由宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系助理教授乔丹·拉尼(Jordan Raney)和他的实验室博士后研究员江一杰(Yijie Jiang)领导。拉尼实验室的研究生露西娅·科尔帕斯(Lucia Korpas)也参与了这项研究。

Raney的实验室对双稳态结构感兴趣，这意味着它们可以无限期地保持两种构型中的一种。它还对反应性材料感兴趣，这种材料可以在正确的情况下改变形状。这些能力并不是内在地相互关联，而是“内在逻辑”同时利用了这两种能力。“双稳定性是由几何形状决定的，而响应性则是由材料的化学性质决定的，”Raney说。“我们的方法是使用多材料3D打印来跨越这些不同的领域，这样我们就可以利用材料的响应能力以正确的方式改变我们结构的几何参数。”

在之前的工作中，Raney和他的同事演示了如何3D打印倾斜硅胶光束的双稳态晶格。当挤压在一起，梁保持锁定在一个扣的配置，但可以很容易地拉回他们的扩大形式。这种双稳态行为几乎完全取决于光束的角度以及光束的宽度和长度之比。压缩晶格可以在材料中储存弹性能量。如果我们能控制地利用环境来改变梁的几何形状，结构将不再是双稳态的，必然会释放其储存的应变能。你会有一个驱动器，不需要电子来决定是否和何时应该发生驱动器。

形状变化的材料很常见，但要对其变形进行细粒度控制则比较困难。例如，许多物质吸收水分并膨胀，但它们向各个方向膨胀。这对我们没有帮助，因为这意味着光束的宽度和长度的比值保持不变。“我们需要一种方法，将扩张限制在一个方向。”

研究人员的解决方案是将玻璃或纤维素纤维注入他们的3d打印结构中，与光束的长度平行。和碳纤维一样，这种非弹性骨架阻止了梁的伸长，但允许纤维之间的空间扩大，增加了梁的宽度。有了这种几何控制，可以通过改变梁的材料来实现更复杂的形状变化响应。研究人员使用硅胶和水凝胶来制造活性结构，硅胶可以吸收油，水凝胶可以吸收水。热敏材料和光敏材料也可以被纳入，并可以设计对更具体的刺激作出反应的材料。

改变光束的起始长度/宽度比，以及硬纤维的浓度，使研究人员能够制造出具有不同灵敏度的驱动器。由于研究人员的3d打印技术允许在相同的打印中使用不同的材料，一个结构可以在不同的区域有多种形状变化反应，甚至排列成一个序列。“例如，”姜说，“我们通过设计一个盒子来展示顺序逻辑，这个盒子在接触到合适的溶剂后，可以在预定的时间内自动开启和关闭。”我们还设计了一个人工捕蝇器，只有在一个指定的时间间隔内施加机械载荷，捕蝇器才能关闭，而一个盒子只有在有油和水的情况下才能打开。

这种嵌入的逻辑方法的化学和几何元素都是尺度无关的，这意味着这些原则也可以被微观结构利用。“这可能对微流体的应用很有用，”Raney说。“例如，我们可以设计一种能够在检测到某种污染物时自动关闭的闸门，而不是使用固态传感器和微处理器来不断读取流入微流控芯片的信息。”

其他潜在的应用可能包括传感器在遥远、恶劣的环境中，如沙漠、山脉，甚至其他星球。如果不需要电池或电脑，这些嵌入式逻辑传感器可以在没有人机交互的情况下休眠多年，只有在适当的环境提示下才会启动。