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怎样才能把一张纸变成一张人脸呢?这张纸要怎么变大变小才能形成凹眼、凸鼻和凸下巴呢?

哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和哈佛大学威斯生物工程学院(Wyss Institute of biological Inspired Engineering)领导的研究中心,研究如何在可变形的结构中编码和释放复杂的曲线。

在过去的十年里,理论家和实验主义者在大自然中找到了灵感,他们试图揭开物理学的面纱,建立数学框架,开发材料和3D、4d打印技术,制造出可以根据外界刺激改变形状的结构。

然而,复杂的多尺度曲率仍然遥不可及。

现在,研究人员已经创造出迄今为止最复杂的可变形结构——由多种材料组成的晶格,这些材料可以随温度的变化而伸缩。为了证明他们的技术,研究小组印制了平面晶格,这些晶格可以变形为频移天线,或者是先驱数学家卡尔·弗里德里希·高斯的脸。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

“形式既能实现功能,也能限制功能,”哈佛大学(Harvard)应用数学教授、物理学教授、生物和进化生物学教授L马哈德文(L Mahadevan)说。“利用数学和计算来设计形状,并结合多尺度几何和多材料打印来实现它,我们现在能够构建具有一系列功能潜力的可变形结构。”

“我们一起创造了可变形物质的新种类,”哈佛大学(Harvard)生物启发工程学教授珍妮弗·a·刘易斯(Jennifer A. Lewis)说。“使用集成的设计和制造方法,我们可以在这些印刷材料中编码复杂的‘指令集’,驱动它们的变形行为。”刘易斯也是威斯研究所的核心成员。

为了创造复杂的双弯曲形状——比如在脸上发现的形状——研究小组采用了双层的多材料栅格设计。

“弯曲晶格的开放细胞使它能够大量生长或收缩,即使材料本身经历有限的扩展,”共同第一作者维姆·m·范里斯(Wim M. van Rees)说,他曾是SEAS的博士后研究员,现在是麻省理工学院的助理教授。

要得到复杂的曲线,仅仅增长和收缩晶格是不够的。你需要能够引导本地的增长。

“这就是我们开发的材料调色板的用料,”海洋研究所的前博士后j·威廉·波利(J. William Boley)说。“透过在预先设定的结构中印制具有不同热膨胀特性的材料,我们可以控制晶格每一根肋的生长和收缩,从而导致印刷晶格在平面内外发生复杂的弯曲。”波利现在是波士顿大学的助理教授。

研究人员使用了四种不同的材料,并对栅格的每一根肋进行了编程,以根据温度的变化改变形状。利用这种方法,他们印刷了一种可以改变形状的贴片天线,它可以随着形状的改变改变谐振频率。

为了展示这种方法创造具有多尺度曲率的复杂表面的能力,研究人员决定打印一张人脸。他们选择了奠定微分几何基础的19世纪数学家卡尔•弗里德里希•高斯(Carl Friedrich Gauss)。他们从1840年绘制的高斯的2D肖像开始,使用开源的人工智能算法生成了3D表面。然后,他们在格子的不同层上设置了肋骨的生长和收缩程序,绘制高斯脸部的曲线。

这种逆设计方法和多材料4D打印方法可以扩展到其他stimuli响应材料,并用于创建可伸缩的、可逆的、具有空前复杂性的可变形结构。

“应用领域包括软电子、智能织物、组织工程、机器人技术等,”Boley说。

这项工作是由最近的进步,提出和解决几何反问题结合使用多种材料的4d打印技术。展望未来,我们希望这种塑造物质的多学科方法将被广泛采用,”Mahadevan说。

这项研究是由查尔斯·利森德雷洛、马克·霍伦斯坦、瑞恩·特鲁比和阿尔达·科提基安共同撰写的。它得到了国家科学基金会和德雷珀实验室的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/10/shape-shifting-structures-can-take-the-form-of-a-face-antenna/

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