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靈活機器人和超材料設計的新方法模仿自然,鼓勵可持續性
2022年03月10日    閱讀量:24312    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

一項新的研究通過利用計算機算法的力量,挑戰了設計軟機器人和一類稱為超材料的材料的傳統方法。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和丹麥技術大學的研究人員現在可以在不依賴人類直覺或試錯的情況下構建多材料結構,以生產模仿自然界設計的高效執行器和能量吸收器。


這項由伊利諾伊州土木與環境工程教授張雪莉領導的研究使用了優化理論和一種稱為拓撲優化的基于算法的設計過程中國建材網cnprofit.com。也稱為數字合成,設計過程構建復合結構,可以精確地實現復雜的規定機械響應。


研究結果發表在《美國國家科學院院刊》上。


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“軟機器人和超材料所需的復雜機械響應需要使用多種材料——但建造這些類型的結構可能是一個挑戰,”張說?!坝泻芏嗖牧峡晒┻x擇,確定材料的最佳組合以適應特定功能為研究人員提供了海量的數據來處理?!?/p>


張的團隊著眼于設計具有快速硬化、大規模變形屈曲、多相穩定性和持久力平臺等規定特性的宏觀結構。


新的數字合成過程生成具有最佳幾何特征的結構,這些結構由用于規定功能的最佳材料組成。


研究人員最終得到了由兩種不同的聚二甲基硅氧烷或 PDMS 彈性體制成的模型設備,其基本幾何形狀看起來非常像青蛙的腿 - 或三只青蛙的家庭,每只青蛙都有不同的幾何形狀,在各種情況下使用兩種 PDMS 彈性體功能非常類似于生物肌肉和骨骼的排列。


“我們發現的東西與生物學和進化自然創造的東西非常吻合,這是非常了不起的,”張說?!袄?,當我們要求算法開發一種具有更快僵硬響應的設備時,它會在我們的機械青蛙上以更大的'肌肉'做出響應,就像它在自然界中可能發生的那樣?!?/p>


張說,這項工作的總體優勢在于其可持續性特征。


“我們設計了可重復使用和完全可回收的能量消散器,這與當今對對環境有益的可持續設備的需求保持一致。這些不是一次性設備。我們使用純彈性材料設計它們,允許我們多次重復使用它們,“ 她說。


研究人員表示,他們的數字合成技術將增加可編程超材料的范圍,這些超材料可以處理復雜的、以前不可能的機械響應,特別是在軟機器人和生物醫學設備領域。


美國國家科學基金會和 Villum 基金會支持這項研究。


張還隸屬于伊利諾伊州的機械科學與工程專業。


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