Uusi tekniikka itserakentuvien rakenteiden tulostamiseen, taittamiseen ja käyttöönottoon voisi eräänä päivänä helpottaa kirurgien asettaa valtimoaiheita tai astronautit asentaa uusia, kevyitä avaruusympäristöjä.
Asiaan liittyvä sisältö
- Buckminster Fuller oli hyvä ideoissa, kauhea autosuunnittelussa
- Uusi-Seelanti lähetti 3D-painetun raketin avaruuteen
Suunnittelut perustuvat arkkitehtoniseen konseptiin nimeltä "tensegrity", termi, jonka Buckminster Fuller loi 1960-luvulla (joka myös patentoi ensimmäiset tensegrity-muodot vuonna 1962). Jännitys, tai "jännityksen eheys", rakenteet pitävät itsensä kunnossa jäykien tukien avulla, joita pidetään paikoillaan toisiinsa kytkettyjen korkeajännitekaapeleiden avulla. Kurilpan silta Brisbanessa, Australiassa ja uusi radioantennitorni, jota rakennetaan Santiagon huipulle, Chilen Metropolitan Park -mäki ovat kaksi tyypillistä esimerkkiä jännitysrakenteista.
Vaikka ne ovatkin erittäin vahvoja, ne ovat painavia, koska ne on rakennettu metallisilla tukilla ja kaapeleilla. Georgia Tech -insinöörit Glaucio Paulino ja Jerry Qi halusivat soveltaa samoja jännitysetuja kohteisiin, joita voitaisiin käyttää enemmän kuin vain siltoihin ja antenneihin, kuten avaruusympäristöihin tai sydämen stentteihin.
Paulino ja Qi suunnittelivat menetelmän 3D-tulostettavien, kevyiden, taitettavien versioiden luomiseksi näistä malleista muovimaisesta materiaalista valmistetuilla putkilla, joita kutsutaan muodomuistopolymeeriksi, yhdistettynä painettuihin joustaviin jänteisiin.
Kuumentamalla putkia tukijalkamateriaali ohjelmoidaan ”muistamaan” avoimen kokoonpanon. Sen jälkeen se voidaan tasoittaa ja taittaa ylös, ja kun koko malli on altistettu uudelleen kuumuudelle, koko paketti taittuu hitaasti lopulliseen, avoimeen kokoonpanoonsa - ilman moottoria.
Paulino ja Qi havaitsivat myös, että ohjelmoimalla malliensa eri osat avautumaan vaihtelevissa lämpötiloissa, niiden mallit voisivat purkaa itsensä vaiheittain estääksesi kaapeleita takertumasta.
Koska koko malli voidaan hajottaa pakkaukseksi, joka on olennaisesti kokonaan koottu, se vie paljon vähemmän tilaa kuin perinteiset jännitysmuodot.
"Jos vertaa kireästi suunniteltuja malleja muun tyyppisiin rakenteisiin, ne ovat erittäin kevyitä ja erittäin vahvoja", Paulino sanoo. "Tämän järjestelmän kauneus on, että siellä on ylimääräinen vapausaste, joka antaa jännitysmuodolle muodonmuutoksen, muodon muuttamisen, dramaattisen muodonmuutoksen ja tukee kaikenlaista kuormitusta mihin tahansa suuntaan."
Paulinon ja Qin laboratoriomallit ovat lapsen pöydälle suunnatun lelun kokoisia, neljästä viiteen tuumaa sivussa, ja näyttävät siltä, että hyvin järjestäytynyt tikkujen pino on paikoillaan kireällä siimalla. Täysin taitettuna tuet ovat kovat ja jäykät, kun taas joustavat vaijerit ovat pehmeämpiä ja joustavampia. Kun mallit on kokonaan koottu, niillä on jotain antaa - jos puristat niitä, muoto vääristyy. Mutta ne napsahtavat takaisin takaisin muotoonsa, kun ne vapautetaan.
Ryhmä käytti kuumaa vesihaudetta osoittaakseen, kuinka korkeassa lämpötilassa tapahtuva purkamisprosessi toimii, mutta jopa työkalu, kuten lämpöpistooli tai hiustenkuivaaja, tekisi tempun. Sen on oltava vain johdonmukaista - mikä voi nykyisessä kehitysvaiheessa olla ongelmallista, Paulino sanoo. Tärinän hallinta on ollut haaste myös muun tyyppisissä jännitysmalleissa.
Paulino ja Qi päättivät käyttää yksinkertaisia malleja laboratoriotestauksen helpottamiseksi, mutta Paulino sanoo, että suunnittelun eturintamalle ei ole mitään rajaa.
Heidän ajatuksensa on, että polymeerien kireysrakenteet voidaan skaalata ja tehdä paljon monimutkaisemmiksi, kuten avaruusrakenteisiin tai alaspäin, jonkin kokoiseksi, mikä mahtuu ihmiskehoon. Kuvittele stentti, joka voitaisiin asettaa valtimoon, Paulino sanoo, joka asentaa itsensä paikalleen. Tai jos avaruuteen sidotut rakenteet valmistettaisiin samanmuotoisista muistipolymeereistä, niiden paino olisi myös paljon pienempi kuin vastaavanlaisesta metallista valmistetun rakenteen, mikä mahdollistaisi halvemmat esiasennettujen kehysten laukaisut, joita voitaisiin käyttää laboratoriossa tai asuintiloissa tilaa.
Ne ovat tässä vaiheessa vielä vain käsitteitä, vaikka hän lisäsi, että hänellä on ollut jonkin verran kiinnostusta lääketieteellisiltä kollegoiltaan, ja että NASA on jo tutkinut kireyttä lähestymistapana tuleville avaruusoperaatioille.
Robert Skelton, joka on vuosikymmenien ajan tutkinut meri- ja avaruussovellusten jännitystä Texas A&M -yliopistossa, sanoo, että Paulinon ja Qin teoksella on hyötysuhde muun tyyppisiin kireyteen.
"Mukava etu Paulinon ja Qin työstä on pieni määrä energiaa, joka tarvitaan [tuen] jäykistämiseen", Skelton kirjoitti sähköpostitse. Skelton lisäsi, että samanlainen periaate on toiminnassa, kun vedät metallisen mittanauhan: se on esijännittynyt olemaan hieman kaareva, kun se on vedetty, mutta tasainen rullattuinaan. Esijännitetyt rakenneosat ovat olleet tärkeä lähestymistapa avaruusrakentamisessa, kuten esimerkiksi Hubble-avaruusteleskoopilla, jonka aurinkopaneeleissa käytettiin sellaisia esijännitettyjä metallinauhoja, jotka ovat jäykät täysin avattuinaan.
"[Muistomuodon kireysrakenteiden] vaikutus on yhtä laaja, monenlaisilla sovelluksilla, maan päällä ja avaruudessa", Skelton lisäsi.
Joten seuraava asia, jonka Paulino sanoo ryhtyvänsä Qin kanssa käsittelemään, on ajata heidän konseptinsa mittakaavassa - ylös ja alas. Koska tarvitaan vain 3D-tulostin ja oikea materiaali, se voidaan tehdä mistä tahansa, kun tekniikka on parannettu.
"Kesti jonkin aikaa saavuttaa tämä taso, mutta mielestämme meillä on hyvä lähtökohta seuraaville vaiheille", Paulino sanoo. “Olemme siitä erittäin innoissamme. Emme varmasti tiedä kaikkea mitä on vielä tehtävä, mutta olemme vakuuttuneita siitä, että meillä on kyky edistyä idean hyvässä edistymisessä. "
