拓撲優化和3D打印多材料磁力執行器和顯示器

在材料科學和應用物理學領域，研究人員期望驅動系統的性能類似于自然現象。作為一個經典的例子，科學家提議對仿照墨魚偽裝的生物啟發性材料進行工程設計，盡管對這種高度集成的系統進行工程設計可能會面臨挑戰，因為生成高尺寸建筑設計和與其制造過程相關的多功能材料的綜合復雜性。在有關科學進步的最新報告中，Subramanian Sundaram及其美國和法國計算機科學，人工智能和電氣工程系的同事向工程師展示了有關多目標拓撲優化和多材料按需滴印(3-D)打印的完整協議復雜的執行器。

致動器包含與響應于磁場的磁性納米顆粒/聚合物復合材料偶聯的軟性和剛性聚合物。拓撲優化器可以為各個體素分配材料，以增強高分辨率的物理外觀。當他們將拓撲優化設計策略與多材料制造過程統一起來時，Sundaram等人。可以設計復雜的執行器，作為實現自動化和目標驅動制造的有希望的途徑。

現代機器人需要執行器，這些執行器必須在一個封裝內將多種功能集成在一起，以優化高度，功率效率，拓撲，尺寸和其他性能指標。這個想法奠定了提倡將傳感，驅動和計算與機器人材料緊密集成的研究建議的基礎。研究人員仍在爭論機器人是將是具有大腦的身體還是具有大腦的身體，因此仍然有待確定材料和機器之間的區別。使用機器人材料的新范例要求將機器人零件設計為具有多種功能，并針對天然生物針對多種目標進行優化。

材質庫。(A)使用分光光度計測得的厚度變化的薄膜通過MPC的透射率是波長的函數。(B)通過透明硬質材料的透射率，顯示為多種膜厚度的波長的函數。(C)在室溫下測得的MPC的磁化強度與施加的磁場的關系。磁性納米粒子約占MPC總重量的12%。ELA，MPC和剛性聚合物(RIG)的典型機械應力-應變曲線分別在(D)至(F)中顯示。聚合物在線性應變下的彈性模量，分別取三個樣品的平均值，即ELA(528 kPa)，MPC(507 MPa)和RIG(1290 MPa)差異很大。(G)示意圖顯示了基于基本鉸鏈的設計，面板長度為lp，厚度為tp。在這個設計中 面板被分成RIG和MPC的兩個相等部分。面板通過長度為lh，寬度為wh和厚度為th的ELA扭轉鉸鏈連接到兩側的剛性邊界上。在施加磁場時，面板的磁性部分會產生扭矩。在手動設計的樣本中將其用作基本塊。(H)2×2面板陣列的圖像，每個面板都有兩個旋轉軸。圖像的深褐色區域顯示MPC材料，而半透明部分顯示剛性材料。彈性扭轉鉸鏈在外觀上幾乎與剛性聚合物相同。在施加磁場時，每個面板都具有兩軸角度旋轉的獨特組合。平坦的印刷樣品的頂視圖顯示在左側。(照片提供：麻省理工學院的SS和DSK。)

復制受生物啟發的多功能系統所面臨的挑戰仍然在于致動系統的設計。在墨魚致動系統的經典示例中，同時控制物理偏斜和高分辨率外觀會導致有效的生物偽裝。由于創建高維設計空間以及用新材料和自由形式的幾何結構制造這些設計的復雜性，在實驗室中復制這種無縫集成的驅動非常麻煩。

在當前的致動系統示例中，材料科學家開發了具有數百萬個相同致動器的數字微鏡設備和具有微機電系統懸臂的“千足蟲”高密度數據存儲系統。針對功耗，低占地面積和過程可靠性進行優化的這些致動系統非常耗時，而不均勻的致動器陣列則在實驗室中帶來了額外的復雜性。作為一種有前途的選擇，拓撲優化技術可以在給定的設計空間中自動優化材料布局。