Μια νέα τεχνική για την εκτύπωση, την αναδίπλωση και την ανάπτυξη δομών αυτο-οικοδόμησης θα μπορούσε κάποτε να διευκολύνει τους χειρούργους να τοποθετήσουν αρτηριακά stents ή αστροναύτες για να εγκαταστήσουν νέους, ελαφριούς διαστημικούς οικότοπους.
σχετικό περιεχόμενο
- Ο Buckminster Fuller ήταν καλός στις ιδέες, φοβερός στο σχεδιασμό αυτοκινήτων
- Η Νέα Ζηλανδία έστειλε ένα 3D-Printed Rocket to Space
Τα σχέδια βασίζονται σε μια αρχιτεκτονική έννοια που ονομάζεται "tensegrity", ένας όρος που επινοήθηκε από τον Buckminster Fuller στη δεκαετία του 1960 (ο οποίος επίσης κατοχύρωσε τα πρώτα σχήματα Tensegrity το 1962). Οι δομές Tensegrity, ή "τάσεις ακεραιότητας", διατηρούνται σε σχήμα μέσω άκαμπτων αντηρίδων που συγκρατούνται στη θέση τους με διασυνδεδεμένα καλώδια υψηλής τάσης. Η γέφυρα Kurilpa στο Μπρίσμπεϊν της Αυστραλίας και ένας νέος πύργος κεραίας ραδιοφώνου που κατασκευάστηκε στην κορυφή του Σαντιάγκο, ο λόφος Metropolitan Park της Χιλής είναι δύο τυπικά παραδείγματα δομών tensegrity.
Αν και είναι πολύ ισχυροί, είναι βαρύι, καθώς κατασκευάζονται με μεταλλικές δοκοί και καλώδια. Οι μηχανικοί της Georgia Tech Glaucio Paulino και Jerry Qi ήθελαν να εφαρμόσουν τα ίδια πλεονεκτήματα εντάσεως σε αντικείμενα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για περισσότερα από απλά γέφυρες και κεραίες, όπως διαστημικούς οικότοπους ή καρδιακές ενδοπροθέσεις.
Ο Paulino και ο Qi επινόησαν μια μέθοδο για να δημιουργήσουν 3D εκτυπώσιμες, ελαφρές, πτυσσόμενες εκδόσεις αυτών των σχεδίων, με σωλήνες κατασκευασμένους από πλαστικό υλικό που ονομάζεται πολυμερές μνήμης σχήματος συνδεδεμένο με τυπωμένους ελαστικούς τένοντες.
Με τη θέρμανση των σωλήνων, το υλικό στηρίγματος γίνεται προγραμματισμένο να "θυμάται" την ανοιχτή διαμόρφωση. Στη συνέχεια, μπορεί να πεπλατυσθεί και να διπλωθεί, και όταν ολόκληρο το σχέδιο εκτίθεται εκ νέου στη θερμότητα, ολόκληρη η συσκευασία ξεδιπλώνεται αργά στην τελική, ανοιχτή διαμόρφωσή της - χωρίς κινητήρες που εμπλέκονται.
Ο Paulino και ο Qi επίσης διαπίστωσαν ότι προγραμματίζοντας διαφορετικά μέρη των σχεδίων τους για να ξεδιπλώσουν σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τα σχέδιά τους θα μπορούσαν να αποσυσκευάζονται σταδιακά για να αποτρέψουν τα καλώδια από το να μπερδέψουν.
Επειδή ολόκληρο το σχέδιο μπορεί να καταρρεύσει σε μια συσκευασία που είναι ουσιαστικά πλήρως συναρμολογημένη, καταλαμβάνει πολύ λιγότερο χώρο από τα συμβατικά σχέδια tensegrity.
"Αν συγκρίνετε τα σχέδια tensegrity με οποιοδήποτε άλλο τύπο δομής, είναι εξαιρετικά ελαφριά και πολύ ισχυρή", λέει ο Paulino. "Η ομορφιά αυτού του συστήματος είναι ότι υπάρχει ένας επιπλέον βαθμός ελευθερίας που επιτρέπει στην τενονσυχία να παραμορφώνεται, να αλλάζει σχήμα, να έχει δραματική αλλαγή σχήματος και να υποστηρίζει κάθε είδους φόρτωση σε οποιαδήποτε κατεύθυνση".
Τα μοντέλα εργαστηρίων του Paulino και Qi είναι το μέγεθος ενός επιτραπέζιου παιχνιδιού ενός παιδιού, με τέσσερις έως πέντε ίντσες απέναντι, και δεν μοιάζουν με τίποτα τόσο όσο μια καλά οργανωμένη στοίβα ραβδιών κρατιέται στη θέση του με τεντωμένη γραμμή αλιείας. Όταν είναι πλήρως ξετυλιγμένα, τα στηρίγματα είναι σκληρά και άκαμπτα, ενώ τα ελαστικά καλώδια είναι μαλακά και πιο εύκαμπτα. Τα σχέδια, όταν είναι πλήρως συναρμολογημένα, έχουν κάποια δόση - αν τα συμπιεστεί, το σχήμα θα παραμορφωθεί. Αλλά θα χαλαρώσουν αμέσως στο σχήμα όταν απελευθερωθούν.
Η ομάδα χρησιμοποίησε λουτρά ζεστού νερού για να δείξει πώς λειτουργεί η διαδικασία αποσυσκευασίας σε υψηλή θερμοκρασία, αλλά ακόμη και ένα εργαλείο όπως ένα πυροβόλο όπλο ή ένα πιστολάκι θα έκανε το τέχνασμα. Απλώς πρέπει να είναι συνεπής - η οποία, στο σημερινό στάδιο ανάπτυξης, μπορεί να είναι προβληματική, λέει ο Paulino. Ο έλεγχος των κραδασμών υπήρξε επίσης μια πρόκληση και σε άλλους τύπους σχεδίων tensegrity.
Ο Paulino και ο Qi επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν απλά σχέδια για την ευκολία των εργαστηριακών δοκιμών, αλλά ο Paulino λέει ότι δεν υπάρχει όριο σε αυτό που θα μπορούσε να γίνει στο μέτωπο του σχεδίου.
Η ιδέα τους είναι ότι οι δομές πολυμερούς τενονσυγκρότητας μπορούν να κλιμακωθούν και να γίνουν πολύ πιο περίπλοκες, όπως για τις διαστημικές δομές, ή προς τα κάτω, στο μέγεθος κάτι που θα μπορούσε να χωρέσει στο ανθρώπινο σώμα. Φανταστείτε ένα stent που θα μπορούσε να εισαχθεί σε μια αρτηρία, λέει ο Paulino, ο οποίος αυτο-αναπτύσσεται μια φορά στη θέση του. Ή αν κατασκευαζόταν δομές που είχαν σχέση με το διάστημα, είχαν παρόμοια πολυμερή μνήμης σχήματος, θα ζυγούσαν επίσης πολύ λιγότερο από μια παρόμοια δομή από μέταλλο, επιτρέποντας φθηνότερες εκτοξεύσεις προ-συναρμολογημένων πλαισίων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για χώρους εργαστηρίου ή διαβίωσης χώρος.
Αυτά εξακολουθούν να είναι μόνο έννοιες σε αυτό το σημείο, αν και πρόσθεσε ότι είχε κάποιο ενδιαφέρον από τους ιατρικούς συναδέλφους και ότι η NASA έχει ήδη διερευνήσει την τενσγυρίτιδα ως προσέγγιση για τις μελλοντικές διαστημικές αποστολές.
Ο Robert Skelton, ο οποίος έχει ερευνήσει για δεκαετίες τις εφαρμογές του Tensegrity για τις ωκεανικές και διαστημικές εφαρμογές στο Πανεπιστήμιο του Texas A & M, λέει ότι το έργο του Paulino και του Qi έχει ένα πλεονέκτημα αποτελεσματικότητας σε σχέση με άλλους τύπους σχεδίων tensegrity.
"Ένα ωραίο πλεονέκτημα του έργου του Paulino και του Qi είναι η μικρή ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να σκληρύνει τα στύλλα, " έγραψε ο Skelton μέσω ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Ο Skelton πρόσθεσε ότι μια παρόμοια αρχή είναι σε δράση όταν βγάζετε ένα μέτρο μεμβράνης: είναι προεντεταμένο να είναι ελαφρώς καμπυλωμένο όταν τραβιέται έξω, αλλά επίπεδη ενώ τυλίγεται. Τα προκαταρκτικά δομικά στοιχεία αποτελούν σημαντική προσέγγιση για τη διαστημική κατασκευή, όπως στο διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, των οποίων οι ηλιακές συστοιχίες αναπτύχθηκαν με τέτοιες μεταλλικές λωρίδες προεντεταμένες, οι οποίες είναι άκαμπτες μόλις ανοίξουν πλήρως.
"Ο αντίκτυπος [των δομών tensegrity μνήμης σχήματος] θα είναι εξίσου ευρύς, με μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, στη γη και στο διάστημα", πρόσθεσε ο Skelton.
Έτσι, το επόμενο πράγμα που ο Paulino λέει ότι ο ίδιος και ο Qi θα αντιμετωπίσει παίρνει την ιδέα τους σε κλίμακα-up και down. Και επειδή το μόνο που χρειάζεται είναι ένας εκτυπωτής 3-D και το σωστό υλικό, θα μπορούσε να γίνει από οπουδήποτε και αν τελειοποιηθεί η τεχνική.
"Χρειάστηκε λίγος χρόνος για να φτάσουμε σε αυτό το επίπεδο, αλλά πιστεύουμε ότι έχουμε ένα καλό σημείο εκκίνησης για τα επόμενα βήματα", λέει ο Paulino. "Είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι γι 'αυτό. Σίγουρα δεν γνωρίζουμε τα πάντα που πρέπει ακόμα να γίνουν, αλλά έχουμε την πεποίθηση ότι έχουμε την ικανότητα να σημειώσουμε καλή πρόοδο στην ιδέα ".
