Nowa technika drukowania, składania i rozmieszczania struktur samokonstrukcyjnych może pewnego dnia znacznie ułatwić chirurgom umieszczanie stentów tętniczych lub astronautom instalację nowych, lekkich siedlisk kosmicznych.
powiązana zawartość
- Buckminster Fuller był dobry w pomysłach, okropny w projektowaniu samochodów
- Nowa Zelandia wysłała rakietę z nadrukiem 3D w kosmos
Projekty oparte są na koncepcji architektonicznej zwanej „tensegrity”, która została ukuta przez Buckminstera Fullera w latach 60. XX wieku (który opatentował również pierwsze kształty tensegrity w 1962 r.). Konstrukcje Tensegrity, czyli „integralność wymiarowa”, utrzymują swój kształt za pomocą sztywnych rozpór utrzymywanych w miejscu za pomocą połączonych ze sobą kabli wysokiego napięcia. Most Kurilpa w Brisbane w Australii oraz nowa wieża anteny radiowej budowana na szczycie wzgórza Santiago w Chile, Metropolitan Park, to dwa typowe przykłady konstrukcji tensegrity.
Choć są bardzo mocne, są ciężkie, ponieważ są zbudowane z metalowych rozpór i kabli. Inżynierowie z Georgia Tech, Glaucio Paulino i Jerry Qi, chcieli zastosować te same zalety wymiarowe do obiektów, które mogłyby być wykorzystane do czegoś więcej niż tylko mostów i anten, takich jak siedliska kosmiczne lub stenty serca.
Paulino i Qi opracowali metodę tworzenia trójwymiarowych, lekkich, składanych wersji tych projektów, z rurkami wykonanymi z tworzywa sztucznego, zwanego polimerem z pamięcią kształtu, połączonego z drukowanymi elastycznymi ścięgnami.
Po podgrzaniu rur materiał rozpórki zostaje zaprogramowany do „zapamiętywania” konfiguracji otwartej. Następnie można go spłaszczyć i złożyć, a gdy cała konstrukcja zostanie ponownie wystawiona na działanie ciepła, cały pakiet powoli rozwija się do ostatecznej, otwartej konfiguracji - bez udziału silników.
Paulino i Qi odkryli również, że programując różne części swoich projektów do rozwijania się w różnych temperaturach, ich projekty mogą rozpakowywać się etapami, aby zapobiec plątaniu się kabli.
Ponieważ cały projekt można zmiażdżyć w paczce, która jest zasadniczo całkowicie zmontowana, zajmuje znacznie mniej miejsca niż konwencjonalne konstrukcje tensegrity.
„Jeśli porównasz projekty tensegrity z jakimkolwiek innym rodzajem konstrukcji, są one wyjątkowo lekkie i bardzo mocne”, mówi Paulino. „Piękno tego systemu polega na tym, że istnieje dodatkowy stopień swobody, który umożliwia odkształcanie tensegrity, zmianę kształtu, radykalną zmianę kształtu i obsługę dowolnego rodzaju obciążenia w dowolnym kierunku”.
Modele laboratoryjne Paulino i Qi są wielkości dziecięcej zabawki stołowej, mają od czterech do pięciu cali szerokości i wyglądają jak niczym więcej, jak dobrze zorganizowany stos patyków utrzymywany w miejscu przez napiętą żyłkę wędkarską. Po całkowitym rozłożeniu rozpórki są twarde i sztywne, a elastyczne kable są bardziej miękkie i bardziej elastyczne. Projekty w pełni zmontowane mają pewne zalety - jeśli je ściśniesz, kształt się zdeformuje. Ale po zwolnieniu wracają do formy.
Zespół wykorzystał kąpiele z gorącą wodą, aby zademonstrować, jak działa proces rozpakowywania w wysokiej temperaturze, ale nawet narzędzie, takie jak opalarka lub suszarka do włosów, załatwi sprawę. Paulino mówi, że musi to być po prostu konsekwentne - co na obecnym etapie rozwoju może być problematyczne. Kontrolowanie wibracji stanowiło również wyzwanie w przypadku innych rodzajów konstrukcji tensegrity.
Paulino i Qi zdecydowali się zastosować proste projekty w celu ułatwienia testów laboratoryjnych, ale Paulino mówi, że nie ma ograniczeń co do tego, co można zrobić na froncie projektowym.
Ich pomysłem jest to, że struktury tensegrity polimeru mogą być skalowane i znacznie bardziej złożone, tak jak w przypadku struktur kosmicznych, lub w dół, do wielkości czegoś, co mogłoby zmieścić się w ludzkim ciele. Wyobraź sobie stent, który mógłby zostać wprowadzony do tętnicy, mówi Paulino, który sam się rozkłada po ustawieniu. Lub jeśli struktury przestrzenne miałyby być wykonane z podobnych polimerów z pamięcią kształtu, ważyłyby również znacznie mniej niż podobna struktura wykonana z metalu, pozwalając na tańsze uruchamianie wstępnie zmontowanych ram, które mogłyby być używane w laboratorium lub pomieszczeniach mieszkalnych w przestrzeń.
W tym momencie wciąż są to tylko koncepcje, chociaż dodał, że zainteresował się nim wielu kolegów medycznych, a NASA już badała tensegrity jako podejście do przyszłych misji kosmicznych.
Robert Skelton, który przez dziesięciolecia badał tensegrity dla aplikacji oceanicznych i kosmicznych na uniwersytecie Texas A&M, mówi, że praca Paulino i Qi ma przewagę nad innymi rodzajami projektów tensegrity.
„Zaletą pracy Paulino i Qi jest niewielka ilość energii potrzebnej do usztywnienia [rozpórek]”, napisał Skelton za pośrednictwem poczty elektronicznej. Skelton dodał, że podobna zasada obowiązuje po wyciągnięciu metalowej taśmy mierniczej: jest wstępnie naprężona, aby była lekko zakrzywiona podczas wyciągania, ale płaska podczas zwijania. Wstępnie naprężone elementy konstrukcyjne były ważnym podejściem do budowy przestrzeni kosmicznej, na przykład w Kosmicznym Teleskopie Hubble'a, którego układy słoneczne zostały rozmieszczone z takimi wstępnie naprężonymi metalowymi paskami, które są sztywne po pełnym otwarciu.
„Wpływ [struktur tensegrity z pamięcią kształtu] będzie równie szeroki, z dużą różnorodnością zastosowań, na ziemi i w przestrzeni kosmicznej” - dodał Skelton.
Kolejną rzeczą, o której Paulino mówi, że on i Qi będą musieli się zmierzyć, jest zwiększenie skali ich koncepcji. A ponieważ wszystko, czego potrzeba, to drukarka 3D i odpowiedni materiał, można to zrobić z dowolnego miejsca po udoskonaleniu techniki.
„Osiągnięcie tego poziomu zajęło trochę czasu, ale uważamy, że mamy dobry punkt wyjścia do dalszych kroków”, mówi Paulino. „Jesteśmy bardzo podekscytowani. Z pewnością nie wiemy wszystkiego, co należy jeszcze zrobić, ale jesteśmy przekonani, że jesteśmy w stanie poczynić postępy w realizacji tego pomysłu. ”
