Een nieuwe techniek om zelfbouwende structuren af te drukken, op te vouwen en in te zetten, zou het voor chirurgen op een dag veel eenvoudiger kunnen maken om stents van slagaders te plaatsen, of astronauten om nieuwe, lichtgewicht ruimtehabitats te installeren.
gerelateerde inhoud
- Buckminster Fuller was goed in ideeën, verschrikkelijk in auto-ontwerp
- Nieuw-Zeeland stuurde een 3D-geprinte raket naar de ruimte
De ontwerpen zijn gebaseerd op een architectonisch concept genaamd 'tensegrity', een term die in de jaren zestig door Buckminster Fuller werd bedacht (die in 1962 ook de eerste tensegrity-vormen patenteerde). Tensegrity, of "spanningsintegriteit", structuren houden zichzelf in vorm via stijve steunen die op hun plaats worden gehouden met onderling verbonden hoogspanningskabels. De Kurilpa-brug in Brisbane, Australië, en een nieuwe radio-antennetoren die bovenop Santiago wordt gebouwd, de heuvel van het Metropolitan Park in Chili, zijn twee typische voorbeelden van tensegrity-structuren.
Hoewel ze erg sterk zijn, zijn ze zwaar, omdat ze zijn gebouwd met metalen stutten en kabels. Georgia Tech-ingenieurs Glaucio Paulino en Jerry Qi wilden dezelfde spanningsvoordelen toepassen op objecten die kunnen worden gebruikt voor meer dan alleen bruggen en antennes, zoals ruimtehabitats of hartstents.
Paulino en Qi bedachten een methode om 3D-printbare, lichtgewicht, opvouwbare versies van deze ontwerpen te maken, met buizen gemaakt van een plasticachtig materiaal dat een vormgeheugen-polymeer wordt genoemd, verbonden met bedrukte elastische pezen.
Door de buizen op te warmen, wordt het steunmateriaal geprogrammeerd om de open configuratie te "herinneren". Het kan vervolgens worden platgedrukt en opgevouwen, en zodra het hele ontwerp opnieuw wordt blootgesteld aan hitte, ontvouwt het hele pakket zich langzaam in zijn definitieve, open configuratie - er zijn geen motoren bij betrokken.
Paulino en Qi ontdekten ook dat door verschillende delen van hun ontwerpen te programmeren om zich bij verschillende temperaturen te ontvouwen, hun ontwerpen zichzelf in fasen kunnen uitpakken om te voorkomen dat de kabels in de war raken.
Omdat het hele ontwerp kan worden samengedrukt in een pakket dat in wezen volledig is geassembleerd, neemt het veel minder ruimte in beslag dan conventionele tensegrity-ontwerpen.
"Als je tensegrity-ontwerpen met een ander type structuur vergelijkt, zijn ze extreem licht en zeer sterk", zegt Paulino. "Het mooie van dit systeem is dat er een extra mate van vrijheid is waardoor de tensegrity kan vervormen, van vorm kan veranderen, dramatische vormverandering kan ondergaan en elk type belasting in elke richting kan ondersteunen."
De laboratoriummodellen van Paulino en Qi zijn zo groot als een speeltje van een kind, vier tot vijf centimeter breed aan een kant, en zien er niet zo veel uit als een goed georganiseerde stapel stokjes die op hun plaats worden gehouden door strak gespannen vislijnen. Wanneer ze volledig zijn uitgevouwen, zijn de steunen hard en stijf, terwijl de elastische kabels zachter en flexibeler zijn. De ontwerpen, wanneer volledig geassembleerd, hebben wat geven - als je erin knijpt, zal de vorm vervormen. Maar wanneer ze worden losgelaten, breken ze weer in vorm.
Het team gebruikte warmwaterbaden om aan te tonen hoe het uitpakken op hoge temperatuur werkt, maar zelfs een hulpmiddel zoals een warmtepistool of een haardroger zou het lukken. Het moet gewoon consistent zijn - wat in de huidige ontwikkelingsfase problematisch kan zijn, zegt Paulino. Het beheersen van trillingen is ook een uitdaging geweest in andere soorten tensegrity-ontwerpen.
Paulino en Qi kozen ervoor om eenvoudige ontwerpen te gebruiken voor het gemak van laboratoriumtests, maar Paulino zegt dat er geen limiet is aan wat er op het ontwerpfront kan worden gedaan.
Hun idee is dat polymeer-tensegrity-structuren kunnen worden opgeschaald en veel complexer kunnen worden gemaakt, zoals voor ruimtestructuren, of kleiner, tot de grootte van iets dat in het menselijk lichaam zou kunnen passen. Stel je een stent voor die in een slagader kan worden ingebracht, zegt Paulino, die zichzelf eenmaal in positie uitzet. Of als ruimtegebonden structuren gemaakt zouden worden van vergelijkbare vormgeheugenpolymeren, zouden ze ook veel minder wegen dan een vergelijkbare structuur gemaakt van metaal, waardoor goedkopere lanceringen van voorgemonteerde frames mogelijk zijn die kunnen worden gebruikt voor laboratoria of woonruimten in ruimte.
Dat zijn op dit moment nog steeds slechts concepten, hoewel hij eraan toevoegt dat hij enige interesse heeft gehad van medische collega's en dat NASA tensegrity al heeft onderzocht als een benadering voor toekomstige ruimtemissies.
Robert Skelton, die tientallen jaren onderzoek heeft gedaan naar tensegrity voor oceaan- en ruimtetoepassingen aan de Texas A&M University, zegt dat het werk van Paulino en Qi een efficiencyvoordeel heeft ten opzichte van andere soorten tensegrity-ontwerpen.
“Een mooi voordeel van het werk van Paulino en Qi is de kleine hoeveelheid energie die nodig is om de [stutten] te verstijven, ” schreef Skelton via e-mail. Skelton voegde eraan toe dat een soortgelijk principe in werking is wanneer u een metalen meetlint uittrekt: het is voorgespannen om enigszins gebogen te zijn wanneer het wordt uitgetrokken, maar plat wanneer het wordt opgerold. Voorgespannen structurele elementen zijn een belangrijke benadering geweest voor ruimteconstructie, zoals bij de Hubble Space Telescope, waarvan de zonnepanelen werden ingezet met dergelijke voorgespannen metalen strips die stijf zijn zodra ze volledig zijn geopend.
"De impact [van vorm-geheugen tensegrity structuren] zal net zo breed zijn, met een grote verscheidenheid aan toepassingen, op aarde en in de ruimte, " voegde Skelton toe.
Dus het volgende wat Paulino zegt dat hij en Qi zullen aanpakken, is hun concept op schaal brengen - op en neer. En omdat het enige dat nodig is, een 3D-printer en het juiste materiaal is, kan dit vanaf elke locatie worden gedaan zodra de techniek is geperfectioneerd.
"Het heeft even geduurd om dit niveau te bereiken, maar we hebben het gevoel dat we een goed uitgangspunt hebben voor de volgende stappen", zegt Paulino. “We zijn er erg enthousiast over. We weten zeker niet alles wat nog moet worden gedaan, maar we hebben er vertrouwen in dat we de mogelijkheid hebben om goede vooruitgang te boeken met het idee. "
