这种平坦的结构可以变成人脸的形状

在响应周围温度时，最初印刷平面的格子结构变形成人脸的轮廓。透视图（左），顶视图（中间）和变形格子的侧视图（右侧），高约160毫米。图像：Lori K.桑德斯

新的结构设计可能导致自部署帐篷或自适应机器人鳍。

MIT和其他地方的研究人员设计了3-D印刷网状结构，其响应于环境温度的变化，从平面变成预定的形状。新结构可以转化为比其他形状换档材料和结构可以实现的更复杂的配置。

作为一个示范，研究人员印刷了一个平坦的网格，当暴露于一定的温差时，变形为人脸的形状。它们还设计了嵌入有导电液态金属的网格，该网状物弯曲成圆顶以形成有源天线，其共振频率随变形而变化。

该团队的新设计方法可用于确定鉴于材料的性质，以确定要打印的平网结构的特定模式，以使结构变换成所需的形状。

研究人员说，在路上，它们的技术可用于设计可展开的结构，例如自动展开的帐篷或覆盖物，响应于温度或其他环境条件的变化而膨胀。

这种复杂的形状移位结构也可以用作人造组织的支架或支架，或者作为望远镜中的可变形透镜。MIT机械工程助理教授Wim Van Rees也看到了软机器人的应用。

“我希望看到这一点融入其中的机器人水母，当我们把它放在水中时，改变形状游泳，”范罗斯说。“如果你可以用它作为致动器，就像人为肌肉一样，致动器可以是任何任意形状，其变换成另一个任意形状。然后你正在软机器人进入一个完全新的设计空间。“

梵门和他的同事本周在国家科学院的诉讼程序上发表了他们的结果。他的共同作者是波士顿大学的J. William Boley; Ryan Truby，Arda Kotikian，Jennifer Lewis和Harvard大学的L. Mahadvan; Charles Lissandrello的Draper实验室;波士顿大学马克·霍恩斯坦。

礼品包装的限制

两年前，范罗斯提出了理论设计，了解如何将薄的平板转变为诸如人脸的复杂形状。在此之前，4-D材料领域的研究人员旨在随着时间的推移而变形的材料 - 已经开发了某些材料改变或变形的方法，而是仅进入相对简单的结构。

“我的目​​标是从一个复杂的三维形状开始，我们想要实现，就像一个人类的脸，然后问，'我们如何编程材料，所以它到达那里？”“梵里斯说。“这是逆设计的问题。”

他提出了一种计算膨胀和收缩的公式，即双层材料板的区域必须实现以实现所需的形状，并开发了在理论材料中模拟这一点的代码。然后他将公式放入工作，并可视化该方法如何将平坦的连续盘转换为复杂的人脸。

在施加温差之后，一组晶格结构转变为球形帽或圆顶状形状。近异种样品的范围从33个细×胞到2020个细胞，具×有进一步的变化电池尺寸和肋尺寸。

但他和他的合作者很快发现这种方法不会适用于大多数物理材料，至少如果他们试图使用连续的床单。当Van Rees使用连续的纸张时，它是一种理想化的材料，而无法实现它可以实现的扩展和收缩量没有身体限制。相比之下，大多数材料具有非常有限的生长能力。这种限制对称为双曲率的性质具有深刻的后果，这意味着可以在两个垂直方向上同时曲线曲线曲线曲线弯曲的表面 - Carl Friedrich Gause的近200年历史的定理中描述的效果，称为Theorema eGregium，拉丁语“卓越的定理。”

如果你曾经试过礼物包裹足球，你就在实践中经历了这个概念：为了改变没有曲率的纸张，其具有正面双曲率的球的形状，您必须折起并弄弄侧面和底部的纸张，以完全包裹球。换句话说，对于纸张适应具有双曲率的形状，它必须在必要的地方伸展或两者伸展以均匀地包裹球。

为了赋予形状移位片的双曲率，研究人员将结构的基础从连续片材转换为晶格或网格。这个想法是双重的：首先，晶格肋的温度诱导的弯曲将导致网状节点的较大膨胀和收缩，而不是在连续片中实现。其次，当肋骨设计成在片材上以不同的速率生长时，格子中的空隙可以容易地容纳表面积的大变化。

研究人员还将晶格的每个辛肋设计成预定程度，以便造成鼻子的形状，例如鼻子而不是眼插座。

对于每个肋骨，它们包含了四个束腰肋骨，将两个排列在另外两个上面排列。所有四个小型都是由仔细选择相同基础材料的变化进行的，以校准所需的不同响应温度。

当四个小纤维在印刷过程中键合以形成一个更大的肋骨时，整个肋条可以曲线由于较小肋条材料之间的温度响应差异：如果一个材料更敏感到温度，则可能更愿意伸长。但是因为它与抵抗伸长率的较少响应的肋骨粘合，所以整个肋骨将弯曲。

研究人员可以使用四个肋骨的布置，以“预编程”是肋骨作为整个曲线的曲线，以形成鼻子的一部分，或者作为眼插座的一部分垂下。

形状解锁

为了制造改变人脸的形状的格子，研究人员开始了一张面部的三维图像 - 特定的，是高斯的面孔，其几何的原则是球队的大部分方法。根据该图像，它们创建了一个平坦表面需要上升或倾向以符合面部的形状的距离的地图。Van Rees然后设计了一种算法将这些距离转换成具有特定肋骨图案的格子，并且在每个肋骨内的比率。

该团队从PDMS印刷晶格，一种普通的橡胶材料，当暴露于温度的增加时自然地扩展。它们通过用玻璃纤维注入一个溶液来调整材料的温度响应性，使其对其进行物理更致密，更耐高温。在印刷材料的晶格图案之后，将晶格固化在250度 - 摄氏炉中，然后将其取出并将其放入盐水浴中，在那里冷却至室温并变形为人脸的形状。

由研究人员礼貌

该团队还印刷了由嵌入液体金属墨水的肋骨制成的瓦片圆盘 - 各种天线，随着晶格转化为圆顶的谐振频率。

Van Rees和他的同事目前正在调查应用复杂形状转移的设计，以实现富有的材料，适用于坚固的应用，如温度响应帐篷和自推进翅片和翅膀。

该研究部分受到国家科学基金会和Draper实验室的支持。