3D打印带有“嵌入式逻辑”的智能物体

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你是否想过松果是如何决定何时打开释放种子？你是否对捕蝇草的快速闭合感到过惊讶？大自然中充满了各式各样的应对环境刺激或一系列刺激自动做出变换形态和功能的例子。

与传统的使用电子元件和感知器的机电系统不同，自然系统将这些功能内嵌在材料组成和结构特征中。例如，即使没有大脑或神经系统，捕蝇草依然可以做出复杂的决定：当它感受到力学刺激时，它可以快速闭拢，使叶片成半闭合状，接着它会判断所捕捉的物体是否有持续的力学刺激或是否是合适的大小，从而“决定”完全闭合叶片开始消化，或是打开叶片释放意外捕获的不可食用物体。

来自宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究团队从大自然中的此类系统获得启发，利用刺激响应材料和几何原理，设计制造带有“嵌入式逻辑”的智能结构。

该研究由机械工程与应用力学系的助理教授Jordan Raney和博士后研究员蒋轶杰(Yijie Jiang)领导，博士生Lucia Korpas共同参与。宾夕法尼亚大学团队的这项研究Bifurcation-based embodied logic and autonomous actuation于2019年1月10日在Nature Communications上发表。

图1 文章首页

通过多材料3D打印制造，该研究团队将逻辑关系与时间控制赋予这些响应材料，使其对相应环境变化做出复杂的力学反应。通过使用直接墨水书写（Direct Ink Writing）的3D打印技术，该团队制造了由软材料和各向异性的微观纤维结构组成的响应材料。结合由系统几何结构决定的非线性力学反应，达到精确、有序的刺激响应。例如，利用这些原理，可以设计一种水污染监控设备，使其在超过一定温度并感知到油基化学污染时，自动打开并收集样品。

图2 双稳态单元自动激发原理； 3D打印元件过程及内部纤维排列示意图；带有预设时间的仿捕蝇草装置

Raney实验室对双稳态结构(即可以在无施加外力情况下保持两种形态)和响应材料(即可以在特定情况下变换形态的材料)具有研究兴趣。两者在本质上并不相关，但“嵌入式逻辑”把它们联系起来。“双稳态性质取决于几何结构，而响应来自材料本身的性质，”Raney说，“我们的方法使用多材料3D打印，把两个领域联系起来，从而利用材料的响应性来正确的改变结构的几何参数。” 

在先前的工作中，Raney和合作者们展示了如何3D打印具有双稳态的硅胶斜梁格架。施加压缩后，这些梁被锁定在屈曲的形态，但可以轻易的拉伸恢复到未压缩的形态。

“这种双稳态取决于弹性梁的角度和长宽比，”Raney说，“压缩格架时，弹性能存储在材料中。如果我们可控的利用环境来改变弹性梁的长宽比，使得结构的双稳态消失，并释放出它所存储的能量，那么你就拥有了一个不需要电子元件来判断是否或何时激发的驱动。”形状变化材料较常见，但精确控制其变化难以达到。

图3 直接墨水书写(Direct Ink Writing)打印过程

“许多材料吸水膨胀，但膨胀发生在各个方向。这达不到我们的目的，因为梁的长宽比保持不变。”Raney继续说，“我们需要在限制膨胀只发生在一个方向。”研究者们在3D打印的结构中添加了玻璃微纤维或纳米纤维素，并控制打印过程中纤维沿梁的长度方向排列。当油基液体或水与材料接触时，坚硬的纤维就像骨骼一样限制着弹性梁在长度方向上伸长，但允许纤维之间的材料横向膨胀，提高梁的宽度。通过这样的结构限制，研究者们采用了硅胶和水凝胶作为基础材料，分别对应油基液体和水的响应。热学和光学响应材料也可以用同样的方法，对多种特定刺激源进行设计。利用不同材料对不同刺激源的反应，该文中展示了“与”（AND）， “或”（OR）， “与非”（NAND）等多种逻辑门实例。

通过改变弹性梁的长宽比和内部坚硬纤维的含量，研究者们还制造了不同响应敏感度的驱动装置。该研究的3D打印技术允许在同一批打印中使用不同材料，因此可以在不同区域设置不同的形态响应，甚至设置响应的顺序。

视频1 高速摄影机捕捉双稳态单元释放能量瞬间

“例如，”蒋轶杰博士说道：“我们设计了一个具有顺序逻辑的盒子。它在遇到刺激时，自动的打开，然后在固定时间后自动关闭。我们还设计了一个仿捕蝇草机构，它能且只能在预先设定好的时间段内受到力学加载而关闭；一个需要油基液体和水同时出现才能打开的盒子。”

视频2 具有顺序逻辑的盒子，探测到油基液体后，自动打开并在预设时间后自动关闭

这种通过材料性质和几何结构的逻辑嵌入方式与尺度不相关，即相同的原理可以被应用在微观尺度。“这可能在微流体中获得应用。”Raney介绍道，“不需要使用固态传感器和微处理器来不断的读取微流体设备中的流动，比方说，我们可以设计一个感知到一定污染就自动关闭的闸门。”

视频3 带有硅胶元件的“小虫”感知到污染物后自动跳离

适用于遥远、严苛环境中(如沙漠、高山，甚至其他星球)的感知器也是它的潜在应用。由于不需要电池或计算机，这些嵌入式逻辑的感知器可以无需人工干预的休眠数年，而在正确环境刺激中自动激活。在软体机器人、自动展开结构、医药设备等领域，带有“嵌入式逻辑”的设计也具有潜在应用价值。

视频4 自动展开的二维结构

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