拓扑优化和3D打印多材料磁致动器和显示器

在材料科学和应用物理学中，研究人员希望驱动系统的表现与自然现象类似。作为一个典型的例子，科学家们提出要设计模仿乌贼伪装的生物激发材料，尽管由于生成高维建筑设计和与其制造工艺相关的多功能材料的综合复杂性，工程设计这种高度集成的系统可能具有挑战性。在最近的科学进展报告中，Subramanian Sundaram及其在美国和法国计算机科学，人工智能和电气工程系的同事提出了一个完整的多目标拓扑优化协议和多材料按需喷射三维(3-D)打印工程师复杂执行器。

致动器包含软磁性和刚性聚合物，其耦合到响应磁场的磁性纳米颗粒/聚合物复合材料。拓扑优化器可以为各个体素分配材料，以增强高分辨率的物理外观。当他们将拓扑优化设计策略与多材料制造工艺统一起来时，Sundaram等人。可以设计复杂的执行器作为实现自动化和目标驱动制造的有希望的途径。

现代机器人需要在单个封装内集成多种功能的执行器，以优化高度，功率效率，拓扑结构，尺寸和其他性能指标。这一想法是研究提案的基础，该提案主张将传感，驱动和计算与机器人材料紧密结合。研究人员仍在争论机器人是否会是带有大脑或大脑的尸体，因此材料和机器之间的区别仍有待确定。采用机器人材料的新范例要求机器人部件设计用于多种功能，并针对多种目标进行优化，如同天然生物一样。

材料属性库。(A)使用分光光度计测量的通过MPC的透射率显示为不同厚度的薄膜的波长的函数。(B)通过透明刚性材料的透射率，作为多个膜厚度的波长的函数。(C)在室温下测量的MPC的磁化强度与施加的磁场。磁性纳米颗粒占MPC总重量的约12%。ELA，MPC和刚性聚合物(RIG)的典型机械应力 - 应变曲线分别示于(D)至(F)中。线性应变下聚合物的弹性模量(每个样品平均三个样品)显着变化-ELA(528kPa)，MPC(507MPa)和RIG(1290MPa)。(G)原理图显示了基于铰链的基本设计，其面板长度为lp，厚度为tp。在这个设计中，该面板被分成两个相等的RIG和MPC部分。面板两侧用刚性边界连接，ELA扭转铰链的长度为lh，宽度为wh，厚度为th。在施加磁场时，面板的磁性部分产生扭矩。这用作手动设计样品中的基本块。(H)2×2阵列的面板的图像，每个面板具有两个旋转轴。图像的深棕色区域显示MPC材料，半透明部分显示刚性材料。弹性扭转铰链在外观上几乎与刚性聚合物相同。在施加磁场时，每个面板呈现出两轴角度旋转的独特组合。左侧显示了平面打印样本的俯视图。(照片来源：SS和DSK，MIT。)信用：

再现生物启发的多功能系统的挑战仍然在于致动系统的设计。在墨鱼的致动系统的经典示例中，同时控制物理偏转和高分辨率外观导致有效的生物伪装。由于在创建高维设计空间和使用新材料和自由形状几何形状制造这些设计的复杂性，在实验室中再现这种无缝集成的致动是麻烦的。

在当代驱动系统的例子中，材料科学家已经开发出一种数字微镜器件，其具有数百万个相同的致动器和具有微机电系统悬臂的“千足虫”高密度数据存储系统。优化这些驱动系统以实现功耗，低占地面积和工艺可靠性是耗时的，而非均匀的执行器阵列在实验室中呈现出额外的复杂性。作为一种有前途的替代方案，拓扑优化技术在给定的设计空间中提供自动优化的材料布局。

在目前的工作中，Sundaram等人。使用先前用作成功拓扑优化方法的模拟退火策略来设计桁架结构。虽然理论上非常通用，但该方法使问题的特征在实践中有效。在目前的方法中，Sundaram等人。考虑了材料的作用，技术完全具备制造意识。所提出的关于高分辨率，多物理和制造感知拓扑优化框架的研究是本工作中实施的第一个策略。

科学家们使用了一种能够处理高维设计的精密制造工艺来制造合成执行器。此后，他们选择了快速添加剂3-D制造方法来制造致动器，以生产具有多种材料的精确，复杂的结构。对3D打印执行器的兴趣日益增加是由于它们在微/中尺度机器人中的速度和适用性。

执行器特性 - 力，位移和驱动带宽。(A)为了表征执行器的性能，科学家们采用了基本设计，只做了很小的改动。这里，只有一小部分面板厚度tp填充有MPC，用λ表示。使用尺寸为lp1×lp2 = 8mm×9mm，厚度tp = 1mm，λ= 0.15的矩形面板和尺寸Wh = 0.5mm，lh = 1mm，th = 0.25mm的铰链获得以下结果。 。(B)测量的四个相同装置的阻挡力表示为距离2“乘2”乘0.5“磁铁的距离以及相应的模拟结果的函数。(C)测量三个相同装置的角度偏差，作为距磁铁的距离的函数。(D)作为时间的函数的光学跟踪的角位移，用于在0的频率下致动。01至10赫兹。(E)角位移幅度作为三个装置的频率的函数。(F)表观大振幅带宽取决于磁场的设置，因为致动器本身所经受的力随位移而变化。这个图中突出显示了两种情况 - 在一种情况下，执行器所经受的力随着角位移(⋆)单调增加，而在另一种情况下，当面板与最大方向对齐时，存在稳定的角位移渐变(⋆⋆)。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160 (F)表观大振幅带宽取决于磁场的设置，因为致动器本身所经受的力随位移而变化。这个图中突出显示了两种情况 - 在一种情况下，执行器所经受的力随着角位移(⋆)单调增加，而在另一种情况下，当面板与最大方向对齐时，存在稳定的角位移渐变(⋆⋆)。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160 (F)表观大振幅带宽取决于磁场的设置，因为致动器本身所经受的力随位移而变化。这个图中突出显示了两种情况 - 在一种情况下，执行器所经受的力随着角位移(⋆)单调增加，而在另一种情况下，当面板与最大方向对齐时，存在稳定的角位移渐变(⋆⋆)。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160

科学家之前已经探索了由于有利的结垢，高驱动力密度和无线驱动而对软物质进行磁力驱动的特性。Sundaram等人。统一了仿生进化优化技术，采用自动化多材料增材制造工艺，在当前工作中快速设计和制造高维执行器。该方法最终可以实现高维设计的全自动制造，这是机器人技术的长期目标。

研究人员实施了定制的按需滴定3D打印流程，以优化整个制造流程并执行制造意识的改进。他们设计了一个平面刚性结构的特定执行器，合成单元填充有透明的刚性聚合物或暗磁响应聚合物。拓扑优化器控制两种材料相对于其材料属性的放置，以实现最佳应用。Sundaram等人。然后将定制的多材料按需滴定3D打印过程与多目标拓扑优化相结合，以设计实验室中的高维致动器设计。他们创造了一套紫外线(UV)固化油墨，具有多种效果，包括光学，磁性和机械性能，然后对样品进行表征，以生成属性库。

将印刷的睡莲放置在流体界面处并使用永磁体致动。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160

科学家使用了一种定制的基于喷墨的多材料3-D打印机。他们使用刚性丙烯酸酯聚合物(RIG)，弹性丙烯酸酯聚合物(ELA)和磁性纳米粒子聚合物复合物(MPC)以及用于喷墨印刷工艺的优化的起始油墨。在油墨沉积之后，他们使用UV-发光二极管(LED)阵列通过自由基光聚合交联油墨。这三种材料包含广泛变化的弹性模量和材料特性，使它们能够制成柔软的接头和刚性结构，用作致动器。科学家们展示了他们的能力，并制作了多种手动设计的多材料执行器阵列。他们将设计和设计的执行器循环至少1000次循环而不会降低性能。

Sundaram等人。研究了使用由电流源供电的电磁铁产生可调谐磁场的三维印刷多材料软磁致动器的应用。作为一种概念验证，他们开发了四个单独的花瓣，用于在空气 - 水界面上进行磁力驱动，其中花瓣从水界面露出。为了可重复致动，他们将印刷样品放置在硅油 - 水界面上。这些手动设计的示例首先突出了与磁致动相结合的多材料添加剂制造。该策略无缝集成了多材料打印和拓扑优化，以展示独特的高分辨率光学特性。

执行器的拓扑优化。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160

科学家利用仿真软件优化了多目标拓扑结构，以了解MPC(磁性纳米粒子聚合物复合材料)电池在磁力驱动中的分布。然后他们将这种方法应用于两幅不同的绘画图像，其中包括梵高的自画像和蒙克的“呐喊”。在应用拓扑优化框架后，他们通过施加的磁场控制磁致动，以通过增加倾斜/偏转角度将图像从梵高逐渐过渡到蒙克肖像。然后，科学家们通过长期测试对拓扑优化的执行器进行了表征。

通过这种方式，Subramanian Sundaram及其同事开发了一种拓扑优化器，以匹配目标的光学特性和倾斜角度。科学家们还将基于按需喷墨的3-D打印与优化技术相结合，以设计拓扑优化设计并生成高分辨率光学特性。虽然新油墨和材料的开发存在挑战，但它们可以使用该工艺制造各种材料。

研究人员可以设计整个制造流程，通过制造感知优化来增强控制自由度。拓扑优化的执行器和随附的制造工具包可用于设计具有传感器和基本计算元件的执行器，以实现具有大规模集成和自给自足的多功能机器人/自主复合材料的长期愿景。当科学家们进一步探索这些基本策略时，他们将能够以最少的人为干预形成多功能执行器。