Eine neue Technik zum Ausdrucken, Zusammenfalten und Entfalten von sich selbst aufbauenden Strukturen könnte es Chirurgen eines Tages viel einfacher machen, Arterienstents zu platzieren, oder Astronauten, neue, leichte Lebensräume im Weltraum zu installieren.
Verwandte Inhalte
- Buckminster Fuller war gut in Ideen, schrecklich im Autodesign
- Neuseeland schickte eine 3D-gedruckte Rakete in den Weltraum
Die Entwürfe bauen auf einem architektonischen Konzept namens "Tensegrity" auf, einem Begriff, der in den 1960er Jahren von Buckminster Fuller geprägt wurde (der 1962 auch die ersten Tensegrity-Formen patentierte). Tensegrity- oder "Tensional Integrity" -Strukturen halten sich über starre Streben in Form, die mit miteinander verbundenen Hochspannungskabeln an Ort und Stelle gehalten werden. Die Kurilpa-Brücke in Brisbane, Australien, und ein neuer Funkantennenturm auf Santiago, Chiles Metropolitan Park-Hügel, sind zwei typische Beispiele für Tensegrity-Strukturen.
Obwohl sie sehr stark sind, sind sie schwer, da sie aus Metallstreben und Kabeln bestehen. Die Ingenieure von Georgia Tech, Glaucio Paulino und Jerry Qi, wollten die gleichen dreidimensionalen Vorteile auf Objekte anwenden, die nicht nur für Brücken und Antennen verwendet werden können, wie z. B. Lebensräume im Weltraum oder Herzstents.
Paulino und Qi entwickelten eine Methode, um 3D-bedruckbare, leichte und faltbare Versionen dieser Designs zu erstellen, wobei Röhren aus einem kunststoffähnlichen Material, einem so genannten Formgedächtnispolymer, mit bedruckten elastischen Sehnen verbunden sind.
Durch Aufheizen der Rohre wird das Material der Strebe so programmiert, dass es sich an die offene Konfiguration „erinnert“. Sie kann dann abgeflacht und zusammengelegt werden. Sobald das gesamte Design wieder der Hitze ausgesetzt ist, entfaltet sich das gesamte Paket langsam in seine endgültige, offene Konfiguration - ohne dass Motoren beteiligt sind.
Paulino und Qi stellten außerdem fest, dass sich die verschiedenen Teile ihrer Designs, die sich bei unterschiedlichen Temperaturen entfalten sollen, schrittweise auspacken können, um ein Verwickeln der Kabel zu verhindern.
Da das gesamte Design in eine Verpackung zerquetscht werden kann, die im Wesentlichen vollständig zusammengebaut ist, nimmt es viel weniger Platz ein als herkömmliche Tensegrity-Designs.
„Wenn Sie Tensegrity-Konstruktionen mit anderen Konstruktionen vergleichen, sind diese extrem leicht und sehr stark“, sagt Paulino. "Das Schöne an diesem System ist, dass es einen zusätzlichen Freiheitsgrad gibt, der es der Zugfestigkeit ermöglicht, sich zu verformen, ihre Form zu ändern, dramatische Formänderungen zu bewirken und jede Art von Belastung in jede Richtung zu unterstützen."
Die Labormodelle von Paulino und Qi haben die Größe eines Tischspielzeugs für Kinder und einen Seitenquerschnitt von 4 bis 5 Zoll. Sie sehen aus wie nichts anderes als ein hoch organisierter Stapel von Stöcken, die von einer gespannten Angelschnur an Ort und Stelle gehalten werden. Im vollständig ausgeklappten Zustand sind die Streben hart und steif, während die elastischen Kabel weicher und flexibler sind. Wenn die Designs vollständig zusammengebaut sind, haben sie eine gewisse Nachgiebigkeit. Wenn Sie sie zusammendrücken, verformt sich die Form. Aber wenn sie losgelassen werden, schnappen sie gleich wieder in Form.
Das Team verwendete Heißwasserbäder, um zu demonstrieren, wie das Auspacken bei hohen Temperaturen funktioniert, aber selbst ein Werkzeug wie eine Heißluftpistole oder ein Haartrockner würde den Trick tun. Es muss einfach konsequent sein - was im gegenwärtigen Entwicklungsstadium problematisch sein kann, sagt Paulino. Das Steuern von Vibrationen war auch bei anderen Arten von Tensegrity-Konstruktionen eine Herausforderung.
Paulino und Qi entschieden sich für einfache Designs, um das Testen im Labor zu vereinfachen, aber Paulino sagt, dass es keine Grenzen für das Design gibt.
Ihre Idee ist, dass Tensegrity-Strukturen aus Polymeren vergrößert und komplexer gemacht werden können, etwa für Raumstrukturen oder auf die Größe von Objekten, die in den menschlichen Körper passen könnten. Stellen Sie sich einen Stent vor, der in eine Arterie eingeführt werden könnte, sagt Paulino, der sich in seiner Position selbst entfaltet. Wenn raumgebundene Strukturen aus Polymeren mit ähnlichem Formgedächtnis hergestellt würden, wären sie auch viel leichter als eine ähnliche Struktur aus Metall, sodass vormontierte Rahmen, die für Labor- oder Wohnräume in Deutschland verwendet werden könnten, billiger auf den Markt gebracht werden könnten Platz.
Dies sind zu diesem Zeitpunkt nur Konzepte, obwohl er ein gewisses Interesse von medizinischen Kollegen hatte und die NASA bereits Tensegrity als Ansatz für zukünftige Weltraummissionen untersucht hat.
Robert Skelton, der jahrzehntelang an der Texas A & M University Tensegrity für Ozean- und Weltraumanwendungen erforscht hat, sagt, dass Paulino und Qis Arbeit einen Effizienzvorteil gegenüber anderen Arten von Tensegrity-Konstruktionen haben.
"Ein schöner Vorteil von Paulinos und Qis Arbeit ist die geringe Menge an Energie, die erforderlich ist, um die [Streben] zu versteifen", schrieb Skelton per E-Mail. Skelton fügte hinzu, dass ein ähnliches Prinzip beim Herausziehen eines Metallbandmaßes gilt: Es ist vorgespannt, beim Herausziehen leicht gebogen zu sein, aber beim Aufrollen flach. Vorgespannte Strukturelemente waren ein wichtiger Ansatz für den Weltraumbau, beispielsweise beim Hubble-Weltraumteleskop, dessen Solar-Arrays mit solchen vorgespannten Metallstreifen eingesetzt wurden, die nach dem vollständigen Öffnen starr sind.
"Die Auswirkungen [von Tensegrity-Strukturen mit Formgedächtnis] auf die Erde und den Weltraum werden bei einer Vielzahl von Anwendungen ebenso groß sein", fügte Skelton hinzu.
Das nächste, was Paulino sagt, dass er und Qi es angehen werden, ist, ihr Konzept zu skalieren - rauf und runter. Und da nur ein 3-D-Drucker und das richtige Material erforderlich sind, kann dies von jedem Ort aus durchgeführt werden, sobald die Technik perfektioniert ist.
„Es hat eine Weile gedauert, bis wir dieses Niveau erreicht haben, aber wir sind der Meinung, dass wir einen guten Ausgangspunkt für die nächsten Schritte haben“, sagt Paulino. „Wir freuen uns sehr darüber. Wir wissen zwar nicht alles, was noch zu tun ist, aber wir sind zuversichtlich, dass wir in der Lage sind, die Idee gut voranzutreiben. “
