Nová technika pro tisk, skládání a rozmístění samo-stavebních struktur by jednoho dne mohla chirurgům usnadnit umisťování tepenných stentů nebo astronautů při instalaci nových, lehkých vesmírných stanovišť.
Související obsah
- Buckminster Fuller byl dobrý v nápadech, hrozný v designu aut
- Nový Zéland poslal do vesmíru 3D-tištěnou raketu
Návrhy staví na architektonickém pojetí zvaném „tensegrity“, což je termín vytvořený Buckminsterem Fullerem v 60. letech (který také patentoval první tvary tensegrity v roce 1962). Tensegrity neboli „napjatá integrita“ se udržují ve tvaru pevnými vzpěrami drženými na místě pomocí propojených vysokonapěťových kabelů. Most Kurilpa v australském Brisbane a nová věž s rádiovou anténou postavená na vrcholu Santiaga, chilského kopce Metropolitan Park, jsou dva typické příklady struktur tensegrity.
Ačkoli jsou velmi silné, jsou těžké, protože jsou konstruovány s kovovými vzpěrami a kabely. Inženýři Georgia Tech Glaucio Paulino a Jerry Qi chtěli aplikovat stejné napínací výhody na objekty, které by mohly být použity pro více než jen mosty a antény, jako jsou vesmírná stanoviště nebo srdeční stenty.
Paulino a Qi vymysleli metodu vytvoření 3D tisknutelných, lehkých, skládacích verzí těchto návrhů, s trubicemi vyrobenými z plastu, jako je polymer s tvarovou pamětí, spojené s tištěnými elastickými šlachy.
Zahřátím zkumavek se materiál vzpěry naprogramuje tak, aby „zapamatoval“ otevřenou konfiguraci. Poté se může zploštit a složit a jakmile je celá konstrukce znovu vystavena teplu, celý balíček se pomalu rozvinuje do své konečné otevřené konfigurace - nejsou zapojeny žádné motory.
Paulino a Qi také zjistili, že naprogramováním různých částí jejich návrhů na rozvinutí při různých teplotách se jejich návrhy mohly rozbalit ve fázích, aby se zabránilo zamotání kabelů.
Protože celý návrh může být rozdroben do balíčku, který je v podstatě kompletně smontován, zabírá mnohem méně místa než konvenční návrhy tensegrity.
"Pokud porovnáte návrhy tensegrity s jakýmkoli jiným typem struktury, jsou extrémně lehké a velmi silné, " říká Paulino. "Krása tohoto systému spočívá v tom, že existuje další stupeň volnosti, který umožňuje tensegrity deformovat se, měnit tvar, dramaticky měnit tvar a podporovat jakýkoli typ zatížení v jakémkoli směru."
Laboratorní modely Paulina a Qi jsou velikostí dětské stolní hračky se čtyřmi až pěti centimetry napříč na jedné straně a vypadají jako nic jiného, než vysoce organizovaný stoh tyčinek, který drží napnutá rybářská šňůra. Při plném rozložení jsou vzpěry tvrdé a tuhé, zatímco elastické kabely jsou měkčí a pružnější. Návrhy, když jsou kompletně smontovány, některé dávají - pokud je stlačíte, tvar se zdeformuje. Když se ale uvolní, zaskočí zpět do formy.
Tým použil horké vodní lázně, aby předvedl, jak funguje proces vybalení při vysoké teplotě, ale trik by udělal i nástroj jako tepelná pistole nebo fén. Musí to být pouze důsledné - což může být v současné fázi vývoje problematické, říká Paulino. Ovládání vibrací bylo také výzvou v jiných typech tensegritních návrhů.
Paulino a Qi se rozhodli použít jednoduché vzory pro snadnější laboratorní testování, ale Paulino říká, že neexistuje nic, co by se dalo udělat na přední straně designu.
Jejich myšlenkou je, že polymerní tensegritní struktury lze zvětšit a učinit mnohem složitějšími, jako u vesmírných struktur nebo dolů, na velikost něčeho, co se vejde do lidského těla. Představte si stent, který by mohl být vložen do tepny, říká Paulino, které se samo rozmístí, jakmile je na svém místě. Nebo pokud by struktury s prostorovou vazbou měly být vyrobeny z polymerů s podobnou tvarovou pamětí, vážily by také mnohem méně než podobná struktura vyrobená z kovu, což by umožnilo levnější spouštění předem sestavených rámů, které by mohly být použity pro laboratorní nebo obytné místnosti v prostor.
To jsou v tuto chvíli stále jen koncepty, dodal, že má zájem lékařských kolegů a že NASA již zkoumá tensegrity jako přístup k budoucím vesmírným misím.
Robert Skelton, který po desetiletí zkoumal tensegrity pro oceánské a kosmické aplikace na Texas A&M University, říká, že práce Paulina a Qi má efektivitu v porovnání s jinými typy tensegritních návrhů.
"Příjemnou výhodou práce Paulina a Qi je malé množství energie potřebné k vyztužení [vzpěr], " napsal Skelton e-mailem. Skelton dodal, že podobný princip je v akci, když vytáhnete kovovou pásku: je předpjatý, aby byl mírně zakřivený, když je vytažen, ale plochý, zatímco srolovaný. Předpjaté strukturální prvky jsou důležitým přístupem pro konstrukci vesmíru, jako je Hubbleův vesmírný dalekohled, jehož solární pole byla nasazena s takovými předpjatými kovovými pásy, které jsou pevné, jakmile jsou plně otevřeny.
"Dopad [tensegritních struktur s tvarovou pamětí] bude stejně široký a bude mít širokou škálu aplikací na zemi i ve vesmíru, " dodal Skelton.
Takže další věc, kterou Paulino říká, že on a Qi budou řešit, je vzít jejich koncept do měřítka - nahoru a dolů. A protože je požadována pouze 3D tiskárna a správný materiál, bylo by to možné provést odkudkoli, jakmile bude technika zdokonalena.
"Dosažení této úrovně trvalo nějakou dobu, ale máme pocit, že máme dobrý výchozí bod pro další kroky, " říká Paulino. "Jsme z toho velmi nadšení." Určitě nevíme všechno, co je ještě třeba udělat, ale máme jistotu, že máme schopnost udělat dobrý pokrok v této myšlence. “
