拓扑优化和3D打印多材料磁力执行器和显示器

在材料科学和应用物理学领域，研究人员期望驱动系统的性能类似于自然现象。作为一个经典的例子，科学家提议对仿照墨鱼伪装的生物启发性材料进行工程设计，尽管对这种高度集成的系统进行工程设计可能会面临挑战，因为生成高尺寸建筑设计和与其制造过程相关的多功能材料的综合复杂性。在有关科学进步的最新报告中，Subramanian Sundaram及其美国和法国计算机科学，人工智能和电气工程系的同事向工程师展示了有关多目标拓扑优化和多材料按需滴印(3-D)打印的完整协议复杂的执行器。

致动器包含与响应于磁场的磁性纳米颗粒/聚合物复合材料偶联的软性和刚性聚合物。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过程统一起来时，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。

现代机器人需要执行器，这些执行器必须在一个封装内将多种功能集成在一起，以优化高度，功率效率，拓扑，尺寸和其他性能指标。这个想法奠定了提倡将传感，驱动和计算与机器人材料紧密集成的研究建议的基础。研究人员仍在争论机器人是将是具有大脑的身体还是具有大脑的身体，因此仍然有待确定材料和机器之间的区别。使用机器人材料的新范例要求将机器人零件设计为具有多种功能，并针对天然生物针对多种目标进行优化。

材质库。(A)使用分光光度计测得的厚度变化的薄膜通过MPC的透射率是波长的函数。(B)通过透明硬质材料的透射率，显示为多种膜厚度的波长的函数。(C)在室温下测得的MPC的磁化强度与施加的磁场的关系。磁性纳米粒子约占MPC总重量的12%。ELA，MPC和刚性聚合物(RIG)的典型机械应力-应变曲线分别在(D)至(F)中显示。聚合物在线性应变下的弹性模量，分别取三个样品的平均值，即ELA(528 kPa)，MPC(507 MPa)和RIG(1290 MPa)差异很大。(G)示意图显示了基于基本铰链的设计，面板长度为lp，厚度为tp。在这个设计中 面板被分成RIG和MPC的两个相等部分。面板通过长度为lh，宽度为wh和厚度为th的ELA扭转铰链连接到两侧的刚性边界上。在施加磁场时，面板的磁性部分会产生扭矩。在手动设计的样本中将其用作基本块。(H)2×2面板阵列的图像，每个面板都有两个旋转轴。图像的深褐色区域显示MPC材料，而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，每个面板都具有两轴角度旋转的独特组合。平坦的印刷样品的顶视图显示在左侧。(照片提供：麻省理工学院的SS和DSK。)

复制受生物启发的多功能系统所面临的挑战仍然在于致动系统的设计。在墨鱼致动系统的经典示例中，同时控制物理偏斜和高分辨率外观会导致有效的生物伪装。由于创建高维设计空间以及用新材料和自由形式的几何结构制造这些设计的复杂性，在实验室中复制这种无缝集成的驱动非常麻烦。

在当前的致动系统示例中，材料科学家开发了具有数百万个相同致动器的数字微镜设备和具有微机电系统悬臂的“千足虫”高密度数据存储系统。针对功耗，低占地面积和过程可靠性进行优化的这些致动系统非常耗时，而不均匀的致动器阵列则在实验室中带来了额外的复杂性。作为一种有前途的选择，拓扑优化技术可以在给定的设计空间中自动优化材料布局。