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拓扑优化和3-D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中国机械网okmao.com。

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。这个想法奠定了研究提议的基础，这些提议主张将感应，驱动和计算与机器人材料紧密集成。

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）对于不同厚度的薄膜，通过MPC的透射率显示为波长的函数，使用分光光度计测量。（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。

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状的几何结构制造这些设计的复杂性，因此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，而不一致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。

在目前的工作中，Sundaram等。我们使用了一种模拟退火策略，该策略先前被用作设计桁架结构的成功拓扑优化方法。尽管在理论上非常通用，但是该方法说明了在实践中有效的问题的特殊性。在目前的方法中，Sundaram等。

考虑了材料的作用，而该技术是完全可识别制造的。提出的对高分辨率，多物理场和可感知制造的拓扑优化框架的研究是当前工作中实现的第一个策略。

科学家使用了能够处理高尺寸设计的精密制造工艺来制造合成执行器。此后，他们选择了一种快速的加法3-D制造方法来制造执行器，以使用多种材料生产精确，复杂的结构。对3-D打印执行器的兴趣日益浓厚是由于它们在微/中尺度机器人技术中的速度和适用性。

执行器特性-力，位移和执行器带宽。（A）为了表征执行器性能，科学家使用了基本设计，但做了很小的改动。在此，只有面板厚度的一部分tp填充有MPC，用λ表示。使用尺寸为lp1×lp2 = 8 mm×9 mm，厚度tp = 1 mm，λ= 0.15以及尺寸为Wh = 0.5 mm，lh = 1 mm和th = 0.25 mm的铰链的矩形面板获得以下结果。（B）示出的四个相同设备的测量到的阻挡力，该距离是从2“乘2”乘以0. 5“磁体的距离的函数以及相应的模拟结果。（C）测得的三个相同设备的角偏斜随距磁铁的距离而变化。（D）光学跟踪的角位移随时间变化的函数，用于从0开始的频率致动。01至10 Hz （E）三个设备的角位移幅度与频率的关系。（F）表观大振幅带宽取决于磁场的设置，因为执行器本身承受的力随位移而变化。此图在两种情况下突出显示：一种情况下，执行器承受的力随角位移（?）单调增加；另一种情况下，当面板与最大方向对齐时，角位移稳定渐变（??）。

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，因为执行器本身承受的力随位移而变化。此图在两种情况下突出显示：一种情况下，执行器承受的力随角位移（?）单调增加；另一种情况下，当面板与最大方向对齐时，角位移稳定渐变（??）。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，因为执行器本身承受的力随位移而变化。此图在两种情况下突出显示：一种情况下，执行器承受的力随角位移（?）单调增加；另一种情况下，当面板与最大方向对齐时，角位移稳定渐变（??）。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw1160

由于有利的结垢，高的驱动力密度和不受限制的驱动力，科学家先前已经探索了磁致动对软物质的特性。Sundaram等。在本工作中，将仿生进化优化技术与自动化的多材料增材制造工艺相结合，以快速设计和制造高尺寸致动器。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点滴3-D打印工艺，以优化整个制造流程并进行可感知制造的改进。他们设计了一种特殊的执行器，该执行器为平面的刚性结构，其中的合成单元填充有透明的刚性聚合物或深色的磁响应聚合物。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。然后将自定义的多材料按需3D打印过程与多目标拓扑优化相结合，以在实验室中设计高尺寸执行器设计。他们创建了一套具有多种效果的紫外线（UV）固化油墨，包括光学，磁性和机械特性，然后对样品进行表征以生成特性库。

印制的睡莲放置在流体接口处，并使用永磁体致动。

科学家们使用了定制的基于喷墨的多材料3D打印机。他们将硬质丙烯酸酯聚合物（RIG），弹性丙烯酸酯聚合物（ELA）和磁性纳米颗粒聚合物复合材料（MPC）与用于喷墨印刷工艺的优化起始油墨一起使用。沉积墨水后，他们使用紫外线发光二极管（LED）阵列通过自由基光聚合作用使墨水交联。

三种材料的弹性模量和材料特性差异很大，从而使它们可以制成软接头和刚性结构，用作执行器。科学家展示了他们的能力，并按照手工设计制造了多种多材料执行器阵列。他们对设计和制造的执行器进行了至少1000次循环，而性能没有下降。

Sundaram等。美国研究人员使用由电流源供电的电磁体产生可调谐磁场的3D打印基于多材料的软磁致动器的应用。作为概念验证，他们开发了四个单独的花瓣，用于在空气-水界面上进行磁致动，这些花瓣从水界面浮出水面。为了进行重复驱动，他们将打印的样品放置在硅油-水界面处。

这些手动设计的示例是第一个突出显示多材料增材制造和磁驱动的示例。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

科学家使用模拟软件优化了多目标拓扑，以了解用于磁激励的MPC（磁纳米粒子聚合物复合材料）细胞的分布。然后，他们将该方法应用于两种不同的绘画图像，包括梵高的自画像和蒙克的“尖叫”。在应用拓扑优化框架之后，他们通过施加倾斜磁场来控制磁驱动，从而通过增加倾斜/偏转角将图像从梵高逐渐过渡到蒙克肖像。然后，科学家通过长期测试对拓扑优化的执行器进行了表征。

这样，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及其倾斜角度。科学家还将基于按需喷墨的3D打印与优化技术相结合，以设计拓扑优化的设计并生成高分辨率的光学特性。尽管在开发新的油墨和材料方面存在挑战，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，以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带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发展前景。当科学家进一步探索这些基本策略时，他们将能够在最少的人工干预下形成多功能执行器。

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