Limite d'emballage cadeau

Il y a deux ans, van Rees a proposé une conception théorique sur la façon de transformer une feuille plate mince en une forme complexe telle qu'un visage humain. Jusque là, les chercheurs dans le domaine des matériaux 4-D - des matériaux conçus pour se déformer avec le temps - avaient développé des moyens pour que certains matériaux changent, ou se métamorphoser, mais seulement dans des structures relativement simples.

« Mon objectif était de commencer avec une forme 3D complexe que nous voulions atteindre, comme un visage humain, puis demande, « Comment programmer un matériau pour qu'il y parvienne ? » déclare van Rees. « C'est un problème de conception inversée. »

Il a proposé une formule pour calculer l'expansion et la contraction que les régions d'une feuille de matériau bicouche devraient atteindre pour atteindre la forme souhaitée, et développé un code pour simuler cela dans un matériel théorique. Il a ensuite mis la formule au travail, et visualisé comment la méthode pourrait transformer un appartement, disque continu en un visage humain complexe.

Mais lui et ses collaborateurs ont rapidement découvert que la méthode ne s'appliquerait pas à la plupart des matériaux physiques, du moins s'ils essayaient de travailler avec des feuilles continues. Alors que van Rees utilisait une feuille continue pour ses simulations, c'était d'un matériau idéalisé, sans contraintes physiques sur la quantité d'expansion et de contraction qu'il pourrait réaliser. La plupart des matériaux, en revanche, ont des capacités de croissance très limitées. Cette limitation a des conséquences profondes sur une propriété connue sous le nom de double courbure, c'est-à-dire une surface qui peut se courber simultanément dans deux directions perpendiculaires - un effet qui est décrit dans un théorème vieux de près de 200 ans de Carl Friedrich Gauss appelé le théorème égregium, Latin pour "théorème remarquable".

Si vous avez déjà essayé d'emballer un ballon de football, vous avez expérimenté ce concept en pratique :transformer le papier, qui n'a aucune courbure, en forme de boule, qui a une double courbure positive, vous devez froisser et froisser le papier sur les côtés et en bas pour envelopper complètement la balle. En d'autres termes, pour que la feuille de papier s'adapte à une forme à double courbure, il devrait s'étirer ou se contracter, ou les deux, aux endroits nécessaires pour envelopper une balle uniformément.

Pour conférer une double courbure à une feuille qui change de forme, les chercheurs ont changé la base de la structure d'une feuille continue à un treillis, ou maillage. L'idée était double :d'abord, une flexion induite par la température des nervures du treillis entraînerait des expansions et des contractions beaucoup plus importantes des nœuds du maillage, que ce qui pourrait être réalisé dans une feuille continue. Seconde, les vides dans le treillis peuvent facilement s'adapter à de grands changements de surface lorsque les nervures sont conçues pour croître à des vitesses différentes à travers la feuille.

Les chercheurs ont également conçu chaque nervure individuelle du treillis pour se plier d'un degré prédéterminé afin de créer la forme de, dire, un nez plutôt qu'une orbite.

Pour chaque côte, ils ont incorporé quatre côtes plus fines, en arrangeant deux pour s'aligner sur les deux autres. Les quatre miniribs ont été fabriquées à partir de variations soigneusement sélectionnées du même matériau de base, pour calibrer les différentes réponses requises à la température.

Lorsque les quatre mini nervures ont été collées ensemble dans le processus d'impression pour former une plus grande nervure, la nervure dans son ensemble pourrait se courber en raison de la différence de réponse en température entre les matériaux des plus petites nervures :si un matériau est plus sensible à la température, il peut préférer s'allonger. Mais parce qu'il est lié à une nervure moins réactive, qui résiste à l'allongement, la côte entière se courbera à la place.

Les chercheurs peuvent jouer avec la disposition des quatre côtes pour "préprogrammer" si la côte dans son ensemble se courbe pour faire partie d'un nez, ou plonge dans le cadre d'une orbite.

Formes déverrouillées

Pour fabriquer un treillis qui prend la forme d'un visage humain, les chercheurs ont commencé avec une image 3D d'un visage - pour être précis, le visage de Gauss, dont les principes de géométrie sous-tendent une grande partie de l'approche de l'équipe. A partir de cette image, ils ont créé une carte des distances qu'une surface plane aurait besoin de monter ou de descendre pour se conformer à la forme du visage. Van Rees a ensuite conçu un algorithme pour traduire ces distances en un réseau avec un motif spécifique de nervures, et les ratios de mini nervures dans chaque nervure.

L'équipe a imprimé le treillis à partir de PDMS, un matériau caoutchouteux commun qui se dilate naturellement lorsqu'il est exposé à une augmentation de la température. Ils ont ajusté la réactivité du matériau à la température en infusant une solution de celui-ci avec des fibres de verre, le rendant physiquement plus rigide et plus résistant aux changements de température. Après avoir imprimé les motifs en treillis du matériau, ils ont durci le treillis dans un four à 250 degrés Celsius, puis l'a sorti et l'a placé dans un bain d'eau salée, où il a refroidi à température ambiante et s'est transformé en la forme d'un visage humain.

L'équipe a également imprimé un disque en treillis composé de nervures incrustées d'une encre de métal liquide - une sorte d'antenne, qui a changé sa fréquence de résonance lorsque le réseau s'est transformé en dôme.

Van Rees et ses collègues étudient actuellement les moyens d'appliquer la conception du changement de forme complexe à des matériaux plus rigides, pour des applications plus robustes, tels que les tentes sensibles à la température et les ailerons et ailes automoteurs.