Der Flügel von Earwig inspiriert zu kompakten Designs, die sich falten lassen sich

Earwigs Flügel inspiriert kompakte Designs, die sich selbst faltenVergrößernDr. Jakob Faber, ETH Zürich

Das muss ich auch als jemand zugeben, der am meisten fasziniert ist Insekten, der Ohrwurm macht mich verrückt. Wenn ich einen sehe, bin ich typisch zu beschäftigt, um zu versuchen, es zu zerquetschen, um irgendwelche Details über sein zu bemerken Anatomie. Es war also eine kleine Überraschung, herauszufinden, dass dies nicht nur der Fall ist sie haben Flügel, aber ihre Flügel sind Weltrekordhalter in a Besonderheit der Insektenflügeligkeit: Sie nehmen am wenigsten Platz ein wenn im Vergleich zu ihrer erweiterten Größe gefaltet. Das Verhältnis zwischen Diese Zustände können bis zu 18 zu 1 erreichen.

Angesichts dieser Tatsache war ich weniger überrascht, das herauszufinden Forscher haben beschlossen, dieses Stück Biologie zu studieren, um zu sehen, ob sie können irgendwelche Einsichten daraus ableiten, was die Evolution mit dem gemacht hat Ohrwurm. In der heutigen Ausgabe von Science gibt es einen Bericht darüber, was hat wurde von drei Forschern gelernt: Jakob Faber und Und ré Studart von ETH Zürich und Andres Arrieta von der Purdue University. Sie finden das, Um den Flügel des Ohrwurms zu imitieren, reicht ein Origami-Ansatz zum Falten nicht aus machen. Stattdessen haben sie eine Auswahl entworfen und in 3D gedruckt metastabile Designs, die mit geringem Energieeinsatz schnell funktionieren Zwischen gefaltetem und ungefaltetem Zustand wechseln.

Wenn viele Menschen, darunter die meisten Materialwissenschaftler, darüber nachdenken Folding, ihr erster Gedanke ist Origami. Aber das Forscherteam fanden heraus, dass sich das “exquisite natürliche Faltsystem” des Ohrwurms verhält auf eine Art und Weise, die “vom gegenwärtigen Origami nicht ausreichend beschrieben werden kann” Modelle. “Teil der Ausgabe ist eine der Materialwissenschaften: es gibt bestimmte Faltmuster im Flügel, die einfach nicht möglich sind Erstellen einer Falte in einem einzelnen Material oder Verwenden der geraden Linien von Origami. Außerdem ist der Flügel bistabil und hält sich fest Platzieren während des Fluges mit minimaler Belastung durch Muskeln und Falten ganz ohne Muskelkraftaufwand.

Das Geheimnis dafür ist zum Teil, dass die Biologie nicht beschränkt ist entweder gerade Linien oder ein einzelnes Material. Tatsächlich treten die Gelenke auf Ein Ohrwurmflügel ist reich an einem Protein namens Resilin, das sich bildet Ein flexibles Polymer, das beim Biegen Energie speichern und abgeben kann und entspannt.

Der Flügel des Ohrwurms. Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

Eine Animation des Faltvorgangs. Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

Die äußerst kompakte, voll gefaltete Form. Dr. Jakob Faber, ETHZürich

Um mehr über die Funktionsweise des Systems zu erfahren, war der Insektenflügel einer Finite – Elemente – Analyse unterzogen, die das Verhalten von Die einzelnen Komponenten eines Systems bauen sich dann komplizierter auf Gleichungen durch Kombination dieser Elemente. Dies ergab einige grundlegende Prinzipien über das Verhalten des Flügels. Um ein Beispiel zu geben, wenn a Gelenk zwischen zwei Segmenten des Flügels ist gleichmäßig über die beabstandet Die Entfaltung der gesamten Verbindungsstelle führt zu einer einfachen, linearen Verbindung Erweiterung. Wenn das Gelenk asymmetrisch ist, werden die Stücke auch drehen sich relativ zueinander, wenn sich das Gelenk entfaltet.

4D? Was?

In der gesamten Arbeit bezeichnen die Forscher ihren Prozess als “4D Drucken.” Das ist nicht das erste Mal, dass ich den Begriff höre Es besteht die Möglichkeit, dass die Leute versuchen, es zu popularisieren. Hoffen wir, dass sie scheitern, weil es ein sehr verwirrender Begriff ist das ist schwer zu definieren.

In der Physik sind die ersten drei Dimensionen der Raum und die vierte ist an der Zeit. Beim 3D-Druck wird ein Objekt erstellt, das erweitert wird über alle drei räumlichen Dimensionen. Aber was könnte Druckzeit sein möglicherweise aussehen? Gehen Sie zurück und fügen Sie neue Teile durch Nachdruck?

Nee. Stattdessen bezieht sich 4D-Druck auf das Drucken eines Objekts, das dies kann mehr als eine Form annehmen. Das Formular, das Sie drucken, ist möglicherweise nicht das Formular dass ein Objekt für den Rest seiner Existenz festsitzt. Schon seit Dies könnte für alles zutreffen, was mit einem flexiblen Drucker gedruckt wird Material, es scheint wie eine zu breite Definition. Andweil die Verwirrung über die Druckzeit bedeutet, dass jeder, der stößt dieser Begriff auf Nachschlagen statt auf Nachschlagen Selbstverständlich ist es wahrscheinlich das Beste, dass jeder vergisst, was er jemals hat verwendet worden.

Eine vereinfachte Version der Ergebnisse des finiten Elements Die Analyse wurde dann in ein Designtool programmiert, mit dem die Forscher machen faltbare Oberflächen, die denen der nachahmen Ohrwurmflügel: kompakt faltbar und stabil gefaltet und entfaltet Zustände. Die resultierenden Entwürfe könnten dann an einen 3D-Drucker gesendet werden das verwendete unterschiedliche Materialien für die Segmente und die Gelenke und könnte beliebige Kurven für jede der Gelenke erstellen. In der Tat, die Forscher fanden es im Allgemeinen am einfachsten, die gefaltete Form von zu drucken was auch immer sie machten, da der Druckkopf reisen musste geringer, weniger.

Das System hat unglaublich gut funktioniert. Ein einfaches Muster mit vier Quadrate zeigten die Metastabilität des Ohrwurmflügels. Mit einem Mit einem kleinen Energieaufwand könnte es zwischen seinem offenen und seinem offenen Zustand hin und her springen Geschlossene Zustände in nur 80 Millisekunden. Aber sie auch gedruckte komplexere Strukturen, wie eine Reproduktion des Ohrwurms Flügel. Und sie produzierten auch einige neuartige Designs, wie zum Beispiel ein Paar Pinzetten, die zwischen offenem und geschlossenem Zustand wechseln könnten, mit dem geschlossener Zustand in der Lage, Objekte zu greifen. Der gesamte Schließungsprozess wird von einer kleinen Sammlung von Tafeln gesteuert, an denen die beiden Arme von die Zange treffen sich; Dort breiten sich Veränderungen einfach über die Arme aus.

Die Autoren sagen, dass dies die Stärke ihres Designs beweist Software. “Durch die Gestaltung der Materialien und geometrischen Parameter von diese Zelle, “schreiben sie”, die inhärente Energielandschaft der Der gesamte Greifermechanismus kann programmiert werden auch flexibel genug, um alles von einem mechanischen Gerät zu machen ein faltbarer Flügel.

Es ist unwahrscheinlich, dass diese Arbeit meine Reaktion auf das Kommen ändert über einen Ohrwurm in der realen Welt gibt es mir einen neuen Fund Wertschätzung für die Kräfte, die ihre Entwicklung vorangetrieben haben. Es hat sogar hat mir geholfen, den 3D-Druck ein bisschen mehr zu schätzen.

Science, 2018. DOI: 10.1126 / science.aap7753 (About DOIs).

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