L’aile d’Earwig inspire des designs compacts qui se plient se

L'aile d'Earwig inspire des designs compacts qui se plientAgrandirDr. Jakob Faber, ETH Zürich

Je dois admettre que même comme quelqu’un qui est fasciné par la plupart insectes, le perce-oreille me fait peur. En voyant un, je suis généralement trop occupé à essayer de l’écraser pour remarquer les détails de son anatomie. C’était donc un peu surprenant de découvrir que non seulement ils ont des ailes, mais leurs ailes sont les détenteurs du record du monde dans un aspect spécifique de la nervosité des insectes: ils occupent le moins de place possible une fois plié par rapport à leur taille étendue. Le rapport entre ces états peuvent atteindre 18 à un.

Sachant cela, j’ai été moins surpris de découvrir que les chercheurs ont décidé d’étudier ce peu de biologie pour voir si ils peuvent tirer des conclusions de ce que l’évolution a fait avec le oreille Dans le numéro actuel de Science, vous trouverez un rapport sur ce qui a ont été appris par trois chercheurs: Jakob Faber et Et ré Studart de ETH Zurich et Andres Arrieta de l’Université Purdue. Ils trouvent ça pour imiter l’aile du perce-oreille, une approche de pliage de style origami ne sera pas faire. Au lieu de cela, ils ont conçu et imprimé en 3D une sélection de modèles méta-stables qui, avec un petit apport d’énergie, rapidement basculer entre les états plié et déplié.

Quand beaucoup de gens, y compris la plupart des scientifiques des matériaux, pensent � pliant, leur première pensée est l’origami. Mais l’équipe de recherche a constaté que le “système de pliage naturel exquis” des oreillettes se comporte d’une manière qui “ne peut pas être suffisamment décrit par l’origami actuel modèles. “Une partie du problème est un de la science des matériaux: il y a certains modèles de pliage dans l’aile qui ne peuvent tout simplement pas être fait par créer un pli dans un seul matériau ou utiliser les lignes droites d’origami. De plus, l’aile est bi-stable, se tenant bien placer pendant le vol avec une contribution minimale des muscles et se replier entièrement sans aucune énergie musculaire étant dépensé.

Le secret de ceci est en partie que la biologie ne se limite pas � soit des lignes droites ou un seul matériau. En fait, les joints sur l’aile d’un oreille est riche en une protéine appelée résiline, qui forme un polymère flexible capable de stocker et de libérer de l’énergie lorsqu’il est plié et détendu.

L’aile du perce-oreille. Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

Une animation du processus de pliage. Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

La forme extrêmement compacte, entièrement pliée. Dr. Jakob Faber, ETHZürich

Pour en savoir plus sur le fonctionnement du système, la voilure insecte était soumis à une analyse par éléments finis, qui modélise le comportement de composants individuels d’un système, puis construit plus compliqué équations en combinant ces éléments. Cela a révélé quelques bases principes sur le comportement de l’aile. Pour donner un exemple, si un L’articulation entre deux segments d’aile est régulièrement espacée sur le jonction entière, le déroulement se traduira par une simple, linéaire expansion. Si l’articulation est asymétrique, les pièces seront également faire pivoter les uns par rapport aux autres au fur et à mesure que le joint se dévoile.

4D? Quelle?

Tout au long de cet article, les chercheurs se réfèrent à leur processus “Impression 4D.” Ce n’est pas la première fois que j’entends le terme, donc il y a une chance que les gens vont essayer de le vulgariser. Espérons qu’ils échouent, car c’est un terme très déroutant, et un il est difficile de trouver une bonne définition pour.

En physique, les trois premières dimensions sont l’espace et la quatrième c’est le temps. L’impression 3D implique la création d’un objet qui s’étend dans les trois dimensions spatiales. Mais que pourrait faire le temps d’impression peut-être ressembler? Allez-vous en arrière et ajouter de nouvelles pièces par réimpression?

Nan. Au lieu de cela, l’impression 4D consiste à imprimer un objet pouvant adopter plus d’une forme. Le formulaire que vous imprimez peut ne pas être le formulaire qu’un objet est bloqué pour le reste de son existence. Puisque cela pourrait être vrai pour quoi que ce soit imprimé avec un flexible matériel, cela semble être une définition excessivement large. Andparce que la confusion à propos du temps d’impression signifie que quiconque vient à travers ce terme devra le chercher au lieu d’être Cela va de soi, il est probablement préférable que tout le monde l’oublie. déjà utilisé.

Une version simplifiée des résultats de l’élément fini l’analyse ont ensuite été programmés dans un outil de conception, permettant chercheurs pour faire des surfaces pliables qui imitent ceux de la Ailes d’oreille: pliage compact et stable plié et déplié États. Les dessins résultants pourraient ensuite être envoyés à une imprimante 3D qui a utilisé différents matériaux pour les segments et les articulations et pourrait créer des courbes arbitraires pour toutes les articulations. En fait, le les chercheurs ont généralement trouvé plus facile d’imprimer la forme pliée du quoi qu’ils fassent, puisque la tête d’impression devait voyager Moins.

Le système a fonctionné incroyablement bien. Un motif simple à quatre les carrés ont démontré la métastabilité de l’aile d’oreille. Avec un petit apport d’énergie, il pourrait se casser entre son ouverture et états fermés en aussi peu que 80 millisecondes. Mais ils ont aussi structures plus complexes imprimées, comme une reproduction du perce-oreille aile. Et ils ont également produit de nouveaux modèles, comme une paire de pinces qui pourraient basculer entre les états ouvert et fermé, avec le état fermé pouvant saisir des objets. L’ensemble du processus de fermeture est contrôlée par une petite collection de panneaux où les deux bras de la pince se rencontre; les changements se propagent simplement dans les bras.

Les auteurs disent que cela prouve la force de leur conception Logiciel. “En concevant les matériaux et les paramètres géométriques de cette cellule “, écrivent-ils,” le paysage énergétique inhérent à la mécanisme de préhension complet peut être programmé. “Il est clair que le système est également assez souple pour faire tout d’un dispositif mécanique � une aile pliable.

Bien que ce travail est peu susceptible de changer ma réaction à venir à travers une oreille dans le monde réel, il me donne une nouvelle découverte appréciation des forces qui ont conduit leur évolution. Il a même m’a aidé à apprécier un peu plus l’impression 3D.

Science, 2018. DOI: 10.1126 / science.aap7753 (À propos des DOI).

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