Forskare vid TU Delfts institution för precisions- och mikrosystemteknik (PME) har designat en utvidgningsmetod som kan appliceras på vilken krökt yta som helst. Denna universella metod kan ha en rad tillämpningar, inklusive medicinska hängslen för barn, expanderbara möbler eller aortastentar. Metoden publicerades i Naturkommunikation den 15 november 2019.
Att göra ett föremål större eller mindre är vanligtvis bara möjligt genom att sträcka ut det, skrynkla ihop det eller ändra dess form på annat sätt. Strukturer som kan ändra storlek utan att ändra form kallas för dilatation. Sådana enheter kan ha viktiga tillämpningar inom teknik och medicin – tänk på att stentar implanteras i mänskliga artärer, till exempel. Nuvarande dilatationsmekanismer är begränsade till väldigt få former, mestadels sfärer eller sfärliknande ytor. Ett välkänt exempel är barnleksaken baserad på Hobermans sfär, där lederna viker sig in i mitten av kulan när den drar ihop sig. Sådana mekanismer har nackdelen att de delar som gör att föremålet kan expandera och dra ihop sig rör sig i en vinkel, vanligtvis vinkelrätt mot föremålets yta. Detta betyder att när föremålet ändrar form, de mekaniska delarna antingen sticker ut eller sticker ut i den inneslutna volymen. Det är långt ifrån idealiskt för många applikationer; det skulle hämma blodflödet i fallet med aortastentar, till exempel.
Triangulering + strömavtagare =utvidgning
Freek Broeren och Werner van de Sande, forskare vid TU Delfts institution för precisions- och mikrosystemteknik (PME), har designat en utvidgningsmetod som kan appliceras på vilken krökt yta som helst. De använde triangulering, visualisering av ett krökt föremål med hjälp av trianglar placerade över hela ytan. Triangelnät är ett beräkningseffektivt sätt att representera 3D-strukturer i datorgrafik. De kombinerade denna uppfinningsrikedom från 2000-talet med strömavtagaren från 1600-talet, en anordning som först nämndes i litteraturen 1653, gjord av fyra stänger fixerade vid en punkt och vridna vid de andra. Det används för att skala upp ritningar, till exempel. Broeren och Van de Sande använde konceptet med den sneda strömavtagaren, en specifik mekanism som kan användas för att skala trianglar.
"Det första steget i vår metod är att triangulera objektets yta, " förklarar Broeren. "Nästa, en plattsättningsalgoritm ersätter var och en av de triangulära ytorna med pantografmekanismer på ett sådant sätt att kollisioner undviks vid skalning. Detta gör det möjligt att skala vilken yta som helst med en frihetsgrad, vilket innebär att rörelsen sker i samma plan som objektets yta. Teoretiskt sett, vi kan skala strukturer från deras helt expanderade konfiguration ner till en enda punkt."
Ansökningar
Broeren och Van der Sanden tillämpade sin strategi på flera exempel, inklusive Stanford-kaninen, en vanlig testmodell inom datorgrafik som utvecklades 1994 vid Stanford University. De bevisade också att deras metod kan appliceras på vilken yta som helst. Tillämpningar kan innefatta medicinska hängslen som kan expandera för växande barn, implantat som behöver rymma viss rörelse men behålla sin form, såsom aortastentar, eller till och med utbyggbara möbler.
Deras upptäckt har också betydelse för deras egen forskning. Werner van de Sande forskar om exoskelett som kan göra det möjligt för funktionshindrade att röra sig. "Dessa passiva exoskelett måste vara kompakta och förbli nära kroppen under rörelse. Att lägga till skalning på ytan ger oss mer designfrihet för att möta det kravet, " förklarar Broeren. Han arbetar själv med designmetoder för medicinska metamaterial. "Du kan skapa alla typer av materialegenskaper genom att kombinera hårda och mjuka material. Dock, det finns inga designmetoder för detta ännu. Det är därför jag tittar på den underliggande mekaniken."
