En ny studie har visat att högfrekventa vibrationer kan få tegelstenar att självmontera till ett större 3D-objekt, ett fynd som en dag kan hjälpa till att undanröja behovet av fabriksmonteringslinjer.

Resultaten, publicerades idag i tidskriften Scientific Reports, signalera ett viktigt framsteg inom programmerbar självmontering, vilket tidigare ansågs endast vara möjligt med endimensionella eller tvådimensionella objekt.

Forskargruppen, ledd av Dr Ido Bachelet från Institutet för nanoteknologi och avancerade material vid Bar-Ilan University i Israel, använde en algoritm från Computational Geometry Algorithm Library (CGAL) som en del av en design som gjorde det möjligt för 18 tetraedriska tegelstenar att självmontera till en större 3D-cylinder.

Den här videon visar blocken i monteringsprocessen. Kredit:Adar HacohenHel objektmontering. Kredit:Adar Hacohen

"Monteringsregler är kodade av topografiska signaler på tegelytorna medan attraktion mellan tegelstenar tillhandahålls av inbäddade magneter, ", sa forskarna i sin uppsats. "Tegelstenarna kan sedan blandas i en behållare och omröras, leder till korrekt sammansatta objekt med hög avkastning och noll fel.

"Förbättrade design inspirerade av vårt system kan leda till framgångsrik implementering av självmontering i makroskala, tillåter snabb, tillverkning på begäran av föremål utan behov av monteringslinjer."

Naturlig självmontering

Förmågan för livet att bygga ihop sig själv är något som fortsätter att förbrylla forskarna:proteiner, virus, levande celler och flercelliga organismer är alla exempel på system där delar är bundna till varandra genom attraktion för att bilda en struktur eller ett mönster.

Hamza Bendemra, en forskningsingenjör vid Australian National University, som inte var involverad i studien, sa att forskningen kring 3D-utskrivna sammansättningar är anmärkningsvärd.

"Algoritmen var inspirerad av den molekylära sammansättningen av DNA, " sa han. Men han tillade att mer forskning behövdes för att ta itu med tidens utmaningar, utrymme och säkerhet för att modellen ska bli mer effektiv på att formas och hålla ihop.

"I studien, en montering av två tegelstenar tog mindre än en minut att självmontera. Dock, en 18-delad montering som krävdes över två timmar för att utföra samma bedrift."

"Komponenterna utsätts för höga vibrationer och kolliderar om och om igen tills de passar i rätt kombination. Det skulle vara en utmaning att implementera en sådan metod med material med låg hållfasthet och dålig slagtolerans utan att orsaka skada."

Byggandets framtid?

Bernard Meade, Chef för Research Compute Services vid University of Melbourne, sa att även om den initiala forskningen är begränsad till att bygga små föremål, framtida demonstrationer som kombinerar andra tekniker, såsom inbyggd elektronik, skulle kunna göra den snabba konstruktionen av större enheter lönsam.

"Till exempel, beställa en smart telefon med specifika komponenter, automatiskt monterad och krymplindad med en skyddande beläggning, kan ta bara några minuter – och kräver inte längre att tusentals telefoner är färdiggjorda. Kanske kan tillverkning av möbelskala vara möjlig i framtiden – tänk dig flatpack IKEA – men jag tror att det skulle vara svårt att få till något som är lika stort som ett hus."

Nästa steg i att utveckla denna studie för bygg- och tillverkningsindustrin är att använda både magnetiska krafter och lim för att säkerställa att monteringen håller sig på plats.

Bendemra höll med, sa att "Forskarna gjorde ett fantastiskt jobb med att lägga till topografiska ledtrådar för att säkerställa en unik kombination endast skulle leda till att bitarna låser sig. Deras bilder visar tydligt att bitar som kolliderar i en oönskad formation lossnar tills de låser sig som planerat. "

"Antalet delar som är involverade i monteringen och arten av materialen som används (inklusive magneten) i mer komplexa sammansättningar kan begränsa användningen av en sådan metod."

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).