如何用小块做大事
发布时间：
2021-09-15 13:33
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究人员发明了一种新方法，用于组装大型结构 - 甚至是飞机和桥梁 - 由小型互锁复合材料组成。
麻省理工学院的研究人员已经开发出一种轻质结构，其小块可以像儿童建筑玩具的砖块一样折断在一起。研究人员表示，这种新材料可以改变飞机，航天器甚至更大型结构(如堤坝和堤坝)的组装。
本周刊载于科学杂志的一篇论文中描述了新的建构方法，该杂志由博士后的Kenneth Cheung和麻省理工学院的Bits and Atoms中心主任Neil Gershenfeld共同撰写。
Gershenfeld将结构(由微小的，相同的，互锁的部件组成)比作链子。这些部件基于Cheung与Gershenfeld开发的新颖几何形状，形成了一种结构，对于给定重量，其结构比现有的超轻材料硬10倍。但是这种新结构也可以轻松拆卸和重新组装 - 例如修复损坏，或将部件回收到不同的配置中。
各个部件可以批量生产; Gershenfeld和Cheung正在开发一种机器人系统，将它们组装成机翼，飞机机身，桥梁或火箭 - 以及许多其他可能性。
Gershenfeld说，新设计结合了三个研究领域：纤维复合材料，多孔材料(用多孔电池制造)和增材制造(如三维印刷，其中结构是通过沉积而不是去除材料建造的)。
传统的复合材料 - 现在用于从高尔夫球杆和网球拍到波音新787飞机部件的所有部件 - 每件都是作为连续单元制造的。因此，制造大型结构，例如飞机机翼，需要大型工厂，其中纤维和树脂可以缠绕并且部件作为整体进行热固化，从而小化在终组装中连接的单独件的数量。例如，这一要求意味着波音公司的供应商建造巨大的设施来为787制造零件。
磅为英镑，新技术允许更少的材料承载给定的负载。这不仅可以减轻车辆的重量，例如 - 可以显着降低燃料使用和运营成本 - 而且还可以降低建造和组装的成本，同时允许更大的设计灵活性。该系统对于“你需要移动，放置在空中或太空中的任何东西都很有用”，Cheung说，他将于今年秋天开始工作，担任美国宇航局艾姆斯研究的工程师。
在实验室中，制备多孔复合材料样品以测试其强度性质。 照片由Kenneth Cheung提供
Gershenfeld说，这个概念是针对“你能3D打印一架飞机吗?”这个问题而出现的。虽然他和Cheung意识到三维打印是如此大规模的不切实际的方法，但他们想知道它是否可能是可能而是使用他们正在研究的离散“数字”材料。
“这满足了问题的精神，”Gershenfeld说，“但它是组装而不是印刷。”该团队现在正在开发一种装配机器人，它可以在一个不断增长的结构表面爬行，像昆虫一样，逐个添加碎片现有的结构。
在传统的复合材料制造中，大型部件之间的接头往往是裂缝和结构故障开始的地方。虽然这些新结构是通过连接许多小复合纤维环而制成的，但Cheung和Gershenfeld表明它们的行为类似于弹性固体，其刚度或模量等于更重的传统结构 - 因为力通过内部结构传递碎片分布在晶格结构上。
更重要的是，当传统的复合材料受到破坏时，它们往往会突然大规模地失效。但研究人员说，新的模块化系统往往只是递增地失败，这意味着它更可靠，更容易修复。“这是一个大规模冗余的系统，”Gershenfeld说。
Cheung生产了扁平的十字形复合材料，这些复合材料被夹在一个八面体单元的立方晶格中，这种结构称为“cuboct” - 类似于地壳的主要成分 - 钙钛矿矿物的晶体结构。研究人员解释说，虽然可以拆卸各个组件进行维修或回收，但它们不会自行脱落。与带上的带扣一样，它们被设计成在正常使用中可能施加的力的方向上很坚固，并且需要在完全不同的方向上施加压力以便被释放。
连接多种类型零件的可能性为复合材料制造带来了新的设计自由度。研究人员表明，通过组合不同的部件类型，他们可以制作具有相同几何形状的变形结构，但是在响应负载时以不同方式弯曲：不是仅在固定关节处移动，机器人的整个臂或飞机机翼都可以改变形状。
负责飞机制造商空中客车公司创新计划的Alain Fontaine表示，这种建筑结构的新方法“确实具有破坏性。它为设计和制造飞机结构提供了有趣的机会。“他说，这些技术可以为其他机会敞开大门”，并具有降低制造成本的巨大潜力。
除了Gershenfeld和Cheung之外，该项目还包括麻省理工学院的本科生Joseph Kim和校友Sarah Hovsepian(现在在美国宇航局的Ames研究中心)。这项工作得到了国防研究计划局和比特和原子的赞助者的支持，Spirit Aerosystems在复合材料开发方面进行了合作。
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