在一篇題為《帶有調(diào)諧元件的扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的3D打印》的論文中，一組研究人員指出，到目前為止，大多數(shù)3D打印結(jié)構(gòu)都是“具有固定形狀和功能的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。”然后他們繼續(xù)介紹雙穩(wěn)態(tài)3D打印——特別是扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。他們使用形狀記憶聚合物（SMPs）來(lái)做到這一點(diǎn)——SMP是智能材料，可以記憶永久形狀，并具有多個(gè)臨時(shí)形狀。
“我們首先提出3D打印的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，允許扭曲和旋轉(zhuǎn)重新配置，”研究人員說(shuō)，“我們的設(shè)計(jì)基于柔性結(jié)構(gòu)，但與傳統(tǒng)的沒(méi)有接頭的整體結(jié)構(gòu)不同，我們引入了特殊的接頭，可以在不進(jìn)行后裝配的情況下對(duì)整個(gè)部件進(jìn)行3D打印。這些關(guān)節(jié)對(duì)于調(diào)整雙穩(wěn)態(tài)也很重要。然后，通過(guò)使用SMP元件，我們演示了可調(diào)諧雙穩(wěn)態(tài)元件。”
使用嵌入在扭曲和旋轉(zhuǎn)部件中的可調(diào)諧SMP元件，研究人員能夠調(diào)整扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)角度并控制雙穩(wěn)態(tài)能量圖的整體形狀。這些可調(diào)諧雙穩(wěn)態(tài)元件可用于執(zhí)行器或機(jī)械開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)控制。
使用Stratasys J750多材料3D打印機(jī)對(duì)組件進(jìn)行3D打印。研究人員引入了特殊的接頭來(lái)構(gòu)造扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)元件而無(wú)需后裝配。球形接頭用于加捻部件，銷接頭用于旋轉(zhuǎn)接頭。
“此外，通過(guò)引入SMP，我們展示了扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)部件的可調(diào)諧雙穩(wěn)態(tài)。”他們繼續(xù)說(shuō)道，“通過(guò)設(shè)計(jì)合適的SMP元件，我們可以在打印后重新調(diào)整雙穩(wěn)態(tài)能量圖并實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。這顯著提高了雙穩(wěn)態(tài)在各種3D打印組件中的可調(diào)性和適用性。”
雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)由能壘隔開(kāi)的穩(wěn)定狀態(tài)。
“這些穩(wěn)定狀態(tài)是彈性-勢(shì)能-能量圖的局部最小值，”研究人員解釋說(shuō)，“通過(guò)具有橫向或旋轉(zhuǎn)力的適當(dāng)機(jī)械動(dòng)作，可以在兩個(gè)穩(wěn)定配置（狀態(tài)A和B）之間切換多次可逆地完成。勢(shì)能圖中的斜率表示在給定位移處施加的力。為了克服能量障礙并誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌螤睿覀儜?yīng)該施加足夠的能量來(lái)克服這個(gè)障礙。一旦我們通過(guò)屏障的山丘，結(jié)構(gòu)將自動(dòng)變形為另一個(gè)穩(wěn)定的低能狀態(tài)，而無(wú)需額外的能量。”
雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定而沒(méi)有能量消耗，因?yàn)樗幱诜€(wěn)定的能量位置。研究人員繼續(xù)說(shuō)，小擾動(dòng)不會(huì)改變穩(wěn)定位置，因此開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)足以實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。
研究人員表示，將SMP引入雙穩(wěn)態(tài)組件可以潛在地實(shí)現(xiàn)對(duì)智能和可編程傳感器和執(zhí)行器有用的刺激響應(yīng)運(yùn)動(dòng)。SMP可用于在雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)中啟用主動(dòng)重新配置。
該論文的作者包括Hoon Yeub Jeung，Soo-Chan An，In Cheol Seo，Eunseo Lee，Sangho Ha，Namhun Kim和Young Chul Jun。
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