Teknologi Hitam Tsinghua muncul pada kulit Sains: sebuah filem dilekatkan pada tiub bulat, mengubahnya menjadi struktur 3D yang kompleks dalam beberapa saat

Dalam amalan perindustrian, pemasangan alat ganti dan peralatan elektronik adalah pautan utama untuk operasi normal peralatan mekanikal yang kompleks. Pada masa lalu, substrat di mana komponen ini dipasang kebanyakannya rata, dan beberapa bahagian yang dipasang pada permukaan melengkung kebanyakannya terhad kepada struktur mudah dan sukar untuk diubah suai.

Untuk bahagian struktur tiga dimensi yang kompleks, bolehkah ia dipasang pada substrat melengkung sambil menjadikannya mudah untuk dipasang dan diubah suai? Baru-baru ini, pasukan Profesor Zhang Yihui dari Universiti Tsinghua mencadangkan strategi perhimpunan baharu untuk menyelesaikan masalah ini, dan menerbitkan hasilnya dalam terbitan terkini Science Advance.

Pautan kertas: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922

Makalah tersebut menyebut bahawa peranti elektronik dengan struktur tiga dimensi yang direka bentuk adalah penting untuk penderiaan geseran, pengimejan optik medan lebar dan pengukuran halaju aliran. Kemajuan terkini dalam pemasangan berpandukan mekanikal mewujudkan laluan struktur tiga dimensi yang ditentukan dalam bahan berprestasi tinggi melalui ubah bentuk rolling/lipat/lentur terkawal. Walau bagaimanapun, struktur tiga dimensi yang terhasil kebanyakannya terbentuk pada substrat rata dan tidak boleh terus dipindahkan ke substrat melengkung yang lain.

Kajian ini memperkenalkan strategi pemasangan tersusun yang boleh mengubah filem 2D kepada struktur 3D yang kompleks pada permukaan melengkung yang berbeza. Strategi ini menggunakan pemuatan mekanikal yang telah ditetapkan untuk mengubah bentuk substrat elastomerik melengkung menjadi struktur satah/silinder, yang kemudiannya didorong oleh penyamaran uniaxial/dwipaksi tambahan untuk memacu pemasangan berpandukan gancu.

Melalui pemodelan mekanikal, beban yang telah ditetapkan boleh dilepaskan dengan tepat, dan bahagian dengan struktur tiga dimensi yang kompleks boleh dipasang dengan teratur pada permukaan melengkung dalam contoh dalam artikel ini , berpuluh-puluh daripada ini dipasang pada bahagian seperti struktur. Ini termasuk antena dipole boleh tala, penderia aliran dalam paip air, sistem elektronik bersepadu yang boleh disepadukan secara selaras dengan jantung dan banyak lagi.

Gambar di atas ialah gambar rajah konsep strategi pemasangan teratur bagi tiga dimensi kompleks struktur pada permukaan melengkung.

(A) Gunakan pembentukan topeng hiasan tiga dimensi wajah manusia untuk menggambarkan strategi pemasangan yang teratur. Dua imej di sebelah kanan sepadan dengan ramalan analisis unsur terhingga dan imej optik struktur tiga dimensi dalam dwilapis perak (5 m) dan PET (75 m).

(B) Gambar di atas adalah hasil analisis unsur terhingga bagi tapak lingkaran dan tapak lingkaran yang boleh diratakan oleh beban kilasan dan tegangan. Panel bawah menunjukkan proses pemasangan tersusun bagi struktur seperti daun tiga dimensi pada substrat lingkaran, bersama-sama dengan ramalan analisis unsur terhingga dan imej pengimejan optik.

(C) Gambar rajah konsep memasang struktur tiga dimensi pada permukaan dalam tiub silinder Sebelum penyepaduan dengan prekursor dua dimensi, substrat dipotong secara serong dan diratakan dengan. ubah bentuk lenturan, dan kemudian diregangkan. Panel bawah menunjukkan proses pemasangan teratur struktur heliks tiga dimensi berlapis [aluminium (2.5 m)/PET (30 m)] di dalam tiub silinder, disertai dengan ramalan analisis unsur terhingga dan imej optik.

(D) Ilustrasi proses pemasangan struktur tiga dimensi pada substrat dengan bentuk jalur Möbius dan struktur seperti semut yang dipasang pada substrat [Al (2.5 m) / PET (30 m)] ramalan analisis unsur terhingga dan imej optik.

Gambar di atas menunjukkan struktur tiga dimensi kompleks yang dipasang pada permukaan melengkung yang boleh diratakan.

Di mana (A) ialah gambarajah skematik tapak melengkung berbentuk ladam, yang boleh diratakan dengan regangan uniaksial. (B) Imej optik yang menggambarkan proses pemasangan struktur reben tiga dimensi pada substrat berbentuk ladam. (C) Analisis unsur terhingga dan keputusan empirikal profil matriks generatif bagi substrat elastomerik hemisfera di bawah pelbagai peringkat regangan dwipaksi. R0 mewakili jejari hemisfera awal. (D) Ramalan analisis unsur terhingga profil terikan utama maksimum bagi matriks hemisfera di bawah pelbagai peringkat regangan dwipaksi.

(E) Perbandingan reben lurus (Lribbon) berbeza panjang dipasang pada substrat hemisfera seperti yang diramalkan oleh analisis unsur terhingga. (F) Geometri 2D, ramalan FEA dan imej eksperimen pelbagai struktur 3D yang dipasang pada permukaan cembung dan cekung substrat hemisfera. G hingga J: Reka bentuk songsang bagi permukaan separa elips yang dipasang pada tapak hemisfera. (K hingga N) Reka bentuk songsang hemisfera kecil dengan ketinggian yang sama (hi) dipasang pada lokasi spatial yang berbeza pada tapak hemisfera. (O dan P) Imej optik rangkaian struktur skala mikro lingkaran dan mikrostruktur kecil seperti reben rombohedral tiga dimensi yang dipasang pada permukaan brainoid.

Gambar di atas menunjukkan pemasangan struktur tiga dimensi kompleks pada permukaan silinder/kuasi-silinder.

(A) Ilustrasi skematik model aorta yang digunakan sebagai tapak melengkung, dan proses pemasangan struktur heliks dan dua heliks pada tapak ini melalui lengkokan mampatan.

(B) Proses memasang jalur lurus berbeza panjang pada tapak silinder melalui lengkokan tegangan.

(C) Geometri dua dimensi, ramalan analisis unsur terhingga dan imej eksperimen pelbagai struktur tiga dimensi yang dipasang pada substrat silinder.

(D) Imej eksperimen prekursor 2D, ramalan analisis unsur terhingga dan struktur 3D seperti skala berinspirasikan kirigami yang dibentuk oleh lengkokan tegangan.

(E) Ramalan analisis unsur terhingga dan imej eksperimen menunjukkan proses pemasangan teratur tatasusunan struktur skala berinspirasikan kirigami pada gentian lingkaran Archimedean.

(F hingga H) Reka bentuk terbalik untuk memasang struktur heliks dengan ketinggian dan jarak yang sama di kawasan spatial yang berbeza pada gentian heliks.

Pasukan Pengarang

Pengarang yang sepadan untuk artikel ini ialah Dr. Zhang Yihui, Jabatan Kejuruteraan Mekanik, Pusat Pengajian Aeronautik dan Astronautik, Universiti Tsinghua profesor tetap.

Mendapat PhD daripada Jabatan Mekanik Kejuruteraan, Pusat Pengajian Aeroangkasa dan Astronautik, Universiti Tsinghua pada tahun 2011. Dari 2011 hingga 2015, beliau berkhidmat sebagai Fellow Pascadoktoral dan Penolong Profesor Penyelidik di Jabatan Kejuruteraan Awam dan Alam Sekitar di Northwestern University. Pada 2015, beliau menyertai Jabatan Mekanik Kejuruteraan Universiti Tsinghua dan berkhidmat berturut-turut sebagai profesor bersekutu, profesor bersekutu tetap dan profesor tetap.

Bidang penyelidikan utama ialah pemasangan struktur mikro tiga dimensi berpandukan mekanik, bahan lembut tidak konvensional, peranti elektronik yang fleksibel dan mudah ditempa, bahan pintar dan mekanik struktur Setakat ini, 5 paten ciptaan China yang dibenarkan telah diperolehi , 3 paten ciptaan A.S., menerbitkan 1 monograf akademik, dan menerbitkan lebih daripada 150 makalah SCI, antaranya pengarang yang sepadan telah diterbitkan dalam "Sains", "Alam Semula Jadi", "Bahan Alam Semula Jadi", "Elektronik Alam Semula Jadi", " Bahan Ulasan Alam Semula Jadi", " Beliau telah menerbitkan lebih daripada 80 kertas akademik peringkat tinggi dalam jurnal seperti Nature Communications, Science Advances, PNAS, JMPS, Advanced Materials, dan ACS Nano.

Dua pengarang bersama pertama, Xue Zhaoguo dan Jin Tianqi, kedua-duanya dari Makmal Mekanik Gunaan Jabatan Mekanik Kejuruteraan Universiti Tsinghua. Xue Zhaoguo bertanggungjawab terutamanya untuk konseptualisasi, penyusunan data, analisis formal, pemerolehan pembiayaan, penyiasatan, metodologi, pengurusan projek, sumber, perisian, pengesahan, visualisasi, penulisan kertas, semakan dan penyuntingan. Jin Tianqi bertanggungjawab terutamanya untuk konseptualisasi, pengurusan data, analisis formal, penyiasatan, metodologi, perisian, visualisasi dan penulisan kertas.

Atas ialah kandungan terperinci Teknologi Hitam Tsinghua muncul pada kulit Sains: sebuah filem dilekatkan pada tiub bulat, mengubahnya menjadi struktur 3D yang kompleks dalam beberapa saat. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!