二維剪刀網格的增材設計

Khái niệm cốt lõi

本文介紹了一種基於二桿連桿（「剪刀機構」）的新型可變形結構設計方法，這些連桿在頂點處連接形成二維網格，並闡述了其設計原理、算法和應用潛力。

Tóm tắt

二維剪刀網格的增材設計

本文介紹了一種稱為「karigami」的新型可變形結構設計方法，其靈感來自於摺紙和剪紙藝術。Karigami 結構由二維剪刀網格組成，每個單元由兩個桿件通過鉸接點連接，並通過頂點鉸接點與其他單元相連。

主要內容：

• 剪刀機構： karigami 的基本單元是剪刀機構，它具有五個自由度，包括四個桿件長度和一個開合角度。
• 運動學相容性： 為了使二維剪刀網格能夠作為連續機構運作，需要滿足運動學相容性條件，即相鄰單元的邊緣長度必須相等。
• 可折疊性： 可折疊性是指結構是否可以完全「壓平」，所有剪刀單元都處於閉合狀態。
• 增材構造： 本文提出了一種增材構造方法，通過迭代地添加滿足運動學相容性和可折疊性條件的剪刀單元來設計 karigami 結構。
• 外在算法： 該算法用於設計平面 karigami 結構，通過指定生長前沿並沿其構造連續的剪刀單元行。
• 內在算法： 該算法用於設計彎曲 karigami 結構，通過修改生長前沿的幾何形狀來實現。

應用：

• 本文展示了使用外在算法和內在算法設計的各種 karigami 結構示例，包括螺旋形、環形、球形和雙曲面等。
• Karigami 結構具有廣泛的應用潛力，可用於設計可編程形狀和功能的超材料、機器人和建築結構等。

總結：

本文提出了一種基於剪刀機構的新型可變形結構設計方法，並開發了相應的設計算法。Karigami 結構具有設計靈活、易於製造和應用廣泛等優點，為可變形結構設計領域提供了新的思路和方法。

Thống kê

Trích dẫn

Thông tin chi tiết chính được chắt lọc từ

Additive design of 2-dimensional scissor lattices

by Noah Toyonag... lúc arxiv.org 10-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.14124.pdf

Yêu cầu sâu hơn

Karigami 結構的力學性能如何？如何通過設計參數來調整其剛度和強度？

Karigami 結構的力學性能取決於多個設計參數，例如組成桿件的材料屬性（例如楊氏模量、屈服強度）、桿件的幾何形狀（例如長度、橫截面積）、剪刀單元的連接方式以及整體結構的拓撲結構。
剛度和強度調整：

材料選擇: 選擇高楊氏模量和屈服強度的材料可以顯著提高 karigami 結構的剛度和強度。例如，使用碳纖維增強塑料代替 ABS 塑料可以製造出更堅固、更輕便的結構。
桿件幾何形狀: 增加桿件的橫截面積或減少桿件的長度可以提高結構的剛度。例如，可以使用更寬或更厚的材料條來增加橫截面積。
連接方式: 使用更堅固的連接方式，例如鉚接或螺栓連接代替孔眼，可以提高結構的強度和剛度。此外，可以通過增加連接點的數量來分散載荷，從而提高結構的整體強度。
拓撲結構: 設計具有更多閉合迴路的 karigami 結構可以提高其剛度，因為閉合迴路可以更有效地抵抗變形。
通過調整這些設計參數，可以設計出滿足特定力學性能要求的 karigami 結構。例如，可以設計出高剛度的 karigami 結構用於建築和橋樑，也可以設計出柔性的 karigami 結構用於軟機器人和可穿戴設備。

如何將 karigami 結構應用於軟機器人設計？例如，可以利用其可變形特性來實現機器人的運動和抓取功能。

Karigami 結構的可變形特性使其成為軟機器人設計的理想選擇。以下是一些應用 karigami 結構實現機器人運動和抓取功能的例子：

運動:

蠕动: 設計成具有特定幾何形狀的 karigami 結構可以通過改變其展開狀態來實現蠕动運動。例如，可以設計一個類似於蛇或毛毛蟲的機器人，通過控制 karigami 結構的展開和收縮來模擬其運動方式。
滾動: 設計成圓柱形或球形的 karigami 結構可以通過改變其形狀來實現滾動運動。例如，可以設計一個類似於球形機器人的結構，通過控制 karigami 結構的展開和收縮來改變其重心，從而實現滾動。
折疊和展開: 利用 karigami 結構的折疊和展開特性，可以設計出能夠改變自身形狀和尺寸的機器人。例如，可以設計一個能夠在狹小空間中移動的機器人，通過折疊其 karigami 結構來縮小尺寸，到達目標位置後再展開。

抓取:

自适应抓取: 設計成具有多個自由度的 karigami 結構可以實現自适应抓取，即根據物體的形狀和尺寸自動調整抓取姿态。例如，可以設計一個具有多個 karigami 結構的手爪，通過控制每個結構的展開和收縮來調整手爪的形狀，以適應不同物體的抓取。
柔性抓取: karigami 結構的柔性使其能夠抓取易碎或不規則形狀的物體，而不會損壞它們。例如，可以設計一個用於抓取水果或蔬菜的機器人，其 karigami 結構可以輕柔地包裹住物體，而不會造成損壞。
通過結合不同的設計參數和控制策略，可以利用 karigami 結構設計出具有複雜運動和抓取功能的軟機器人，並應用於醫療、製造、勘探等領域。

Karigami 結構的設計靈感來自於摺紙和剪紙藝術，那麼是否可以從其他藝術形式中汲取靈感，開發出更多新型的可變形結構？

當然可以！摺紙和剪紙只是眾多藝術形式中的兩個例子，它們為可變形結構的设计提供了豐富的靈感來源。以下是一些其他藝術形式以及如何從中汲取靈感開發新型可變形結構的例子：

編織: 編織藝術利用線材的交織來創造出具有複雜圖案和紋理的平面或立體結構。從編織藝術中汲取靈感，可以開發出新型的可變形結構，例如：

利用編織技術將多個具有不同材料特性的線材編織在一起，創造出具有可控剛度和柔性的結構。
模仿編織圖案的幾何形狀，設計出能夠通過拉伸、彎曲或扭轉來改變形狀的可變形結構。

籃筐编织: 籃筐编织利用天然材料（如藤條、竹篾）的彎曲和交織來創造出輕便、堅固的容器和家具。從籃筐编织藝術中汲取靈感，可以開發出新型的可變形結構，例如：

模仿籃筐编织的結構和材料，設計出具有高強度重量比的可展開結構，例如帳篷、橋樑等。
利用籃筐编织的幾何形狀，設計出能夠通過改變其曲率來調整其剛度和承載能力的可變形結構。

雕塑: 雕塑藝術利用各種材料和技術來創造出具有三維形態的藝術作品。從雕塑藝術中汲取靈感，可以開發出新型的可變形結構，例如：

模仿雕塑作品的形態和結構，設計出具有美學價值和功能性的可變形建築外牆或室內裝飾。
利用雕塑的空間構成原理，設計出能夠通過改變其形狀來適應不同環境的可變形機器人或家具。
總之，藝術世界充满了各种各样的形式和技巧，可以为可变形结构的设计提供无尽的灵感。通过借鉴不同艺术形式的精髓，并结合材料科学、工程学和机器人技术的最新进展，我们可以期待在未来看到更多具有创新性和实用性的可变形结构出现。