כיסא שמתקפל לשולחן ואז משתטח לאחסון נשמע כמו תרגיל נחמד בעיצוב תעשייתי. אבל במקרה של מערכת שפיתחו חוקרים ב-MIT, שינוי הצורה הוא רק חצי מהסיפור. המבנה גם יודע באיזה מצב הוא נמצא, והחיבור החשמלי שלו נשמר לאורך כל הדרך.
המערכת, שנקראת Bifur-circuits, מורכבת מיחידות מודולריות שמודפסות בתלת־ממד וכוללות בתוכן גם מסליכים מוליכים. כאשר מחברים את היחידות, מתקבל גם מבנה מכני וגם מעגל חשמלי רציף. אין חיווט נפרד בין כל חלק, ואין צורך להוסיף לכל יחידה חיישן חיצוני רק כדי לדעת אם היא התכופפה, נמתחה או הסתובבה.
זה בדיוק החיבור שהופך את העבודה למעניינת גם מחוץ לעולם המחקר האקדמי.
הבסיס המכני של היחידות הוא מטא־חומר אוקסטי מסוג Kirigami. בניגוד לחומר רגיל, שההתנהגות שלו נקבעת בעיקר לפי תכונות החומר עצמו, כאן לגיאומטריה יש תפקיד מרכזי. האופן שבו החלק חתוך, מחובר ומקופל קובע אם הוא יימתח, יתכווץ, יתכופף או יעבור למצב יציב אחר.
החוקרים ניצלו תופעה מכנית של bifurcation – מעבר חד של מבנה מתצורה אחת לאחרת כאשר הכוח המופעל עליו עובר סף מסוים. מי שכופף פעם סרגל פלסטיק עד שהוא "קפץ" לצורה אחרת מכיר את העיקרון, גם בלי לקרוא לו בשם.
באמצעות תכנון נכון של היחידות ניתן לייצר כמה מצבים יציבים. כאשר מחברים כמה יחידות יחד, מספר האפשרויות גדל והמבנה כולו יכול לעבור בין תצורות שונות.
כאן נכנסת האלקטרוניקה.
היחידות מיוצרות בהדפסת FDM רב־חומרית. לצד אזורים גמישים מודפסים גם מסליכים מוליכים, כולל באזורים שעוברים כיפוף בפועל. החוקרים השתמשו בחומרים מבוססי TPU לצורך האזורים הגמישים, וב-TPU מוליך באזורים שבהם נדרש להעביר אותות חשמליים.
המחברים הקשיחים משלימים את התמונה. בכל אחד מהם משולב PCB קטן, והחיבור בין שתי יחידות מעביר מתח, הארקה, נתונים ושעון. נקודות מגע נוספות מאפשרות למערכת לדעת כיצד כל יחידה מחוברת ומהו הכיוון שלה.
כאשר היחידה משנה צורה, חלק מהמגעים החשמליים בתוכה משתנים בהתאם. מערכת הבקרה קוראת את השינויים האלה ויודעת לזהות את התצורה הנוכחית.
במילים פשוטות יותר: המבנה עצמו "מספר" למערכת איזו צורה הוא קיבל.
החוקרים בדקו גם את העמידות של החיבור החשמלי תחת עומס מכני חוזר. היחידות עברו יותר מ־10,000 מחזורי דחיסה, תוך שמירה על רציפות חשמלית. זה אולי נשמע כמו פרט טכני צדדי, אבל במקרה הזה הוא קריטי: מסלול מוליך שעובד רק כל עוד החלק נשאר ישר לא היה שווה הרבה.
האתגר היה לגרום למסליכים לעבור גם דרך האזורים הגמישים מבלי לאבד מגע ומבלי ליצור קצרים בנקודות שבהן חלקים שונים מתקרבים זה לזה במהלך העיוות. גם המחברים תוכננו עם כמה נקודות מגע, כך שהמערכת לא מזהה רק "יש חיבור" או "אין חיבור", אלא גם את אופן ההרכבה.
מתכנון גיאומטרי ועד זיהוי בזמן אמת
לצד החומרה פיתח הצוות גם כלי תכנון המבוסס על Fusion 360. המשתמש יכול להגדיר את ממדי היחידה, עובי האזורים הגמישים וסוג היציבות הרצוי, והמערכת מייצרת את הגיאומטריה הדרושה להדפסה.
בחלק מהיחידות ניתן לשלב גם מגנטים במהלך תהליך הייצור, כדי לסייע בשמירה על מצב יציב לאחר שינוי הצורה.
בצד התוכנה נבנתה מערכת שמקבלת בזמן אמת את המידע החשמלי מכל היחידות ומרכיבה ממנו מודל תלת־ממדי של המבנה. כך ניתן לראות על המסך איזו טופולוגיה נוצרה ולחבר בין צורה מסוימת לפעולה מוגדרת מראש.
זה מאפשר לקחת את הרעיון צעד מעבר ל"רהיט שמתקפל".
אחד מאבות־הטיפוס שהציג הצוות הוא אמנם מבנה שניתן להעביר בין מצב של כיסא, שולחן קטן ומצב שטוח לאחסון. אב־טיפוס נוסף שימש כבקר פיזי, כאשר שינוי הצורה שלו משנה גם את תפקידו.
אבל היישומים המעניינים יותר מבחינה הנדסית נמצאים במקום אחר.
תפסן רובוטי, למשל, יכול לשנות גיאומטריה בהתאם לעצם שהוא צריך לאחוז בו, ועדיין לשמור על חיבור חשמלי פעיל. זה יכול להיות רלוונטי במיוחד במערכות שבהן לא רוצים לבנות מנגנון נפרד לכל מצב אחיזה.
גם אנטנות הן מועמדות טבעיות. שינוי גיאומטריה משפיע ישירות על מאפייני הפעולה של האנטנה, ולכן מבנה שמסוגל לעבור בצורה מבוקרת בין כמה תצורות עשוי לאפשר התאמה של מאפייני התדר בלי להוסיף מנגנון מכני מסורבל.
החוקרים מזכירים גם רובוטיקה רכה, התקני שיקום ומבנים מודולריים שניתן לשנות לאחר ההרכבה.
איור 1: מגוון תצורות אפשריות של מערכת Bifur-circuits , המדגימות את היכולת של היחידות המודולריות לעבור בין מבנים וצורות שונות. קרדיט: Courtesy of the researchers / MIT
עדיין לא מוצר
Bifur-circuits רחוקה עדיין ממערכת מסחרית. חומרים מוליכים מודפסים אינם תחליף ישיר למוליכים מתכתיים, ה-PCB שבכל מחבר מוסיף מורכבות, וגם הדפסה רב־חומרית כזאת עדיין אינה תהליך פשוט או זול.
יש גם פשרות מוכרות בין גמישות מכנית, חוזק מבני וביצועים חשמליים. כשמנסים לקבל הכול באותו חלק, משהו כמעט תמיד משלם את המחיר.
ועדיין, העבודה של MIT מראה כיוון מעניין מאוד עבור ייצור אדיטיבי מתקדם: לא רק לייצר חלק בעל צורה מסוימת, אלא לשלב בתוכו כבר בזמן הייצור הולכה, חישה והתנהגות מכנית.
עבור מהנדסי מכונות, אנשי זיווד ומפתחי מערכות אלקטרו־מכניות, זה כנראה החלק המעניין ביותר במחקר. הגבול בין "החלק" לבין "האלקטרוניקה שמורכבת עליו" מתחיל להיות פחות ברור.
מקור: MIT News / MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL)
המחקר: Bifur-circuits: Interactive and Modular Metamaterial Building Blocks Via Bifurcated Geometries
