Запечатлевая движение,
Создавая истории

Аннотация

В данном материале рассматривается применение захвата движений в исследованиях механической логики на основе трёхмерных печатных хиральных структур. Команда профессора Нана Яна из Шаньтоского университета использовала систему захвата движений NOKOV для получения высокоточных позиционных данных с вертикальных панелей хиральных конструкций. Эти измерения поддержали анализ механического поведения структуры и проверку жёсткости, помогая команде подтвердить подход вычислений на основе механической логики, реализованный посредством хиральных элементов.

Обзор публикации

• Исследовательская группа Шаньтоского университета предложила метод реализации механической логики с использованием трёхмерно напечатанных хиральных структур. Благодаря взаимодействиям между несколькими хиральными единицами система обеспечила плавно регулируемую жёсткость и вычисления механической логики.

• Учёные создали буферный элемент, инвертор и ещё шесть базовых логических элементов. Далее был продемонстрирован комбинационный логический элемент на основе полусумматора, что подтвердило работоспособность метода механических вычислений.

• Во время экспериментов система захвата движений NOKOV отслеживала отражающие маркеры на вертикальных панелях хиральных конструкций и рассчитывала изменения угла кручения при сжатии.

• Данные оптического захвата движений применялись для анализа механического поведения хиральных конструкций и поддержки проверки жёсткости, предоставляя позиционную информацию для экспериментального анализа.

• Данный пример показывает, как оптический захват движений может поддерживать механические испытания метаматериалов и измерение деформаций конструкций.

• Недавно исследовательская группа профессора Нана Яна из Шаньтоского университета опубликовала статью Тридимерные печатные системы на основе хиральных структур с программируемой жёсткостью для механической логики через межэлементные взаимодействия в журнале Virtual and Physical Prototyping. В работе предложен метод вычислений на механической логике, основанный на хиральных структурах. Плавно регулируемая жёсткость достигалась за счёт взаимодействий между несколькими хиральными элементами, а тот же принцип применился для создания базовых логических элементов и комбинационной логической системы, включая полусумматор.

• В ходе исследования система захвата движений NOKOV фиксировала изменения угла кручения хиральных конструкций при сжатии, что поддерживало количественную характеризацию их механических свойств.

Источник

Yang, N., Luo, J., Lan, Y., Wei, H., and Padovani, D. (2026). 3D-printed chiral-based systems with reprogrammable stiffness for mechanical logics via inter-unit interactions. Virtual and Physical Prototyping, 21(1), e2650248. https://doi.org/10.1080/17452759.2026.2650248

Научная база

Механические вычисления вновь вызывают повышенный интерес благодаря своему потенциалу дополнять электронные вычисления. Совместная реакция на сжатие и кручение хиральных метаматериалов под внешней нагрузкой прекрасно подходит для механической логики. Однако ранее описанные примеры перепрограммируемого механического поведения не применялись напрямую к механическим вычислениям. Хиральные акустические устройства могли переключаться только между элементами И и ИЛИ посредством растяжения, тогда как исследования сложных логических функций, формируемых через взаимодействия нескольких хиральных структур, оставались ограниченными.

Вклад данного исследования

Исследователи предложили метод, основанный на хиральных структурах со подходящей реакцией на сжатие и кручение, а также с плавно регулируемой жёсткостью. Цифровая информация обрабатывается через взаимодействия между структурами. Индивидуально разработанные хиральные элементы действуют как переключатели электрических сигналов, обеспечивая логические расчёты без электроники. Команда создала буферный элемент и инвертор, послужившие необходимыми строительными блоками для остальных шести базовых логических элементов: И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и эквивалентность. Затем вычислительные возможности были расширены до комбинационной логической системы посредством экспериментально реализованного и протестированного полусумматора. Поскольку данный метод имеет чисто механическую природу, он может предлагать преимущества в суровых условиях среды и обеспечивать прямое взаимодействие с окружающей средой, дополняя традиционные электронные вычисления.

Методика

Конструктивное исполнение

Как видно в верхней части рисунка 1a, каждая субъединица состоит из круглой верхней пластины и квадратной нижней пластины, соединённых четырьмя стержнями с круглым поперечным сечением. Две субъединицы объединяются в двухслойную хиральную единицу, разделяющую промежуточную пластину, как показано в нижней части рисунка 1a. Общая высота единицы составляет 52 мм. Расстояние между центрами двух противоположных стержней на верхней пластине фиксировано на уровне d = 20 мм, тогда как расстояние закрепления на промежуточной пластине d_m установлено равным 10, 20 или 40 мм. Четыре вертикальные панели расположены на промежуточной пластине каждой единицы.

Рис. 1. Варианты конструкций хиральных структур и их механическое поведение. (a) Субъединица (вверху) и одиночная единица (внизу), (b) фотографии прототипов с разным расположением закрепления стержней (dm = 10, 20 и 40 мм), визуализация соответствующих напряжений фон Мизеса, полученных методом конечных элементов, и определение угла кручения u. (c) Тренды угла кручения относительно вертикального смещения и графики силы относительно вертикального смещения (экспериментальные результаты).

Механические характеристики

Система захвата движений NOKOV отслеживала два отражающих сферических трассера диаметром 3 мм каждый, закреплённых на верхних кромках вертикальных панелей. Их движение использовалось для расчёта угла кручения вращающейся промежуточной пластины. Система захвата движений работала в координации с универсальной испытательной машиной CMT5105, которая сжимала верхнюю поверхность хиральной конструкции и задавала вертикальное смещение Delta L = 5 мм. Было протестировано три образца с разными геометриями. Записывались компрессионная сила и смещение, а структурная жёсткость получалась путём аппроксимации упругой области кривых зависимость силы от смещения.

Результаты и обсуждение

Механическое поведение одной единицы

При сжатии единицы её стержни изгибались, как показано на рисунке 1b. Максимальное напряжение фон Мизеса возникало на границе между стержнями и верхней пластиной, а меньшее значение d_m давало более высокое напряжение. Экспериментальные тренды на рисунке 1c показывают, что при том же вертикальном смещении увеличение d_m снижало угол кручения и требуемую силу привода. Кривые угла кручения от смещения были приблизительно линейными, тогда как кривые силы от смещения были почти параболическими. Значение d_m = 20 мм обеспечило полезный компромисс: оно помогло сохранить целостность единицы при повторяющихся операциях, одновременно обеспечивая существенный угол кручения при заданном вертикальном смещении.

Табл. 1. Рассчитанные и измеренные значения жёсткости k трёх одиночных единиц с разными расстояниями dm между стержнями, закреплёнными на промежуточной пластине (см. рисунок 1).

Взаимодействие двух единиц

Взаимодействие двух единиц, представленных на рисунке 2, позволило реализовать перепрограммируемую жёсткость. Левая единица была зафиксирована, тогда как правая могла скользить. Изменение расстояния перекрытия s между вертикальными панелями двух контактирующих единиц меняло жёсткость сборки. Измерения, приведённые на рисунке 2b, соответствуют четырём конфигурациям, показанным на рисунке 2c.

Рис. 2. Перепрограммируемая жёсткость системы, состоящей из двух единиц. (a) Визуализация двух единиц и их подложки с указанием расстояния перекрытия s. (b) Измеренные кривые зависимость силы от смещения при s = 10, 5, 2 и 0 мм и dm = 20 мм, и (c) соответствующие фотографии сборок из двух единиц. Полученные (d) напряжения фон Мизеса в двух единицах и (e) деформации при сжатии на 5 мм.

Табл. 2. Измеренные значения жёсткости k двух взаимодействующих единиц с перекрытиями s = 0, 2, 5 и 10 мм и расстоянием dm = 20 мм между стержнями (см. рисунок 2).

Взаимодействие пяти единиц

Объединение большего числа единиц увеличило количество доступных значений перепрограммируемой жёсткости. Как видно на рисунке 3a, команда подключила пять единиц к специальной подложке. Центральная единица была зафиксирована в тесном пазу и взаимодействовала с четырьмя соседними единицами. Каждая соседняя единица могла скользить только в одном направлении внутри своего паза, что позволяло устанавливать разные расстояния перекрытия s.

Рис. 3. Достижение перепрограммируемой жёсткости путём объединения пяти единиц при dm = 20 мм. (a) Центральная (неподвижная) единица, схематично обозначенная синим квадратом, взаимодействует с четырьмя (скользящими) соседними единицами. (b) Измеренные кривые зависимость силы от смещения на основе разных настроек (паттернов) соседних единиц. (c) Экспериментальные фотографии четырёх интересных паттернов (AAAA, ABBC, BBCC и CCCC), где буквы A, B и C обозначают расстояние перекрытия вертикальных панелей между единицами, равное s = 10, 5 и 0 мм соответственно. (d) Вид сверху центральной единицы, взаимодействующей с четырьмя соседями, с бинаризованным расстоянием перекрытия между единицами, где s = 10 мм обозначено как 1, а s = 0 мм помечено как 0, (e) соответствующие измеренные кривые зависимости силы от смещения и (f) фотографии достижимых паттернов.

Табл. 3. Измеренные значения жёсткости k системы, comprising пяти единиц с паттернами, полученными путём объединения расстояний перекрытия s = 10, 5 и 0 мм.

Табл. 4. Измеренные значения жёсткости k системы, comprising пяти единиц с бинаризованными паттернами, полученными при расстояниях перекрытия s = 10 и 0 мм.

Реализация базовых логических элементов

Межэлементные взаимодействия использовались для формирования базовых логических элементов. Учёные уменьшили число вертикальных панелей и сначала внедрили две единицы в систему для создания электрической цепи. Для проводимости тока применялась медная фольга, полностью обёрнутая вокруг вертикальных панелей. Сначала были созданы буферный элемент и инвертор:

Буфер: В исходном состоянии небольшой зазор держал цепь разомкнутой. Сжатие сводило панели в контакт, замыкало цепь и включало светодиод.

Инвертор: В исходном состоянии панели находились в контакте, цепь была замкнута. Сжатие разводило панели, размыкало цепь и выключало светодиод.

После создания буфера и инвертора команда реализовала остальные шесть базовых логических элементов: И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и эквивалентность. Вместе эти элементы могут образовать логически полную вычислительную систему, способную реализовывать булевы функции с двумя входными переменными.

Рис. 4. Создание базовых логических элементов путём объединения предложенных единиц. Рабочие диаграммы (замкнутые электрические цепи, передающие ток, отмечены синим цветом) и общий вид системы (a) буфера и (b) инвертора, представляющие фундаментальные элементы для построения следующих элементов: (c) И, (d) ИЛИ, (e) ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, (f) И-НЕ, (g) ИЛИ-НЕ и (h) эквивалентность, показанные вместе с рабочими диаграммами и таблицами истинности. Для каждой системы выполняются четыре входа (i1, i2) = (0, 0), (i1, i2) = (0, 1), (i1, i2) = (1, 1) и (i1, i2) = (1, 0) для непрерывной работы, а соответствующие выходы q (состояния подсветки светодиода) корректны, поскольку соответствуют соответствующим таблицам истинности.

Реализация комбинационной логики

Комбинационная логика распространила данный подход на более сложные вычислительные правила. Полусумматор был реализован путём интеграции базовых логических элементов. Он состоял из элемента И и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, всего шесть логических элементов и двенадцать хиральных единиц. Экспериментальные тесты, показанные в нижней части рисунка 5c, подтвердили, что устройство выдавало ожидаемые выходные значения. Демонстрация показала, что сложные логические правила могут быть реализованы в механической системе так же, как это делается в электронных аналогах.

Рис. 5. Проектирование и реализация полусумматора для достижения комбинационных логических функций с использованием хиральных структур при dm = 20 мм. Виртуальная модель полусумматора: (a) общий вид и (b) вид сверху, с шестью парами единиц, двумя светодиодами, медной фольгой, подложкой и источником питания. (c) Логические диаграммы (активные электрические соединения отмечены синим и жёлтым цветами), соответствующие фотографиям экспериментов при выполнении каждой конфигурации в зависимости от двух входов i1 и i2, и результирующие выходы c и u, используемые для достижения правила i1 + i2 = (c, u).

Роль системы захвата движений NOKOV в данном исследовании

Для количественного анализа вращательной деформации хиральных конструкций при сжатии исследовательская группа использовала систему захвата движений NOKOV для отслеживания двух отражающих маркеров, закреплённых на вертикальных панелях, и расчёта изменений угла кручения. Полученные высокоточные позиционные данные оценивались совместно с данными компрессионной силы и смещения для анализа реакции на сжатие и кручение при различных параметрах конструкции и поддержки проверки жёсткости.

Таким образом, система захвата движений обеспечила необходимые измерения деформации конструкции для испытаний хиральных структур и характеризации механических свойств. Сама жёсткость рассчитывалась по кривым зависимости силы от смещения, записанным универсальной испытательной машиной; оптические данные дополняли это измерение путём количественной оценки связанного вращения.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1. Что именно продемонстрировало данное исследование?

В работе предложен метод реализации механической логики посредством трёхмерно напечатанных хиральных структур. Взаимодействия между несколькими хиральными единицами создавали плавно регулируемую жёсткость и обеспечивали работу логических элементов механической логики, а также комбинационной логической системы в виде полусумматора.

Вопрос 2. Какую роль сыграла система захвата движений NOKOV в эксперименте?

Система захвата движений NOKOV отслеживала отражающие маркеры, закреплённые на вертикальных панелях хиральных конструкций. Она измеряла изменения угла кручения при сжатии и поставляла высокоточные позиционные данные для анализа механического поведения конструкции и поддержки проверки жёсткости.

Вопрос 3. Какие ключевые параметры были измерены?

В ходе экспериментов фиксировались угол кручения, компрессионная сила и смещение хиральных конструкций. Структурная жёсткость рассчитывалась путём аппроксимации упругой области кривых зависимость силы от смещения.

Вопрос 4. Зачем было необходимо измерять угол кручения?

Угол кручения количественно характеризовал вращательную деформацию, возникающую при сжатии. Вместе с результатами механических испытаний он использовался для оценки влияния конструктивных параметров на связь между сжатием и кручением, а также на жёсткость.

Вопрос 5. Какой тип научно-исследовательского применения демонстрирует данный случай?

Данное исследование демонстрирует использование оптического захвата движений при испытаниях хиральных структур, измерении деформаций конструкций и экспериментальной проверке механических метаматериалов. Аналогичные системы захвата движений исследовательского уровня могут поддерживать продвинутые исследования материалов и робототехники, когда требуется бесконтактное многодатчиковое измерение движения.

Автор для связи

На Янь, профессор факультета машиностроения инженерного колледжа Шаньтоского университета. Его научные интересы охватывают механические метаматериалы, пористые структурированные материалы, искусственные мышцы, биоматериалы и взаимосвязь структуры и функции в материалах.