当机器人成为澳门威尼斯人注册网站研究者
新的自主澳门威尼斯人注册网站研究人员可以加速发现最好的3d打印材料
莉兹·希利著
增材制造或3D打印具有广泛的应用，其中一些应用于医疗，航空航天和消费领域。为了进一步推进该领域，澳门威尼斯人注册网站研究人员必须澳门威尼斯人注册网站研究生产3d打印部件的最佳方法，这些部件可以承受更严格的使用，比用于澳门威尼斯人注册网站研究的3d打印原型使用得更多。
Keith Brown助理教授（ME， MSE，物理学）和Elise Morgan教授（ME， MSE， BME）已经开发出一种方法来测试数千种3d打印结构的机械性能，以一种非常有效的方式对它们进行分类和理解。他们的澳门威尼斯人注册网站研究成果发表在《科学进展》杂志上。
他们的合作源于测试材料韧性的愿望——摩根在生物材料的机械行为方面有专长，而布朗在纳米技术和软材料方面有专长。在过去的几年里，他们建造了一个自主机器人，或者他们称之为澳门威尼斯人注册网站研究员，来自己进行这个韧性实验，从那以后，它已经对数千个3d打印结构进行了分类。
布朗说：“我在考虑一个3D打印系统，你可以在那里创建一个结构，测试它，然后从中学习。”“如果你有一个自主系统，你可以给它一个问题，比如，‘我想知道什么样的结构会有最好的性能。’然后它会自动测试结构，并告诉你答案。”
自动澳门威尼斯人注册网站研究员，被称为BEAR（贝叶斯实验自主澳门威尼斯人注册网站研究员），被设计用来对自己设计和测试零件进行实验，以确定它们的机械性能。该系统可以打印3D结构，将其从打印机中取出，用磅秤称重，然后压碎。它记录了过程的每一个细节，创建了一个庞大的结构数据库，其中包含了与材料在压缩时的行为有关的数据，包括它们是否失效以及如何失效。
“我很清楚，你可以问的最有趣的问题之一是材料是如何失效的？布朗说。“失败真的很有趣，因为它很难模拟。很明显，一种材料或结构在温和的压力下会如何表现，但当你把它推到开始崩溃的地步时，情况就变得复杂得多。实验是非常必要的。”
布朗知道摩根的专长是骨骼生物力学。“当然，我们担心骨头折断的一件事，对吧？我们开始讨论如何从自动化澳门威尼斯人注册网站研究人员那里了解不同的故障机制，”他说。
布朗和摩根首先选择探索的特性是韧性——这与失败直接相关。韧性和强度是相互关联的，但各自不同的特性。摩根说，玻璃实际上比钢更坚固——但前提是它没有缺陷。即使在最先进的制造过程中，缺陷也几乎是不可能避免的。
她解释说：“如果你的玻璃表面有划痕，它就会在比钢小得多的载荷下破裂。”“钢更能容忍缺陷，这意味着它比玻璃更坚韧。”
她说：“在材料和更广泛的机械工程领域，经过几个世纪的工作，我们已经擅长设计、制造和制造坚固的材料，但设计坚韧的材料显然落后了。”“但事实证明，大自然非常擅长设计坚韧的材料。例如，考虑到骨头的成分，它的硬度出奇地高。”
骨头本身是由矿物质构成的，非常脆弱，但不坚韧。这种矿物质附着在胶原蛋白上，胶原蛋白有弹性，但不一定强或韧。在骨骼中，这两种材料以一种复杂的方式交织在一起，提高了骨骼的韧性，超过了任何一种材料单独表现出来的韧性。但是，这两种材料是如何共同作用产生这种促进作用的，目前还不清楚。
他们还请来了另一位教员，助理教授艾米丽·怀廷（计算机科学），帮助开发复杂的算法。为了使系统具有自主性，而不仅仅是自动化，它需要在测试和评估阶段运行机器学习算法。当系统运行时，它会了解3d打印部件的故障，并可以根据过去的结果选择下一个设计来测试。
BEAR的这项澳门威尼斯人注册网站研究只是一个例子，说明如何使用自动化澳门威尼斯人注册网站研究人员来加快通常缓慢而单调的实验。虽然通过开发和优化BEAR测试了2500多个结构，但只需要32个结构就可以达到最佳结构设计的韧性-这表明他们可以测试比目前更复杂的结构。
布朗的实验室专注于开发新方法，通常是工具，以澳门威尼斯人注册网站研究聚合物和软物质在从微观到宏观（从10纳米到几厘米）的许多长度尺度上的特性。由于缺乏必要的工具，他对这些尺度上结构的材料的特性缺乏了解，这是他的动机。
摩根说：“随着增材制造技术的进步，你可以做出非常复杂的分层组件设计。”“但当试图找到最佳设计时，限速步骤是测试它们并评估结果，但自主系统和机器人技术的进步使我们能够在很大程度上开放限速步骤。”
布朗和摩根说，这些新结构可以用于保护，比如头盔内部的护垫，未来还可能用于合成骨替代品。