Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) разработали изменяющий форму материал, который может принимать и сохранять любую возможную форму. Его можно использовать от робототехники до архитектуры.
Статья об этом опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Сегодняшние изменяющие форму материалы и конструкции имеют всего несколько стабильных конфигураций. Но мы показали, как создавать конструкционные материалы с произвольным диапазоном возможностей изменения формы, – говорит Лакшминараянан Махадеван (Lakshminarayanan Mahadevan) из Гарварда, старший автор статьи. – Наши структуры позволяют независимо управлять геометрией и механикой, закладывая основу для инженерных функциональных форм с использованием нового типа изменяемой элементарной ячейки».
Команда инженеров-разработчиков нового материала начала с получения нейтрально устойчивой элементарной ячейки с двумя жесткими элементами, стойкой и рычагом, а также двумя растягиваемыми упругими пружинами. В нейтрально устойчивых системах комбинация жестких и упругих элементов уравновешивает энергию ячеек, делая каждую из них нейтрально стабильной, что означает: система таких ячеек может менять форму, переходя в бесконечное количество положений или ориентаций и быть стабильной в любой из них.
«Имея нейтрально стабильную элементарную ячейку, мы можем отделить геометрию материала от его механической реакции как на индивидуальном, так и на коллективном уровне, – поясняет Гаурав Чаудхари (Gaurav Chaudhary), соавтор статьи. – Геометрию элементарной ячейки можно изменять, меняя как ее общий размер, так и длину одиночной подвижной стойки, в то время как изменять упругий отклик ячейки можно, меняя либо жесткость пружин внутри конструкции, либо длину ее стоек и звеньев».
Исследователи назвали сборку таких ячеек тотиморфным материалом из-за ее способности трансформироваться в любую стабильную форму. Для разработки такой структуры ученые использовали как математическое моделирование, так и практические эксперименты, чтобы проверить способность нового материала изменять форму. Команда продемонстрировала, что один лист тотиморфных ячееек может изгибаться, закручиваться в спираль, трансформироваться в двустороннюю форму и даже нести нагрузку.
«По словам разработчиков, геометрическая основа нового материала дает возможность уменьшить его элементарные ячейки для использования в качестве датчиков в робототехнике или биотехнологии или увеличить их для применения в архитектуре.