Исследователи Университета Северной Каролины создали полимерный «китайский фонарик», который может принимать более десятка изогнутых трёхмерных форм за счёт сжатия или скручивания исходной структуры. Этим быстрым изменением формы можно управлять дистанционно с помощью магнитного поля, что позволяет использовать структуру в различных целях.
Фонарь создается путем вырезания ромбовидного параллелограмма из полимерного листа, после чего в его центре делается несколько параллельных прорезей. Это приводит к образованию ряда одинаковых лент, связанных между собой сплошной полосой материала в верхней и нижней областях листа. Соединение левого и правого концов этих сплошных полос в верхней и нижней частях позволит полимерному листу принять трехмерную форму, подобную китайскому фонарику.
«Эта базовая форма обладает свойством бистабильности, — отмечает Цзе Инь, автор публикации, опубликованной журнале Nature Materials, и профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина. — Иными словами, она обладает двумя устойчивыми состояниями. Она устойчива в конфигурации, напоминающей фонарь. Однако при сжатии конструкции, оказывая давление сверху, она начнёт постепенно деформироваться до достижения критической точки, после чего примет вторую устойчивую форму, похожую на волчок. В этой форме конструкция запасает всю энергию, затраченную на её сжатие. Поэтому, как только вы начнете поднимать конструкцию вверх, вы достигнете точки, в которой вся эта энергия высвободится одновременно, и конструкция стремительно вернётся в форму фонаря.
«Наши исследования показали, что существует возможность создания разнообразных дополнительных форм, путем деформации, изгиба или выворачивания цельных полос материала в верхней или нижней части фонаря, а также путем комбинирования этих приемов», — отмечает Яоэ Хонг, первый автор публикации. «Каждая из этих модификаций также обладает свойством мультистабильности. Определенные конфигурации способны переходить из одного устойчивого состояния в другое и возвращаться обратно.
Закрепив тонкую магнитную плёнку к жёсткой полосе в нижней части устройства, учёные получили возможность удалённо сжимать или скручивать фонарик, используя магнитное поле. После этого они представили несколько способов использования, основанных на способности конструкции сохранять устойчивые формы. К ним относились рыболовный захват, фильтр, регулирующий поток воды за счёт открытия и закрытия, а также компактная форма, которая быстро увеличивалась, образуя высокую трубу.
Специалисты создали математическую модель, демонстрирующую, как изменение углов в структуре сказывается на форме каждой вариации и объеме энергии, накопленной в каждом устойчивом состоянии.
«С помощью этой модели мы можем задать желаемую форму, а также установить параметры её прочности и потенциальную мощность, высвобождаемую при преобразовании накопленной потенциальной энергии в кинетическую», – отмечает Хонг. «В перспективе эти фонари смогут объединяться в двух- и трехмерные структуры для широкого применения в механических метаматериалах, изменяющих форму, и в робототехнике».
[Фото: Yaoye Hong, NC State University]