Полимерный «китайский фонарик» может стать ключом к созданию адаптивных роботов

Новости МирТесен

Сотрудники Университета штата Северная Каролина создали конструкцию, которая по управляемому сигналу способна изменять свою трёхмерную форму, что является значительным достижением в области технологии изменения формы. Описание дизайна, напоминающего традиционный китайский фонарь, было обнародовано в свежем исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials. Возможность материала запасать и отдавать энергию, принимая при этом несколько устойчивых форм, может стимулировать разработку новых методов в робототехнике, системах адаптивной фильтрации и послужит основой для создания новых типов программируемых материалов.

Изначально ученые взяли тонкий полимерный лист, вырезанный в форме ромбовидного параллелограмма. Для создания узких узоров в виде лент в листе были сделаны равномерно расположенные прорези, соединенные сплошными полосами в верхней и нижней частях. После соединения концов лист свернулся в полую сферическую конструкцию, похожую на бумажный фонарик. Эта базовая форма обладает бистабильностью: она устойчива в своей фонарной форме, но при сжатии внезапно переходит во вторую стабильную конфигурацию, напоминающую волчок. При возвращении в исходное состояние структура быстро высвобождает накопленную упругую энергию — явление, которое исследователи описывают как морфогенез со щелчком. Сочетая скручивание и складывание, разработчики получили множество дополнительных форм, некоторые из которых имеют четыре стабильных состояния.

Для организации дистанционного управления инженеры нанесли на нижнюю часть «фонаря» тонкий слой магнитной плёнки. Внешнее магнитное поле позволяло затем вызывать скручивание или сжатие структуры без непосредственного контакта. Во время демонстраций намагниченные фонари работали как деликатные захваты, способные ловить и отпускать живую рыбу, не нанося ей повреждений. Устройства также функционировали как подводные клапаны, открывающиеся и закрывающиеся для регулирования потока жидкости, и как механизмы, позволяющие быстро восстанавливать форму сплющенной трубки. Принцип работы каждого из этих устройств заключался в оперативном высвобождении накопленной упругой энергии.

Каждая форма поведения контролируется посредством математической модели, разработанной командой. Она устанавливает взаимосвязь между геометрией фонаря и накопленной упругой энергией. Эта модель даёт возможность исследователям создавать конфигурации с определённой стабильностью и мощностью высвобождаемой энергии. С её помощью можно задавать желаемую форму, её стабильность и величину энергии, которая высвобождается в кинетическую форму из потенциальной. Геометрия выступает ключевым фактором управления данной системой. Варьируя углы или схемы складывания, инженеры способны точно настраивать процесс накопления и высвобождения энергии для создания разнообразных форм.

Каждый фонарь можно перепрограммировать и активировать удалённо, что делает эту конструкцию перспективным элементом для создания новых умных материалов. В будущем эти модули-фонари смогут быть объединены в двух- и трёхмерные структуры для широкого применения в механических метаматериалах и робототехнике, способной изменять свою форму. Такие системы могут послужить основой для адаптивных роботов, предназначенных для передвижения ползком, плавания или захвата предметов с помощью конечностей, управляемых магнитным полем. Также их можно будет использовать в практичных устройствах, например, в датчиках и фильтрах, которые разворачиваются для регулирования потока воды.

Способность материала сохранять устойчивость в нескольких различных состояниях, известная как мультистабильность, становится ключевым аспектом исследований умных материалов. Контроль над структурой, продемонстрированный в данном исследовании, объединяет подходы из физики и инженерии, трансформируя, казалось бы, простое устройство в эффективный инструмент для развития робототехники с изменяемой формой. Используя всего один полимерный лист, ученые из Университета штата Северная Каролина показали, как магнетизм, геометрия и накопленная энергия могут взаимодействовать для создания движения, которое отличается адаптивностью, скоростью и повторяемостью. Результаты работы команды потенциально могут положить начало новому поколению адаптивных машин.

Исследование в журнале Nature Materials.