Сотрудники Университета штата Северная Каролина создали конструкцию, которая под воздействием управляющего сигнала способна изменять свою трёхмерную форму. Это достижение представляет собой значительный прогресс в области технологии изменения формы. Дизайн, напоминающий традиционный китайский фонарь, был представлен в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials. Возможность материала запасать и высвобождать энергию при переходе в несколько устойчивых конфигураций может стимулировать разработку новых методов в робототехнике, системах адаптивной фильтрации и привести к созданию новых типов программируемых материалов.
Работа ученых началась с тонкого полимерного листа, вырезанного 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 структуру, напоминающую бумажный фонарик. Эта базовая форма обладает свойством бистабильности. Она устойчива в форме фонарика, однако при сжатии она внезапно переходит во вторую стабильную форму, похожую на волчок. При возвращении в исходное состояние структура быстро высвобождает накопленную упругую энергию – процесс, который исследователи называют морфогенезом со щелчком. Используя комбинацию скручивания и складывания, команда создала множество дополнительных форм, в том числе некоторые с четырьмя стабильными состояниями.
Для обеспечения возможности удаленного управления инженеры нанесли на нижнюю часть «фонаря» тонкий слой магнитной пленки. Внешнее магнитное поле впоследствии позволяло вызывать скручивание или сжатие конструкции без непосредственного контакта. В ходе демонстраций намагниченные фонари работали как деликатные захваты, которые могли улавливать и отпускать живую рыбу, не нанося ей повреждений. Устройства также выполняли функцию подводных клапанов, открывающихся и закрывающихся для регулирования потока жидкости, а также использовались как механизмы, позволяющие быстро восстанавливать форму сплющенной трубки. Принцип работы каждого из этих устройств заключался в оперативном высвобождении накопленной упругой энергии.
Для контроля над поведением каждой формы команда разработала математическую модель, устанавливающую взаимосвязь между геометрией фонаря и накопленной упругой энергией. Благодаря этой модели, исследователи могут создавать конфигурации с определенной стабильностью и мощностью высвобождения энергии. Она позволяет задавать желаемую форму, её стабильность и величину энергии, которая высвобождается из потенциальной в кинетическую. Геометрия является ключевым инструментом управления данной системой. Варьируя углы или схемы складывания, инженеры могут точно настраивать процесс накопления и высвобождения энергии для создания разнообразных форм.
Каждый фонарь имеет возможность перепрограммирования и дистанционной активации, что делает его перспективным элементом для создания новых интеллектуальных материалов. В будущем эти модульные фонари могут быть объединены в двух- и трехмерные структуры для широкого использования в механических метаматериалах и робототехнике, способной изменять свою форму. Такие системы могут послужить основой для адаптивных роботов, предназначенных для передвижения, например, ползанием или плаванием, а также для захвата предметов с помощью конечностей, управляемых магнитным полем. Кроме того, они могут найти применение в практичных устройствах, таких как датчики и фильтры, которые раскрываются для контроля 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.