Materials Horizons: Создан меняющий форму метаматериал, вдохновленный игрушками

Куклы-животные и популярные фигурки могут двигаться или складываться от нажатия кнопки. Инженеры из Калифорнийского университета создали новый класс настраиваемых динамических материалов, которые имитируют внутреннюю работу кукол-марионеток.

Они могут найти применение в мягкой робототехнике, реконфигурируемых архитектурах и космической технике.

Внутри куклы есть соединительные шнуры, которые заставляют игрушку стоять неподвижно при натяжении. Если ослабить эти шнуры — «конечности» игрушки станут вялыми. Используя тот же принцип натяжения шнуров, который управляет марионеткой, исследователи разработали новый тип метаматериала с перспективными свойствами.

Исследование Калифорнийского университета, опубликованное в журнале Materials Horizons, представляет новый лёгкий метаматериал. Он оснащён моторными или самодвижущимися шнурами, которые проходят через сцепленные конусообразные бусины. При активации шнуры натягиваются и заставляют бусины выпрямляться в линию. Так материал становится жёстким, но сохраняет свою структуру.

Материал можно использовать в мягкой робототехнике и других структурах.

Он может быть гибким или жёстким — это зависит от степени натяжения шнуров. Чем сильнее натяжение, тем прочнее и жёстче материал. При этом он может гнуться, если постепенно ослаблять шнуры.

Важную роль играет геометрия конусов и трение между ними. Благодаря такой конструкции материал можно сгибать и разгибать много раз. Это делает его подходящим для конструкций, которые часто перемещают. В сложенном виде материал удобно хранить и перевозить.

После развёртывания материал становится более чем в 35 раз жёстче и на 50% лучше поглощает вибрации.

Метаматериал может самостоятельно менять форму с помощью искусственных сухожилий.

Постдокторант Школы инженерии Самуэли Калифорнийского университета Вэньчжун Янь рассказал, что метаматериал может быть использован в робототехнике, реконфигурируемых структурах и космической инженерии.

Например, мягкий робот из этого материала может менять жёсткость своих конечностей в зависимости от местности. При этом он сохраняет свою структуру. Прочный метаматериал также позволит роботу поднимать, толкать или тянуть предметы.

По словам Яня, сужающиеся метаматериалы могут помочь внедрить механический интеллект в роботов и другие устройства.

Руководители исследования — Анкур Мехта, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета имени Самуэли и директор Лаборатории встраиваемых машин и повсеместных роботов, где работает Вэньчжун Ян, и Джонатан Хопкинс, профессор машиностроения и аэрокосмической техники из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и глава исследовательской группы по гибким материалам.

Материал может применяться для создания укрытий с самособирающимися оболочками, внутри которых находятся складные строительные леса. Также его можно использовать как компактный амортизатор с программируемыми возможностями демпфирования для транспорта, передвигающегося по неровной поверхности.

Мехта, который также работает на факультете механической и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета, считает, что можно ещё многое изучить в этой области. Например, можно менять размер и форму бусин, а также то, как они соединяются друг с другом.

В предыдущих исследованиях рассматривались сужающиеся шнуры. В этой работе изучаются другие свойства системы, такие как идеальная форма для выравнивания бусин, способность к самосборке и настройке для сохранения общей структуры.

12.08.2024