Развитие робототехники, освоение космоса, решение всё более сложных медицинских задач и другие области постоянно требуют новых и более сложных инженерных решений. И одним из них является разработка легко трансформируемых (с минимальными энергетическими затратами) материалов.
Сейчас довольно сложно представить себе дом, который мог бы поместиться в обычном наплечном рюкзаке или стену, которая с помощью всего одного щелчка переключателя превращается в окно. Но команда исследователей из Гарвардского университета под руководством Кати Бертольди работает над созданием чего-то подобного. Так, она уже разработала новый тип метаматериала, который приближает эти довольно фантастические идеи к реализации.
В последнее время создаётся много новых метаматериалов. Их особенность состоит в том, что их экзотические свойства определяются структурой, а не химическим составом.
В новой работе инженеры взяли за основу метаматериала одну из самых сложных техник оригами — разновидность модульного оригами под названием снапология (snapology). Для получения фигур в этой технике используются полоски бумаги, из которых создаются многогранники, которые затем скрепляются вместе такими же полосками бумаги в объёмные конструкции (чаще всего шарообразной формы).
Искусство оригами не в первый раз стало вдохновением для учёных и конструкторов. Эта техника уже доказала свою эффективность там, где требуется способность конструкций к трансформации, например, в развёртываемых солнечных батареях, гибкой электронике, при изготовлении медицинских стентов (металлических или пластиковых конструкций, используемых для расширения внутренних органов), в робототехнике и некоторых других областях.
Снапология ранее не использовалась инженерами, хотя у неё есть явное преимущество — большее число степеней свободы. То есть конструкции на её основе более подвижны.
Первый прототип гарвардских инженеров, подробно описанный в статье журнала Nature Communications, представляет собой 3D-структуру из 64 пластиковых кубиков с 24 гранями и 36 рёбрами. Как и в случае с оригами рёбра выступают в качестве "дверных петель", по которым кубик может складываться.
Стенка единичного модуля конструкции (кубика) состоит из трёх слоёв – два внешних из полиэтилентерефталата и внутренний слой из двусторонней клейкой ленты. Из таких элементарных ячеек учёными был сформирован экспериментальный куб (4x4x4), в который для демонстрации подвижности были встроены пневматические приводы.
Итоговая конструкция имеет три степени свободы и может складываться даже в абсолютно плоскую фигуру. В зависимости от степени деформации куб имеет различную жёсткость структуры. Это означает, что при одном и том же дизайне материал может быть как очень пластичным, так и очень жёстким. Кроме этого, приводиться в движение конструкция может любым способом, например, термически, электрически или даже с помощью воды.
"Мы разработали 3D-тонкостенную структуру, которая может быть использована для создания складываемых перепрограммируемых объектов произвольной архитектуры, формы, объёма и жёсткости, которые могут непрерывно меняться, настраиваться и управляться в процессе эксплуатации, — рассказывает ведущий автор работы Йоханнес Овервельде (Johannes T.B. Overvelde) в пресс-релизе университета.
Потенциальное применение разработки очень широко. Она может быть использована как при работе с наноматериалами, так и в метровом масштабе; пригодится в медицине и при освоении космоса. Такие оригами-конструкции могут перенести архитектуру зданий на принципиально новый уровень. С их помощью могут стать реальностью портативные жилища, которые можно развернуть в любом месте, трансформируемые фасады зданий и крыши и многое другое.
