Изменяющие форму материалы с бесконечными возможностями

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) разработали изменяющий форму материал, который может принимать и сохранять любую возможную форму, открыв путь для нового типа многофункционального материала, который можно было бы использовать в самых разных приложений, от робототехники и биотехнологии до архитектуры.


Исследование опубликовано в Труды Национальной академии наук.

«Сегодняшние изменяющие форму материалы и конструкции могут переходить только между несколькими стабильными конфигурациями, но мы показали, как создавать конструкционные материалы с произвольным диапазоном возможностей изменения формы», – сказал Л. Махадеван, профессор прикладной математики Лолы Ингланд де Вальпине. , по органической и эволюционной биологии, а также по физике и старший автор статьи. «Эти структуры позволяют независимо управлять геометрией и механикой, закладывая основу для инженерных функциональных форм с использованием нового типа изменяемой элементарной ячейки».

Одна из самых больших проблем при разработке материалов, изменяющих форму, – это уравновешивание, казалось бы, противоречивых требований к приспосабливаемости и жесткости. Конформность позволяет преобразовывать в новые формы, но если она слишком конформная, она не может стабильно поддерживать формы. Жесткость помогает закрепить на месте, но если он слишком жесткий, он не может принимать новые формы.

Команда начала с нейтрально устойчивой элементарной ячейки с двумя жесткими элементами, стойкой и рычагом, а также двумя растягиваемыми упругими пружинами. Если вы когда-нибудь видели начало фильма Pixar, вы видели нейтрально стабильный материал. Головка лампы Pixar стабильна в любом положении, потому что силе тяжести всегда противодействуют пружины, которые растягиваются и сжимаются согласованно, независимо от конфигурации лампы. В общем, в нейтрально устойчивых системах комбинация жестких и упругих элементов уравновешивает энергию ячеек, делая каждую из них нейтрально стабильной, что означает, что они могут переходить между бесконечным количеством положений или ориентаций и быть стабильными в любой из них.

«Имея нейтрально стабильную элементарную ячейку, мы можем отделить геометрию материала от его механической реакции как на индивидуальном, так и на коллективном уровне», – сказал Гаурав Чаудхари, научный сотрудник SEAS и соавтор статьи. «Геометрию элементарной ячейки можно изменять, изменяя как ее общий размер, так и длину одиночной подвижной стойки, в то время как ее упругий отклик можно изменять, изменяя либо жесткость пружин внутри конструкции, либо длину стойки и ссылки “.

Исследователи назвали сборку «тотиморфными материалами» из-за их способности трансформироваться в любую стабильную форму. Исследователи соединили отдельные элементарные ячейки с естественно стабильными суставами, построив 2D и 3D структуры из отдельных тотиморфных ячеек.

Исследователи использовали как математическое моделирование, так и реальные демонстрации, чтобы продемонстрировать способность материала изменять форму. Команда продемонстрировала, что один лист тотиморфных клеток может изгибаться, закручиваться в спираль, трансформироваться в форму двух разных лиц и даже нести вес.

«Мы показываем, что можем собрать эти элементы в структуры, которые могут принимать любую форму с неоднородными механическими реакциями», – сказал С. Ганга Прасат, научный сотрудник SEAS и соавтор статьи. «Поскольку эти материалы имеют геометрическую основу, их можно уменьшить в масштабе для использования в качестве датчиков в робототехнике или биотехнологии или можно увеличить для использования в архитектурном масштабе.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments