«Китайский фонарик» из полимера открывает путь к адаптивной робототехнике
Инженеры Университета штата Северная Каролина разработали структуру, способную по команде трансформироваться в различные трёхмерные формы, что знаменует собой прорыв в технологии изменения формы. Дизайн структуры, который сравнивают с традиционным китайским фонарём, был представлен в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials. Способность материала накапливать и высвобождать энергию при образовании нескольких стабильных форм может вдохновить новые подходы в робототехнике, системах адаптивной фильтрации и создать новые классы программируемых материалов.
Исследователи начали с тонкого полимерного листа, вырезанного в форме ромбовидного параллелограмма. Равномерно расположенные прорези были добавлены для формирования узких узоров в виде лент, соединённых сплошными полосами вверху и внизу. Когда концы были соединены, лист свернулся в полую сферическую структуру, напоминающую бумажный фонарик. Эта базовая форма сама по себе является бистабильной. Она стабильна в своей фонарной форме, но при сжатии она внезапно перещёлкивается во вторую стабильную форму, напоминающую волчок. При возврате в исходную форма структура быстро высвобождает накопленную упругую энергию — процесс, который исследователи называют морфогенезом со щелчком. Комбинируя скручивание и складывание, команда получила множество дополнительных форм, включая некоторые с четырьмя стабильными состояниями.
Чтобы обеспечить дистанционное управление, инженеры нанесли на нижнюю полосу "фонаря" тонкую магнитную плёнку. Внешнее магнитное поле могло затем вызывать скручивание или сжатие структуры без прямого контакта. В ходе демонстраций намагниченные фонари функционировали как нежные захваты, способные ловить и отпускать живую рыбу, не причиняя ей вреда. Устройства также работали в качестве подводных клапанов, открывавшихся и закрывавшихся для управления потоком жидкости, а также в качестве механизмов, способных быстро расправлять сплющенную трубку. Работа каждого из этих устройств основывалась на быстром высвобождении накопленной упругой энергии.
Для управления поведением каждой формы команда создала математическую модель, которая связывает геометрию фонаря с запасённой упругой энергией. Эта модель позволяет исследователям проектировать конфигурации с заданной стабильностью и мощностью высвобождения энергии. Модель позволяет программировать желаемую форму, её стабильность и мощность, которую она может иметь, когда запасённая потенциальная энергия высвобождается в кинетическую. Геометрия служит основным средством управления для этой системы. Изменяя углы или схемы складывания, инженеры могут точно регулировать, как структура накапливает и высвобождает энергию для формирования различных форм.
Каждый фонарь может быть перепрограммирован и активирован дистанционно, что делает эту конструкцию потенциальным строительным блоком для новых умных материалов. В перспективе эти модули-фонари могут быть собраны в двух- и трёхмерные архитектуры для широкого применения в механических метаматериалах и робототехнике, изменяющих форму. Подобные системы могут быть использованы в качестве основы для адаптивных роботов, способных ползать, плавать или захватывать объекты с помощью конечностей, управляемых магнитно. Они также могут быть применены в практических устройствах, таких как датчики и фильтры, которые разворачиваются для регулировки потока воды.
Мультистабильность, или способность структуры оставаться стабильной в нескольких различных состояниях, становится центральным направлением в исследованиях умных материалов. Контроль над структурой, продемонстрированный в этом исследовании, интегрирует концепции из физики и инженерии, превращая, казалось бы, простое устройство в мощный инструмент для развития робототехники, изменяющей форму. Используя всего один лист полимера, команда из Университета штата Северная Каролина показала, как магнетизм, геометрия и запасённая энергия могут работать вместе, чтобы создавать движение, которое является адаптивным, быстрым и повторяемым. Исследование команды потенциально закладывает основу для совершенно нового поколения адаптивных машин.
Исследование в журнале Nature Materials.