Создан изменяющий форму материал с безграничными возможностями

Ученые разработали многофункциональный материал, который может принимать любую возможную форму. Он подойдет для использования в самых разных сферах, начиная с робототехники или биотехнологии и заканчивая архитектурой    —  пишет «Mail.ru Hi-Tech».

Эксперименты с различными структурами проводили исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS). Своими результатами они поделились в Proceedings of the National Academy of Sciences. Об этом пишет Phys.org.

«Современные 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, — отмечает Л. Махадеван, профессор прикладной математики в SEAS. — Эти структуры позволяют независимо управлять геометрией и механикой, закладывая основу для инженерных функциональных форм с использованием нового типа изменяемой элементарной ячейки».

Изменяющий форму материал, который может принимать и сохранять любую возможную форму. Источник: Harvard SEAS.

Одна из самых больших проблем при разработке материалов, изменяющих форму, — это уравновешивание, казалось бы, противоречивых требований к приспосабливаемости и жесткости материала. Приспосабливаемость (или конформность) материала позволяет проводить преобразования с его формой, но если материал слишком конформный, он не может стабильно поддерживать одну форму. Жесткость же помогает закрепить материал на месте, но если переборщить с этим фактором, придать материалу другую форму не получится вовсе.

В своих экспериментах ученые использовали нейтрально устойчивые элементарные ячейки с двумя жесткими элементами, стойкой и рычагом, а также двумя растягиваемыми упругими пружинами.

Нейтрально стабильные системы, комбинация жестких и упругих элементов уравновешивают энергию ячеек, делая каждую нейтрально стабильной. Это 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, — говорит Гаурав Чаудхари, научный сотрудник SEAS. — Геометрию элементарной ячейки можно изменять, преображая как общий размер, так и длину одиночной подвижной стойки; упругий отклик тоже можно изменять, преображая либо жесткость пружин внутри конструкции, либо длину стойки».

Исследователи назвали свою разработку «тотиморфным материалом» из-за его способности трансформироваться в любую стабильную форму. Они соединили отдельные элементарные ячейки с естественно стабильными суставами, построив двумерные и трехмерные структуры из отдельных тотиморфных клеток.

В видео ученые показали, как один лист тотиморфных клеток может изгибаться, закручиваться в спираль, трансформироваться в разные формы и даже нести вес:

Поскольку эти материалы имеют геометрическую основу, их можно уменьшить в масштабе для использования в качестве датчиков в робототехнике или биотехнологии или, наоборот, увеличить для использования в архитектуре. Все вместе эти тотиморфы открывают путь к новому классу материалов, деформационную реакцию которых можно контролировать в разных масштабах.

Автор: Юлия Углова