Новый материал поможет создать складывающиеся в рюкзак дома

Новая конструкция, вдохновлённая сложной техникой оригами, может складываться и перестраиваться, меняя размер, объём и форму

Новая конструкция, вдохновлённая сложной техникой оригами, может складываться и перестраиваться, меняя размер, объём и форму
(иллюстрация Johannes Overvelde/Bertoldi Lab/Harvard SEAS).

Техника оригами под названием снапология считается одной из сложнейших

Техника оригами под названием снапология считается одной из сложнейших
(иллюстрация Johannes Overvelde/Bertoldi Lab/Harvard SEAS).

Первый прототип нового метаматериала представляет собой куб, собранный из 64 единичных пластиковых модулей

Первый прототип нового метаматериала представляет собой куб, собранный из 64 единичных пластиковых модулей
(иллюстрация Johannes Overvelde/Bertoldi Lab/Harvard SEAS).

Новая конструкция, вдохновлённая сложной техникой оригами, может складываться и перестраиваться, меняя размер, объём и форму
Техника оригами под названием снапология считается одной из сложнейших
Первый прототип нового метаматериала представляет собой куб, собранный из 64 единичных пластиковых модулей

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).

Первый прототип нового метаматериала представляет собой куб, собранный из 64 единичных пластиковых модулей

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.

Техника оригами под названием снапология считается одной из сложнейших

"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.