Можно ли создать объект, который ведёт себя почти как живой , сам меняет форму, накапливает энергию и мгновенно «отзывается» на внешний сигнал? Инженеры из Университета штата Северная Каролина уверенно отвечают: да. Их разработка — это полимерная структура в форме китайского фонарика демонстрирует удивительные способности к трансформации и дистанционному управлению.
На первый взгляд это тонкий полимерный лист, аккуратно вырезанный в форме ромбовидного параллелограмма. Но стоит добавить серию параллельных прорезей и соединить края и плоский лист сам складывается в объёмную сферическую форму, напоминающую традиционный китайский фонарь. Уже на этом этапе конструкция необычна: она бистабильна, то есть имеет сразу две устойчивые формы.
Если слегка надавить на фонарь сверху, он начинает медленно деформироваться до тех пор, пока не достигает критической точки. Затем происходит резкий «щелчок»: форма мгновенно перестраивается, превращаясь в нечто похожее на вращающийся волчок. В этот момент материал высвобождает накопленную упругую энергию. Стоит потянуть конструкцию обратно и она столь же стремительно возвращается в исходное состояние.
Но на этом возможности не заканчиваются. Изменяя геометрию верхних и нижних полос, инженеры обнаружили, что могут получать более десятка различных трёхмерных форм. Некоторые из них имеют два устойчивых состояния, другие три или даже четыре. Форма меняется в зависимости от того, сжимают ли конструкцию, скручивают или делают оба действия одновременно.
Настоящий прорыв произошёл, когда исследователи добавили тонкий магнитный слой к нижней части фонаря. Это позволило управлять трансформациями на расстоянии, используя магнитное поле. Без проводов, моторов и прямого контакта конструкция может сжиматься, раскручиваться и раскрываться по команде.
Команда продемонстрировала несколько практических сценариев использования «живого фонаря». Среди них мягкий магнитный захват, который способен аккуратно ловить и отпускать рыбу, не причиняя ей вреда; подводный фильтр, регулирующий поток воды; а также компактный механизм, который внезапно распрямляется, раскрывая сжатую трубку.
Чтобы предсказывать поведение конструкции, учёные разработали математическую модель, связывающую углы и геометрию фонаря с его формой и количеством запасённой энергии. Это означает, что форму, устойчивость и «силу щелчка» можно заранее запрограммировать под конкретную задачу.
В перспективе такие фонарные модули можно объединять в сложные двух- и трёхмерные структуры. Это открывает новые горизонты для механических метаматериалов, мягкой робототехники и адаптивных инженерных систем, способных менять форму так же естественно, как это делают живые организмы.
Исследование опубликовано в журнале Nature Materials и уже сейчас считается важным шагом к созданию материалов будущего умных, управляемых и удивительно «живых» на вид.
По материалам:Nature Materials
