В статье, опубликованной в Nature Communications, представлен способ создания развёртываемых конструкций, которые трансформируются из компактных сложенных состояний в обширные конфигурации с идеально гладкими поверхностями.
Развёртываемые конструкции на основе оригами
Инженерные системы, использующие механизмы складывания, вдохновлённые оригами, стали центральной темой в разработке компактных и функциональных конструкций для аэрокосмической, аварийной и медицинской техники.
Однако применение оригами в практических сценариях становится сложным и трудоёмким, когда требуются толстые материалы для обеспечения точности движения и прочности конструкции. При складывании толстых материалов накопление толщины материала вызывает структурные помехи, затрудняя складывание или развёртывание.
Проблема традиционных конструкций из толстых панелей
Традиционные конструкции из толстых панелей страдают от критического недостатка: в местах долинных сгибов поверхность нарушается канавками и зазорами, что препятствует её использованию в сценариях, требующих непрерывной, неразрывной поверхности.
Исследование, проведённое Руи Пенгом из Национального университета Сингапура и Грегори С. Чириджяном из Университета Делавэра, решает эту давнюю проблему.
Инновационный метод
Исследователи разработали инновационный метод, который, кажется, противоречит традиционной инженерной логике. Вместо добавления элементов они полностью удаляют определённые панели.
Небольшой участок общей структуры состоит из трёх панелей, соединённых двумя долинными сгибками или вогнутыми складками. Исследователи устранили зазор в развёрнутой конструкции, удалив среднюю панель и расширив панели с обеих сторон.
Подход работает, потому что структура оригами изначально имеет избыточную жёсткость. Исследователи достигают более простого дизайна, удаляя определённые панели, сохраняя при этом функциональность конструкции.
Геометрические ограничения
Успех заключается в соблюдении определённых геометрических ограничений, которые имеют два ключевых шага для обеспечения совместимости движений:
* Во-первых, структура основана на жёсткой трубке оригами, которая должна удовлетворять определённым симметричным геометрическим условиям.
* Во-вторых, после выборочного удаления некоторых панелей и расширения соседних с ними длина расширения должна соответствовать определённому геометрическому ограничению, связанному с толщиной панели.
Использование строгого математического подхода обеспечивает правильное складывание структур, даже при устранении зазоров на поверхности.
Применение
Исследователи доказали универсальность своей стратегии проектирования, применив её для создания развёртываемых конструкций с различной геометрией. Это указывает на то, что конструкции подходят для различных применений в разных масштабах.
Для крупномасштабного архитектурного применения эти конструкции могут позволить создавать развёртываемые купола стадионов, водонепроницаемые кровельные системы и космические телескопы.
На потребительском уровне их можно использовать для изготовления компонентов трансформируемых автомобилей. В самых маленьких масштабах эти структуры могут быть ценными в мягких роботизированных системах, предназначенных для хирургических применений.
Как объяснил профессор Чириджян: «Мы предложили общую методологию для развёртываемых конструкций, которая не ограничивается каким-либо конкретным применением. Этот подход очень универсален и может быть адаптирован к широкому спектру вариантов использования».
Исследователи также разработали методы минимизации количества верхних (жёлтых) панелей, упрощая изготовление при сохранении функциональности. Это даёт инженерам возможность адаптировать конструкции в соответствии с требованиями.
Прототипы
Изготовив прототипы с помощью 3D-печати, исследователи подтвердили, что их конструкции эффективно складываются и разворачиваются в бесшовные поверхности. Жёлтые поверхности сверху в развёрнутом состоянии полностью бесшовны, а синие панели внизу действуют как опорная конструкция.
Профессор Чириджян пояснил: «У этих структур нет строгих требований к материалам, что позволяет использовать широкий спектр материалов. Однако методы изготовления и сборки играют решающую роль в определении характеристик конструкции, особенно из-за большого количества взаимосвязанных соединений».
Исследование представляет собой важный инженерный шаг в создании гладких, непрерывных поверхностей, которые предлагают инженерам практическое решение для широкого спектра применений.
© 2025 Science X Network