В исследовании, опубликованном в журнале 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 складные механизмы, вдохновлённые оригами, стали центром внимания при разработке компактных и функциональных конструкций для аэрокосмической, аварийной и медицинской сфер.
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.
Решение проблемы
Традиционные конструкции оригами с толстыми панелями 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 Пэн из Национального университета Сингапура и Грегори С. Чириджяном из Университета Делавэра, решает эту давнюю проблему.
Phys.org поговорил с соавтором профессором Чириджяном о работе. «Существующие методы часто усложняют конструкцию или не гарантируют получения бесшовных поверхностей, что значительно ограничивает их практическое применение», — объясняет профессор Чириджян. «Наша мотивация — расширить область применения техник оригами с толстыми панелями, устранив эти ограничения».
Исследователи разработали инновационный метод, который, кажется, противоречит традиционной инженерной логике. Вместо добавления элементов они полностью удаляют определённые панели.
Небольшой участок общей конструкции состоит из трёх панелей, соединённых двумя долинными складками или вогнутыми сгибами. Исследователи устранили зазор в развёрнутой конструкции, удалив среднюю панель и расширив панели по бокам.
Подход работает, потому что структура оригами изначально имеет избыточную жёсткость. Исследователи достигают более простой конструкции, удаляя определённые панели, сохраняя при этом функциональность конструкции.
Успех заключается в соблюдении определённых геометрических ограничений, которые включают два ключевых шага для обеспечения совместимости движений:
1. Структура основана на жёсткой трубе оригами, которая должна удовлетворять определённым симметричным геометрическим условиям.
2. После выборочного удаления некоторых панелей и расширения соседних длина расширения должна соответствовать определённому геометрическому ограничению, связанному с толщиной панели, — сказал профессор Чириджян.
Использование строгого математического подхода обеспечивает продолжение складывания конструкций по назначению даже при устранении зазоров на поверхности.
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 разворачиваемые купола стадионов, водонепроницаемые кровельные системы и космические телескопы.
На потребительском уровне их можно использовать для изготовления компонентов автомобиля с изменяемой геометрией. В самых маленьких масштабах эти конструкции могут быть ценными в мягких роботизированных системах, предназначенных для хирургических применений.
Как объяснил профессор Чириджян: «Мы предложили общую методологию для развёртываемых конструкций, которая не ограничена 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.
Изготовив прототипы с 3D-печатью, исследователи подтвердили, что их конструкции эффективно складываются и разворачиваются в бесшовные поверхности. Жёлтые поверхности сверху в развёрнутом состоянии полностью бесшовные, а синие панели снизу выполняют функцию поддерживающей конструкции.
«Эти конструкции не имеют 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», — пояснил профессор Чириджян.
Исследование представляет собой важный инженерный шаг в создании гладких, непрерывных поверхностей, которые предлагают инженерам практическое решение для широкого спектра применений.