Процесс создания фонарика. Источник: Яое Хонг, Университет штата Северная Каролина
Исследователи создали структуру, вдохновлённую бумажными фонарями, которая может трансформироваться в более чем десяток трёхмерных форм.
Полимер можно дистанционно преобразовывать в различные формы с помощью магнитного поля. Исследовательская группа считает, что эта функция будет полезна во многих приложениях.
Как создали объект, похожий на фонарик
Команда создала объект, похожий на фонарик, взяв полимерный лист в форме параллелограмма и разрезав ряд параллельных линий посередине, оставив сплошную полосу материала сверху и снизу листа. Затем они соединили правый и левый края сверху и снизу вместе, в результате чего получилась структура, похожая на бумажный фонарик.
«Эта базовая форма сама по себе бистабильна», — говорит старший автор исследования Цзе Инь, профессор машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Северная Каролина в США. «Она стабильна в форме фонарика, конечно. Но если вы сожмёте структуру, надавив сверху, она начнёт медленно деформироваться, пока не достигнет критической точки, после чего резко перейдёт во вторую стабильную форму, напоминающую волчок».
Экспериментируя со структурой фонарика, команда обнаружила, что может манипулировать ею различными способами для создания дополнительных форм.
«Мы обнаружили, что можем создавать множество дополнительных форм, скручивая фигуру, сгибая твёрдые полосы в верхней или нижней части фонарика внутрь или наружу, или сочетая эти действия», — говорит первый автор Яое Хонг, научный сотрудник Университета Пенсильвании, США. «Каждая из этих вариаций также мультистабильна. Некоторые могут быстро переходить между двумя стабильными состояниями. У одной есть четыре стабильных состояния, в зависимости от того, сжимаете ли вы структуру, скручиваете её, или одновременно сжимаете и скручиваете».
Применение магнитного поля
Исследователи добавили тонкую магнитную плёнку на полосу твёрдого полимера внизу, а затем использовали магнитное поле для скручивания и сжатия структуры дистанционно.
«В форме волчка структура сохранила всю энергию, которую вы использовали для её сжатия. Поэтому, как только вы начнёте тянуть структуру вверх, вы достигнете точки, в которой вся эта энергия будет высвобождена одновременно, заставляя её очень быстро вернуться в форму фонарика», — говорит Инь.
Команда разработала математическую модель, которая предсказывает, как различные углы в структуре управляют её формой и сколько энергии сохраняется в сжатой стабильной форме.
«Эта модель позволяет нам программировать форму, которую мы хотим создать, её стабильность и мощность, когда накопленная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую», — говорит Хонг. «И всё это имеет решающее значение для создания форм, которые могут выполнять нужные задачи».
Одним из потенциальных применений полимера является создание неинвазивного захвата для ловли рыбы. Команда также протестировала использование полимера в качестве фильтра, который может контролировать поток воды, когда фонарик открывается и закрывается.
Дальнейшее обсуждение применения этого фонарика было опубликовано в журнале Nature Materials.
«В дальнейшем эти элементы-фонарики можно будет собирать в двумерные и трёхмерные конструкции для широкого применения в механических метаматериалах, изменяющих форму, и робототехнике», — говорит Инь. «Мы будем это исследовать».