Метаматериалы, вдохновлённые оригами, деформируются в изменяющемся магнитном поле
Автор: Aaron Nathans/Princeton University
Захватывающее поведение оригами вдохновило инженеров на создание структуры, которая скручивается при сжатии и сжимается при скручивании. Эта структура представляет собой метаматериал — класс инженерных материалов, демонстрирующих поведение, не встречающееся в природе, свойства которых зависят от их структуры, а не химического состава. Такие материалы могут находить применение в самых разных областях — от регулирования температуры до робототехники и упаковки.
Новый метаматериал основан на оригами-паттерне Креслинга и описан в новой статье в журнале Nature.
Филип Клок и профессор Ларри Хауэлл из Бригамовского Young университета в США, которые не участвовали в исследовании, но являются авторами сопутствующей статьи в Nature News and Views, объясняют, что в конструкции Креслинга одиночный лист бумаги складывается в цилиндр.
«При скручивании стороны структуры оригами складываются так, что цилиндр сжимается», — пишут они.
Новый метаматериал состоит не из одного листа, а из повторяющихся единиц, изготовленных из тонких пластиковых стержней, которые следуют линиям сгиба паттерна оригами Креслинга.
«Мягкие соединения между стержнями позволяют структурам сжиматься, расширяться и вращаться, как и вдохновившему их оригами», — пишут Клок и Хауэлл.
Единица, вдохновлённая оригами Креслинга
Автор: Princeton University
Наложив друг на друга блоки, вращающиеся по часовой стрелке и против часовой стрелки, исследователи создали колонны с верхними и нижними секциями, которые крутятся в разных направлениях. Эти колонны были собраны в регулярную решётку, чтобы создать трёхмерный деформируемый метаматериал, который можно «обратимо сжать до менее чем половины его первоначальной высоты, применяя последовательность поворотов по часовой стрелке и против часовой стрелки».
Исследователи прикрепили магниты к пластиковым стержням, чтобы внешнее магнитное поле заставляло их скручиваться, сжиматься или раскрываться. Получившийся «метабот» может следовать командам электромагнитного поля, как дистанционно управляемый робот, даже несмотря на то, что у него нет ни мотора, ни внутренних передач.
«Электромагнитные поля одновременно передают энергию и сигнал», — говорит Минцзе Чен, соавтор статьи в Nature и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Принстонского университета в США.
Метаматериал, вдохновлённый оригами, движется в магнитном поле
Автор: Princeton University
«Каждое поведение очень простое, но когда вы объединяете их, оно может стать очень сложным. Это исследование расширило границы силовой электроники, продемонстрировав, что крутящий момент может передаваться удалённо, мгновенно и точно на расстояние, чтобы вызвать сложные роботизированные движения».
Потенциальные области применения очень разнообразны.
«Из-за настраиваемой реакции на приложенные силы его можно использовать вместо пенопласта для контейнеров, а также в качестве весов, кнопок или выдвижных лестниц», — предполагают Клок и Хауэлл.
«Если бы метаматериал можно было заставить реагировать на тепло и свет, его также можно было бы использовать в качестве теплового щита для таких применений, как космические аппараты, которым требуется защита от экстремальных температурных колебаний, или для создания материала, который сжимается, а не расширяется в ответ на тепло».