Тотиморфы: ученые создали новый класс материалов, способных принимать любую форму
Одна из самых больших проблем при разработке материалов, изменяющих форму, — это уравновешивание, казалось бы, противоречивых требований к приспосабливаемости и жесткости. Высокая приспосабливаемость позволяет принимать новые формы, но если этот параметр слишком высок, то будет проблематично эти формы поддерживать. Жесткость помогает зафиксировать материал, но если он слишком жесткий, то уже не может принимать новые формы. Как же быть?
Команда ученых во главе с Л. Махадеван, профессором прикладной математики, начала с нейтрально устойчивой элементарной ячейки с двумя жесткими элементами, стойкой и рычагом, а также двумя растягиваемыми упругими пружинами. Если вы когда-нибудь видели начало любой картины Pixar, то имеете представление о «нейтрально стабильном» материале. Головка лампы Pixar стабильна в любом положении, потому что силе тяжести всегда противодействуют пружины, которые растягиваются и сжимаются согласованно, независимо от конфигурации лампы. В целом, в нейтрально стабильных системах комбинация жестких и упругих элементов уравновешивает энергию ячеек, делая каждую из них нейтрально стабильной, а потому они могут переходить между бесконечным количеством положений или ориентаций и быть стабильными в любой из них.
«Имея нейтрально стабильную элементарную ячейку, мы можем отделить геометрию материала от его механической реакции как на индивидуальном, так и на коллективном уровне», — пояснил Гаурав Чаудхари, научный сотрудник SEAS и соавтор статьи. «Геометрию элементарной ячейки можно изменять, изменяя как ее общий размер, так и длину одиночной подвижной стойки, в то время как ее упругий отклик можно изменять, изменяя либо жесткость пружин внутри конструкции, либо длину распорки».
Исследователи назвали сборку «тотиморфными материалами» из-за их способности трансформироваться в любую стабильную форму. Они соединили отдельные элементарные ячейки с естественно стабильными суставами, построив 2D и 3D структуры из отдельных тотиморфных ячеек. Команда продемонстрировала, что один лист тотиморфных клеток может изгибаться, закручиваться в спираль, трансформироваться в форму с двумя разными гранями и оставаться стабильными под действием веса.
«Наше изобретение открывает путь к новому классу материалов, деформационный отклик которых можно контролировать в разных масштабах», — заявил Махадеван.
Изобретение может найти применение в самых разных приложениях, от робототехники и биотехнологии до архитектуры