Лазерный мир

Швейцарские инженеры разработали оригами-структуру, выдерживающую большую нагрузку в заданных направлениях, но при этом легко складывающуюся при нагрузке в другом направлении. Она представляет композит, состоящий из жестких и эластичных слоев, от организации которых зависят свойства всей конструкции. Разработчики продемонстрировали применение конструкции на примере дрона со складными и самопроизвольно выпрямляющимися плечами. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

Инженеры нередко используют в своих конструкциях технику складывания, напоминающую оригами. Это позволяет экономить место при транспортировке и даже реализовывать необычные механизмы, например, преобразующие вращательное движение в поступательное. Но у такого подхода есть и недостатки. Как правило, такие конструкции состоят либо из жестких материалов и множества соединений, склонных к поломкам, либо гибких и неспособных сопротивляться сильным нагрузкам.

В начале 2018 года группа ученых из Швейцарии и США описала метод создания оригами-структур, совмещающих в себе жесткие и мягкие материалы, способных действовать в качестве пружины и блокироваться в одном или двух стабильных положениях. Теперь другая группа ученых под руководством Дарио Флореано (Dario Floreano) из Федеральной политехнической школы Лозанны развила эту идею и адаптировала подобные структуры для сильных нагрузок, а также создала несколько функциональных устройств на их основе.

Как и авторы предыдущей работы, исследователи использовали конструкцию, похожую на строение крыльев некоторых насекомых. Большую часть их крыла занимают жесткие фрагменты кутикулы, соединенные между собой эластичным белком резилином. В созданном инженерами искусственном аналоге роль жесткой основы играет полиметилметакрилат, более известный как оргстекло, а в качестве эластичного материала выступает силиконовый эластомер. Исследователи отмечают, что по своим механическим свойствам, например, модулю Юнга, эти материалы очень близки к своим природным аналогам.

Схема создания оригами-конструкции

Процесс создания конструкции заданной формы происходит следующим образом. Изначально на жесткую полимерную пластину толщиной полмиллиметра наносят тонкий клейкий слой. После этого лазерный луч выжигает ненужный клей на местах складывания, а также создает углубления в полидиметилсилоксане. Затем между двух таких пластин размещают предварительно растянутый эластомер толщиной 0,3 миллиметра и все слои соединяют в единый композит. В конце процесса пластины необходимо сломать по намеченным лазером линиям.

В результате образуется материал, который в местах складывания проявляет двойную жесткость. При небольшой нагрузке, не превышающей порог, заданный предварительно растянутым эластомером, материал не изгибается, а при превышении пороговой нагрузки он начинает обратимо изгибаться и возвращает исходную форму после прекращения нагрузки.

Складной захват

Инженеры создали на основе материала два демонстрационных устройства. Одно из них представляет собой захват, способный принимать два положения и сдавливать объекты с разной силой. Другой прототип представляет собой квадрокоптер со складными плечами, на концах которых расположены роторы. В разложенном положении пластины в плечах расположены под углом к друг другу, а также удерживаются у основания магнитами, что позволяет удерживать конструкцию дрона в полете в стабильном состоянии. Но для транспортировки или хранения плечи дрона можно сложить, сжав пластины каждого плеча. Если же их отпустить в таком положении, они самопроизвольно распрямятся в рабочее положение и будут готовы к полету. Кроме того, такая конструкция позволяет выдерживать довольно сильные удары без необратимых повреждений.

Созданный инженерами складной дрон

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/07/25/origami