Команда также разработала обратную стратегию проектирования, алгоритм, который находит оптимальную конструкцию для надувного устройства киригами, которое будет имитировать целевую форму при надувании.
«Эта работа обеспечивает новую платформу для устройств, изменяющих форму, которые могут поддерживать разработку инновационных медицинских инструментов, приводов и реконфигурируемых структур», – сказала Катя Бертольди, профессор прикладной механики Уильяма и Ами Куан Данофф в SEAS и старший автор исследования.
Исследование опубликовано в Advanced Materials.
Отдельный разрез на листе киригами способствует увеличению формы воздушного шара, как пиксель помогает сформировать изображение на 2D-поверхности. Исследователи обнаружили, что, настраивая геометрические параметры этих разрезов, они могут контролировать и внедрять сложные формы.
«Изменяя только два параметра пикселей, мы можем запрограммировать всевозможные сумасшедшие формы в шары киригами, включая изгибы, повороты и расширения», – сказал Антонио Элиа Форте, научный сотрудник SEAS и соавтор исследования. «Наша стратегия позволяет нам автоматически проектировать трансформируемый воздушный шар, исходя из формы, которая вам нужна. Это восходящий подход, который впервые использует эластичность материала, а не только кинематику."
Используя эти параметры, исследователи разработали обратный алгоритм, который может смешивать и сопоставлять пиксели разной ширины и высоты или полностью удалять определенные пиксели для достижения желаемой формы. Манипулируя параметрами отдельных пикселей, исследователи смогли настроить формы в значительно меньшем масштабе. Чтобы продемонстрировать это, они запрограммировали воздушный шар, имитирующий форму кабачка (эксперименты проводились около Хэллоуина), с характерными неровностями и выступами по бокам.
«Контролируя расширение на каждом уровне воздушного шара киригами, мы можем воспроизводить различные формы мишеней», – сказал Лишуай Цзинь, аспирант SEAS и соавтор статьи.
Исследователи также сделали воздушные шары из киригами в форме тыкв, крючков и ваз из калебаса, продемонстрировав, что этот подход достаточно общий, чтобы имитировать любую заданную форму.
Далее, исследования стремятся использовать эти воздушные шары киригами в качестве приводов, изменяющих форму, для мягких роботов. Работа закладывает основу для проектирования структур в различных масштабах: от микро малоинвазивных хирургических устройств до макроструктур для исследования космоса.
Соавторами этого исследования являются Болей Денг и Ахмад Рафсанджани. Работа поддержана Национальным научным фондом в рамках гранта №. DMR-1420570 и DMR-1922321.