«Система, которую мы разработали, была вдохновлена метаморфозами», – говорит Цзе Инь, автор статьи о работе и доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в NC State. "Из-за метаморфоза в природе животные меняют свой фундаментальный облик. Мы создали класс материалов, которые можно использовать для создания структур, изменяющих свою фундаментальную архитектуру."
Киригами – фундаментальная концепция работы Инь. Киригами – разновидность оригами, предполагающая вырезание и складывание бумаги.
Но в то время как киригами традиционно использует двухмерные материалы, Инь применяет те же принципы к трехмерным материалам.
Система метаморфоза начинается с единичного 3D-киригами.
Каждый блок может сам по себе образовывать несколько форм. Но эти блоки также имеют модульную конструкцию – их можно соединять, образуя все более сложные конструкции. Поскольку отдельные блоки сами по себе могут образовывать несколько форм и могут подключаться к другим блокам различными способами, вся система способна формировать самые разные архитектуры.
«Подумайте, что вы можете построить из обычных материалов», – говорит Инь. "А теперь представьте, что вы можете построить, если каждый базовый строительный блок может трансформироваться разными способами."
Лаборатория Инь ранее демонстрировала аналогичную концепцию, в которой блоки 3D-киригами накладывались друг на друга. В этой системе блоки могут использоваться для сборки конструкции, но затем конструкция также может быть разобрана.
Система метаморфоза включает в себя фактическое соединение единиц киригами. Другими словами, как только блоки подключены друг к другу, они не могут быть отключены. Однако более крупные структуры, которые они создают, могут трансформироваться в несколько разных архитектур.
Видео системы метаморфоз можно посмотреть по адресу https: // www.YouTube.com / watch?v = hOplS5J_wHI.
«Есть два больших различия между нашей первой системой киригами и системой метаморфоз», – объясняет Инь.
«Первая система киригами включала элементы, которые можно было собрать в архитектуру, а затем разобрать, что является преимуществом. Однако, когда агрегаты были собраны, архитектура не смогла бы трансформировать.
Поскольку стороны устройства не были жесткими и фиксировались под углом 90 градусов, собранная конструкция могла сгибаться и перемещаться, но не могла принципиально изменить свою геометрию.
«Система киригами метаморфоза не позволяет вам разбирать конструкцию», – говорит Инь. "И поскольку стороны каждого кубического блока жесткие и закреплены под углом 90 градусов, собранная конструкция не сильно изгибается или изгибается. Однако готовая конструкция может трансформироваться в разные архитектуры."
При проверке концепции исследователи продемонстрировали, что система метаморфоза способна создавать множество различных структур, способных выдерживать значительный вес, сохраняя при этом свою структурную целостность.
Эта структурная целостность важна, потому что Инь считает строительство одним из возможных приложений для системы метаморфоза.
«Если вы расширите этот подход, он может стать основой для нового поколения строительных материалов, которые можно использовать для создания быстро развертываемых структур», – говорит Инь. "Подумайте о медицинских подразделениях, которые пришлось расширить в короткие сроки во время пандемии, или о необходимости создания приютов для временного проживания после стихийного бедствия."
Исследователи также считают, что система метаморфоза может быть использована для создания различных роботизированных устройств, которые могут трансформироваться, чтобы реагировать на внешние стимулы или выполнять различные функции.
«Мы также думаем, что эту систему можно использовать для создания новой линейки игрушек – особенно игрушек, которые могут помочь людям изучить некоторые фундаментальные концепции STEM, связанные с физикой и инженерией», – говорит Инь. "Мы открыты для сотрудничества с отраслевыми партнерами, чтобы найти эти и другие потенциальные приложения для системы."
Статья «Метаморфозы трехмерной реконфигурируемой и перепрограммируемой архитектурной материи, вдохновленной киригами», опубликована в журнале Materials Today Physics. Первым автором статьи является Янбин Ли, доктор философии.D. студент NC State.
Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда по гранту 2005374.