Вдохновившись поведением броненосцев, исследователи из Университета штата Северная Каролина создали защитную конструкцию, которая сворачивается в шар при возникновении внешней угрозы, чтобы защитить электронные устройства. Конструкция спроектирована таким образом, чтобы автоматически отвечать на воздействие. Она может быть настроена на реагирование на любые угрозы — от легкого прикосновения до сильного удара.
«В области мягкой робототехники и гибкой электроники наблюдается значительный прогресс, но эти устройства зачастую хрупкие, — говорит Йонг Чжу, автор статьи и заслуженный профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Северная Каролина. — Наша цель состояла в том, чтобы разработать решение, которое позволит хрупким технологиям функционировать, но при необходимости защитит их».
«В расслабленном состоянии разработанная структура довольно гибкая, но ее можно активировать, чтобы она превратилась в жесткую внешнюю конструкцию, — говорит Цзяньюй Чжоу, первый автор статьи. — Мы можем представить, что эта технология будет использоваться для защиты самых разных объектов — практически всего, что можно согнуть».
Робоброненосец, которого исследователи назвали морфовзаимосвязанным защитным модулем (Morpho-Interlocking Protective Module, MIPM), состоит из трех основных слоев. Внешний слой, или экзоскелет, сделан из сегментированных изогнутых пластин, изготовленных из 3D-печатной смолы. Средний слой, «сенсорный и исполнительный», состоит из четырех частей: жидкокристаллического эластомера, который сжимается при нагревании; тензодатчика из эластичного полимера с серебряными нанопроволоками; слоя каптоновой ленты, которая расширяется при нагревании; и тонкого слоя проводящей ткани, который служит «нагревательным» слоем. Наконец, есть слой эндоскелета, состоящий из плотной бумаги, сложенной в виде ряда выступов, которые удерживают ряд жестких полимерных «сегментных чешуек».
Когда тензодатчик фиксирует прикосновение или удар, он посылает сигнал на блок управления, который затем подает питание на нагревательный слой. По мере нагревания слой из низкоуглеродистой стали сжимается, а из каптоновой ленты — расширяется, из-за чего вся конструкция изгибается. В результате структура MIPM сворачивается в защитный круг, а экзоскелет оказывается снаружи.
«По мере того как слои изгибаются, образуя круг, сегментарные чешуйки эндоскелета сцепляются друг с другом, образуя прочный внутренний "скелет", который повышает устойчивость структуры», — говорит Чжоу.
В ходе экспериментального тестирования исследователи убедились, что MIPM работает должным образом: сенсорный слой реагирует на повышенную нагрузку и запускает процесс трансформации в защитную оболочку. Исследователи также обнаружили, что увеличение количества сегментов в эндоскелете значительно повышает внутреннюю жесткость и прочность конструкции.
«С помощью проектирования, ориентированного на механику, мы нашли компромисс между сегментацией эндоскелета и облегчением конструкции, — говорит Чжу. — Например, 10 сегментов чешуи способны выдерживать нагрузку около 10 ньютонов. Мы продемонстрировали сочетание гибкости и механической защиты, которое обладает большим потенциалом. Мы заинтересованы в поиске дополнительных возможностей для развития гибких, но при этом защитных технологий, вдохновленных природой».
Статья опубликована в журнале Science Advances.
[Фото: Jianyu Zhou, NC State University]
