Исследователи Университета Северной Каролины создали полимерный «китайский фонарик», который может принимать более десятка изогнутых трёхмерных форм за счёт сжатия или скручивания исходной структуры. Этим быстрым изменением формы можно управлять дистанционно с помощью магнитного поля, что позволяет использовать структуру в различных целях.
Основной элемент фонаря изготавливается путём вырезания из полимерного листа ромбовидного параллелограмма, а затем прорезания ряда параллельных линий в центре. В результате получается ряд одинаковых лент, соединённых сплошной полосой материала в верхней и нижней части листа. Если соединить левый и правый концы сплошных полос сверху и снизу, полимерный лист примет трёхмерную форму, напоминающую китайский фонарик.
«Эта базовая форма сама по себе является бистабильной, — говорит Цзе Инь, автор статьи, опубликованной журнале Nature Materials, и профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина. — Другими словами, у неё есть две стабильные формы. Она стабильна в форме фонаря. Но если сжать конструкцию, надавив сверху, она начнёт медленно деформироваться, пока не достигнет критической точки, после чего примет вторую стабильную форму, напоминающую волчок». В этой форме конструкция накапливает всю энергию, которую вы использовали для её сжатия. Поэтому, как только вы начнёте тянуть конструкцию вверх, то достигнете точки, в которой вся энергия высвободится одновременно, и конструкция очень быстро вернётся в форму фонаря.
«Мы обнаружили, что можем создавать множество дополнительных форм, скручивая, вправляя или выворачивая сплошные полоски в верхней или нижней части фонаря, а также комбинируя эти действия», — говорит Яоэ Хонг, первый автор статьи. «Каждая из этих вариаций также является мультистабильной. Некоторые из них могут переходить из одного стабильного состояния в другое и обратно.
Прикрепив тонкую магнитную плёнку к твёрдой полосе в нижней части конструкции, исследователи смогли дистанционно сжимать или скручивать фонарик с помощью магнитного поля. Затем они продемонстрировали несколько вариантов применения, в которых использовалась способность конструкции принимать стабильные формы. Среди этих вариантов были захват для ловли рыбы, фильтр, который открывался и закрывался для регулирования потока воды, и компактная конструкция, которая быстро расширялась, превращаясь в высокую трубу.
Исследователи также разработали математическую модель, которая показывает, как различные углы в структуре влияют на форму каждой вариации и количество энергии, запасённой в каждом стабильном состоянии.
«Эта модель позволяет нам запрограммировать форму, которую мы хотим создать, а также определить, насколько она устойчива и насколько мощной она может быть, когда накопленная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую», — говорит Хонг. «В дальнейшем эти фонари можно будет собирать в 2D- и 3D-конструкции для широкого применения в механических метаматериалах, способных менять форму, и в робототехнике».
[Фото: Yaoye Hong, NC State University]
