Инженеры-механики из Университета Дьюка разработали прочные строительные блоки, механические свойства которых можно программировать и перепрограммировать по мере необходимости.
Контролируя, являются ли крошечные внутренние ячейки твёрдыми или жидкими, блоки могут изменять жёсткость, демпфирование и подвижность без изменения общей формы.
В экспериментальной модели используются кубики, похожие на детали Lego, состоящие из 27 внутренних ячеек. Каждая ячейка содержит галлий-железный композит, который может переходить из твёрдого состояния в жидкое при комнатной температуре.
Воздействуя локальным нагревом с помощью электрического тока, исследователи могут сжигать определённые клетки по заданной схеме, эффективно кодируя механическое поведение в жёсткой структуре.
На ранних демонстрациях команда собирала несколько кубов в балки и колонны, изгиб и вибрация которых менялись в зависимости от того, какие внутренние клетки были сожжены.
Одна и та же структура могла вести себя как мягкая резина или жёсткий пластик без необходимости перестройки или изменения формы.
Самая впечатляющая демонстрация была проведена в воде. Исследователи собрали 10 кубов в прямую колонну, которая стала программируемым хвостом для роботизированной рыбы.
При одинаковом входном сигнале от двигателя рыбы с разной внутренней конфигурацией плавали по совершенно разным траекториям, демонстрируя, как можно изменить движение с помощью одного лишь программирования материала.
Живые материалы
«Мы хотим создать живые материалы, — говорит Юн Бай, первый автор исследования и аспирант Университета Дьюка. — 3D-принтеры могут создавать материалы с определёнными механическими свойствами, но для их изменения нужно повторить печать. Мы хотели создать что-то вроде человеческих мышц, которые могли бы менять свою жёсткость в реальном времени».
В отличие от материалов, меняющих форму, эта система изменяет механические свойства без изменения геометрии.
В ходе двумерных испытаний исследователи показали, что с помощью тонких пластин можно точно регулировать жёсткость и демпфирование, сохраняя при этом тот же форм-фактор. Эти пластины были протестированы в сравнении с коммерчески доступными материалами и продемонстрировали широкий диапазон характеристик.
В трёхмерном пространстве модульная структура блоков обеспечивает дополнительный уровень гибкости.
Каждый куб можно присоединять или отсоединять, как детали Lego, что позволяет инженерам собирать более крупные системы с настраиваемым механическим поведением. После тестирования конфигурации замораживание структуры при температуре ноль градусов по Цельсию возвращает все ячейки в твёрдое состояние, что позволяет многократно перепрограммировать их.
Переписываем законы механики твёрдого тела
«Это даёт нам возможность создавать трёхмерные структуры с различными механическими свойствами, — сказал Бай. — А при замораживании блоков при нулевой температуре все ячейки возвращаются в твёрдое состояние, так что их конфигурацию можно перепрограммировать снова и снова».
Помимо робототехники, команда видит потенциал применения в медицине и электронике. Регулируя состав металла, можно изменять температуру замерзания и плавления для таких сред, как человеческое тело.
Миниатюрные версии в будущем смогут перемещаться по кровеносным сосудам, следить за состоянием здоровья или трансформироваться в адаптивные стенты, реагирующие на изменяющиеся условия.
«Наша цель — в конечном счёте создать более крупные системы с использованием композитных материалов», — говорит Сяоюэ Ни, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка.
«Мы хотим создать гибкие программируемые материалы для робототехники, которые позволят роботам выполнять широкий спектр задач в самых разных условиях».