Ученые открывают новый класс материалов с помощью оригами

Фото из открытых источников

Оригами — японское искусство складывания бумаги — может стать следующим рубежом в области инновационных материалов. Практикуемое в Японии с начала 1600-х годов, оригами включает в себя объединение простых методов складывания для создания сложных конструкций. Теперь исследователи Georgia Tech используют эту технику в качестве основы для материалов следующего поколения, которые могут как действовать как твердое тело, так и предсказуемо деформироваться, «складываясь» под действием правильных сил. Исследование, проведенное под руководством Джеймса МакИнерни из исследовательской лаборатории ВВС, может привести к инновациям во всем: от сердечных стентов до крыльев самолетов и кроссовок. Его результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.

«Оригами привлекло много внимания за последнее десятилетие из-за своей способности развертывать или трансформировать структуры», — говорит МакИнерни. «Наша команда задавалась вопросом, как можно использовать различные типы складок для управления деформацией материала при воздействии на него различных сил и давлений — например, смятый кусок картона, складывающийся более предсказуемо, чем тот, который может сминаться без складок».

Применения такого типа управления обширны. «Существует множество сценариев, начиная от проектирования зданий, самолетов и военных кораблей и заканчивая упаковкой и доставкой товаров, где, как правило, существует компромисс между повышением несущей способности и увеличением общего веса», — объясняет МакИнерни. «Наша конечная цель — улучшить несущие конструкции, добавив складки, вдохновленные оригами, — без добавления веса».

Соавтор исследования Зеб Роклин из Технологического института Джорджии добавляет, что задача состоит в том, чтобы с помощью физики найти способ предсказуемо смоделировать, какие складки и когда использовать для достижения наилучших результатов.

Роклин подчеркивает сложную природу этих типов материалов. «Если я потяну за любой из концов листа бумаги, он будет твердым — он не разделится», — объясняет он. «Но он также гибкий — он может сминаться и волноваться в зависимости от того, как я его двигаю. Это поведение совсем не похоже на то, что мы могли бы наблюдать в обычном твердом теле, и оно очень полезно».

Но хотя гибкие твердые тела уникально полезны, их также очень трудно охарактеризовать, говорит он: «С этими материалами часто трудно предсказать, что произойдет — как материал будет деформироваться под давлением, потому что он может деформироваться многими разными способами. Традиционные физические методы не могут решить этот тип проблем, поэтому мы все еще придумываем новые способы характеризации структур в 21 веке».

При рассмотрении материалов, вдохновленных оригами, физики начинают с плоского листа, который тщательно сгибается для создания определенной трехмерной формы; эти сгибы определяют, как ведет себя материал. Но метод ограничен: ранее моделировалось только складывание оригами на основе параллелограмма, которое использует такие формы, как квадраты и прямоугольники, что допускает ограниченные типы деформации.

«Наша цель состояла в том, чтобы расширить это исследование, включив в него трапециевидные грани», — говорит МакИнерни. Параллелограммы имеют два набора параллельных сторон, но трапеции должны иметь только один набор параллельных сторон. Введение этих более изменчивых форм делает этот тип сгибания более сложным для моделирования, но потенциально более универсальным.

«Из наших моделей и физических тестов мы обнаружили, что трапециевидные лица имеют совершенно другой класс реакций», — поясняет МакИнерни. Другими словами, использование трапеций приводит к новому поведению.

Конструкции могли менять свою форму двумя различными способами: «дыша», равномерно расширяясь и сжимаясь, и «сдвигаясь», деформируясь скручивающим движением. «Мы узнали, что можем использовать трапециевидные грани в оригами, чтобы ограничить изгиб системы в определенных направлениях, что обеспечивает иную функциональность, чем грани параллелограмма», — добавляет МакИнерни.

Удивительно, но команда также обнаружила, что некоторые особенности оригами на основе параллелограмма были перенесены в их трапециевидное оригами, что указывает на некоторые особенности, которые могут быть универсальными для всех конструкций.

«Хотя наше исследование носит теоретический характер, эти идеи могут дать нам больше возможностей для развертывания и использования этих структур», — говорит Роклин.

«Нам еще предстоит много работы», — говорит МакИнерни, рассказывая, что есть два отдельных направления исследований, которые нужно продолжить. «Первое — это переход от трапеций к более общим четырехугольным граням и попытка разработать эффективную модель поведения материала — подобно тому, как это исследование перешло от параллелограммов к трапециям».

Эти новые модели могли бы помочь предсказать, как смятые материалы могут деформироваться при различных обстоятельствах, и помочь исследователям сравнить эти результаты с листами без каких-либо складок вообще. «Это, по сути, позволит нам оценить улучшение, которое обеспечивают наши разработки», — объясняет он.

«Второй путь — начать глубоко думать о том, как наши проекты могут интегрироваться в реальную систему», — продолжает МакИнерни. «Это требует понимания того, где наши модели начинают давать сбои, будь то из-за условий нагрузки или процесса изготовления, а также установления эффективных протоколов производства и испытаний».

«Это очень сложная задача, но биология и природа полны умных твердых тел, включая наши собственные тела, которые деформируются определенными, полезными способами, когда это необходимо», — говорит Роклин. «Это то, что мы пытаемся воспроизвести с помощью оригами».