Mechanizm działania polimerowej latarni
Specjalna struktura polimerowa potrafi przekształcać się w ponad tuzin zakrzywionych form przestrzennych poprzez kompresję lub skręcanie. Materiał powstaje z arkusza polimeru wyciętego w kształt równoległoboku z równoległymi liniami tworzącymi wstążki. Podstawą działania jest zjawisko bistabilności – struktura posiada dwa stabilne stany. Pierwszy to klasyczny kształt latarni, a drugi przypomina bączek. Gdy struktura jest ściskana od góry, powoli się odkształca, aż osiąga punkt krytyczny i gwałtownie przełącza się w nową formę.
Ten podstawowy kształt jest sam w sobie bistabilny. Ma dwie stabilne formy. Jest stabilny w kształcie latarni, oczywiście. Ale jeśli ściśniesz strukturę, naciskając od góry, zacznie się ona powoli odkształcać, aż osiągnie punkt krytyczny, w którym zatrzaśnie się w drugi stabilny kształt przypominający bączek – wyjaśnia Jie Yin z North Carolina State University
Czytaj też: Lżejszy od stali, twardszy niż myślisz. Ten metal wytrzymuje miliony cykli w 600°C
System autonomicznie wybiera ścieżki przełączania dzięki sprzężeniu między wieloma wstążkami, co umożliwia precyzyjne projektowanie złożonych morfologii. Badacze posunęli się znacznie dalej niż stworzenie materiału z dwoma stabilnymi formami. Odkryli, iż można generować dodatkowe kształty poprzez zastosowanie skrętu, składanie solidnych pasków do wewnątrz lub na zewnątrz, oraz kombinacje tych technik.
Odkryliśmy, że możemy stworzyć wiele dodatkowych kształtów, stosując skręt do kształtu, składając solidne paski u góry lub u dołu latarni do wewnątrz lub na zewnątrz, lub dowolną kombinację tych rzeczy – dodaje Yaoye Hong, współautor badań
Każda wariacja jest wielostabilna: niektóre struktury mogą przechodzić między dwoma stanami, a jedna osiąga nawet cztery stabilne stany w zależności od tego, czy ściskamy strukturę, skręcamy ją, czy robimy obie rzeczy jednocześnie. Przełomem jest możliwość zdalnego sterowania za pomocą pola magnetycznego dzięki cienkiej folii magnetycznej. To otwiera możliwości aplikacji, gdzie zmiana kształtu musi nastąpić w miejscach trudno dostępnych dla człowieka.
Matematyczne modelowanie kształtów
Zespół opracował model matematyczny, który pozwala programować pożądany kształt jeszcze przed wytworzeniem materiału. Model uwzględnia stabilność struktury oraz moc uwalnianej energii potencjalnej.
Model ten pozwala nam programować kształt, który chcemy stworzyć, jego stabilność oraz to, jak potężny może być, gdy zmagazynowana energia potencjalna zostanie przekształcona w energię kinetyczną – zauważa Hong
Czytaj też: Wielka szansa na tańszy prąd. Opracowali atomowe paliwo o wyjątkowych właściwościach
Sterowana trzema kątami Eulera meta-jednostka oferuje przestrzeń projektową obejmującą stany aż do czterostabilnych. Inżynierowie mogą z góry zaplanować, jak materiał będzie się zachowywał w różnych sytuacjach. Potencjalne zastosowania wydają się obiecujące, choć warto zachować zdrowy sceptycyzm co do ich szybkiego wdrożenia. Naukowcy widzą możliwość wykorzystania w:
- nieinwazyjnych chwytakach do organizmów morskich – struktury mogą delikatnie chwytać stworzenia bez ich uszkadzania
- filtrach regulujących przepływ wody z aktywacją magnetyczną
- kompaktowych kształtach szybko rozszerzających się do otwierania zapadniętych rur
- robotyce miękkiej – gdzie maszyny muszą dostosowywać kształt do otoczenia
Idąc dalej, te jednostki latarni mogą być składane w architektury 2D i 3D do szerokich zastosowań w metamateriałach mechanicznych zmieniających kształt i robotyce. Badania ukazały się w czasopiśmie Nature Materials. Praca ustanawia ogólne ramy dla materiałów architektonicznych o programowalnym kształcie, stabilności i funkcji. Technologia znajduje się w początkowej fazie rozwoju, a jej twórcy pracują nad skalowaniem rozwiązania i integracją z systemami kontroli. W związku z tym warto śledzić dalsze postępy w tej dziedzinie. Być może kiedyś zobaczymy te niezwykłe metamateriały w medycynie, robotyce czy inżynierii środowiskowej.