3D-друк спростила створення тенсегріті-конструкцій

Південнокорейські інженери запропонували друкувати тенсегріті-структури на 3D-принтері. Спочатку принтер друкує заготовку з пластику, що витрачається, з жорсткими елементами каркаса всередині, а потім у підготовлені канали заливають еластичний матеріал, що працює як троси. Після цього матеріал видаляють і залишається тільки тенсегріті-структура. Метод дозволив створити невеликі, але складні структури, які важко було б зібрати звичайними методами, а також робота з тенсегріті-ногами з магнітного еластомера. Стаття про метод опублікована в журналі.

Тенсегріті, або напружена цілісність - це вид конструкцій, що складаються з жорстких і гнучких компонентів. Як правило, це стрижні і троси, які з'єднують кінці стрижнів між собою. Головна відмінна особливість тенсегріті-конструкцій полягає в тому, що жорсткі стрижні не стикаються між собою і підвішені на тросах. Завдяки цьому троси працюють на розтягнення, а стрижні тільки на стиснення, але не на вигин. В результаті у таких конструкцій високе ставлення жорсткості до маси, вони стійкі до деформацій, а також здатні перерозподіляти деформацію з однієї частини на всю конструкцію.

Хоча деякі проекти з тенсегріті-конструкцією вже існують (наприклад, стійкий до скидання з вертольота робот), загалом її не можна назвати популярною - незважаючи на всі переваги. Частково це пов'язано з тим, що для неї підходять не всі матеріали, а також таку конструкцію складно збирати воєдино з безлічі елементів, а також підбирати потрібне натягнення.

Дослідники з Ульсанського національного університету науки і технологій під керівництвом Цзіюнь Кім (Jiyun Kim) запропонували не збирати тенсегріті-структури з окремих елементів, а друкувати на 3D-принтері у вигляді цільної конструкції. Метод складається з двох етапів. На першому принтер з двома друкуючими головками одночасно друкує витратну матрицю з полівінілового спирту, а всередині неї стрижні з полілактиду і порожні канали для тросів. На другому етапі в порожні канали вже застиглої матриці необхідно залити матеріал тросів, а потім, коли затвердіє і він, видалити полівініловий спирт. Як матеріал для тросів інженери використовували PDMS, PBAT або їх суміш, а також розчинений в них ферромагнітні частинки оксиду заліза. Це дозволяє керувати деформацією матеріалу не тільки механічно, а й безконтактно за допомогою магнітного поля.

У більшості прототипів тенсегріті-структур автори використовували базову комірку з будовою шестикутної призми, яка, залежно від завдань, з'єднувалася з іншими такими ж комірками в колону або тор. Вони показали безліч різних прикладів застосування таких структур і їх можливостей. Наприклад, тенсегріті з тросами, що реагують на магнітне поле, можна використовувати для запрограмованого складування, причому зворотного: при появі магнітного поля баланс натягнення і стиснення порушується, і конструкція складається, але повертається у вихідну форму, коли поле відключають.

Ще один примітний приклад - це п'ятиногий повзаючий робот з тенсегріті-ногами. Кожна з них складається з п'яти шестикутних призм з напрямком, що чергується. У підставі ніг встановлено по два мотори, пов'язані з бічною або центральною частиною кінця ноги через мотузку. При намотуванні центральної мотузки нога скорочується завдяки призмам, що чергуються, а при намотуванні бічної нога згинається вниз. Завдяки цьому робот з такими ногами зумів походити по підлозі, повертаючи в потрібному напрямку.

Автори зазначають, що 3D-друк дозволить не тільки створювати більш складні структури, ніж створювані звичайними методами, але також використовувати переваги 3D-друку (можливість швидко створювати безліч прототипів з чітко заданими параметрами і відбирати кращі конструкції) і методів оптимізації конструкції.

3D-друк раніше вже використовували для створення решітчастих конструкцій, керованих магнітним полем, але іншим чином. Наприклад, у 2018 році група американських вчених представила метод створення решіток з порожніх трубок, всередину яких необхідно залити магнітореологічну рідину. Така будова дозволяє керувати жорсткістю конструкції за допомогою магнітного поля, не змінюючи при цьому форми конструкції, на відміну від нового методу корейських інженерів.