Інженери навчилися керувати подовженням кіригами-структур

Американські інженери навчилися керувати поширенням виступів за циліндричними кіригами-структурами під час їх подовження при розтягненні. Як приклад застосування методу інженери показали, як актуатор з нерівномірно поширюваними виступами рухається в два рази швидше, ніж аналогічний актуатор з рівномірною структурою. Стаття опублікована в журналі.

Інженери пропонують використовувати для роботів різні механізми руху. Крім очевидного пересування на колесах або ногах є й інші способи, багато з яких були підглянуті в живій природі. Один з них заснований на русі деяких змій, які здатні скорочувати і розслабляти частини свого тіла. При цьому просування вперед забезпечується виступаючими лусочками, здатними зминатися при русі вперед, але впираються в поверхню при русі назад.

У 2018 році група інженерів під керівництвом Каті Бертольді (Katia Bertoldi) з Гарвардського університету створила змієподібного робота, що відтворює цей механізм. В його основі лежав лист з вирізами в техніці кіригами, обернутий в циліндр навколо пневматичного актуатора, що розширюється. Робот рухається завдяки періодичному подовженню і скороченню, а також тому, що частини кіригами-структури зачіпаються за поверхню і не дають роботу рухатися назад. Однак він скорочувався рівномірно за всім обсягом, через що на останньому етапі скорочення виступаючі частини конструкції вже не утримували робота.

У своїй новій роботі інженери показали, що перехід частин кіригами-конструкції між виступаючим і плоским станом можна зробити нерівномірним. Для початку автори провели простий експеримент і створили дві кіригами-конструкції з однаковою структурою і параметрами вирізів, але одна з них була плоскою, а інша циліндричною. Експеримент з розтягненням показав, що однакові за вирізами конструкції поводяться по-різному. У пласкій конструкції спостерігається рівномірне за обсягом подовження, дуже близьке до деформації, а в циліндричній конструкції подовження починається біля одного з країв, а потім у міру збільшення деформації воно поширюється переривчастим чином до іншого краю.

Подивившись на деформацію окремих структурних осередків кіригами-структур, дослідники побачили в них принципову відмінність. У плоских аркушах петлі (з'єднання між вирізами) після досягнення критичної напруги починають поступово вигинатися в один бік, а в циліндричних конструкціях вони ведуть себе як бістабільні елементи, які під дією деформації різко змінюють своє положення між двома стабільними положеннями і змінюють знак вигину. Крім того, інженери виявили, що на діаграмі розтягнення в разі циліндричної конструкції спостерігається «зуб плинності», тоді як у плоских аркушів такої поведінки немає.

Моделювання дозволило уточнити параметри процесу нерівномірного подовження циліндричних конструкцій. З'ясувалося, що нерівномірна поведінка в циліндричних конструкціях з'являється не завжди, а тільки якщо співвідношення між відстанню між вирізами і їх довжиною знаходиться в інтервалі від 0,025 до 0,15 і число базових комірок на зрізі циліндра становить від чотирьох до 24. Змінюючи один з двох параметрів під час фіксації іншого можна керувати вираженістю піку на діаграмі розтягнення.

Нарешті, найбільш важливим з практичної точки зору стало спостереження, що процес розтягнення починається у точок з нерівномірною будовою, наприклад, кінців циліндра або областей, де параметри кіригами-структури змінюються. Як приклад вони показали, що якщо співвідношення між відстанню між вирізами і їх довжиною біля країв зробити менше, ніж в іншій частині, то спочатку розтягнення буде йти в цих двох сегментах, а потім почне поширюватися від одного з них до іншого. На прикладі актуаторів з різною конструкцією інженери показали, що робот з такою будовою буде зачіпатися за поверхню виступами на одному з крайніх сегментів, що дозволяє йому не «скочуватися» назад і рухатися вдвічі швидше аналогів.

Дослідники застосовують техніку кіригами і для набагато менших за розміром об'єктів. Наприклад, у 2015 році вчені з'ясували, що деякі параметри графена близькі до параметрів паперу, завдяки чому його можна використовувати для вирізання киригами. Автори роботи підтвердили свої висновки на практиці, вирізавши за допомогою лазера розтягувану пружину і шарнір.