Орігамі-структура перетворила стиснення в розтягнення

Американські і японські вчені створили блочну орігамі-структуру з незвичайними механічними властивостями. Під час удару деформація в ній трансформується зі стиснення, яке практично повністю гаситься на початку структури, в інтенсивне розтягнення у вигляді одиночної хвилі, що поширюється далі по ній. У майбутньому конструкції такого типу можна буде використовувати в амортизаторах або інших пристроях для пом'якшення ударів, розповідають автори статті в.

У своїй роботі вчені досліджували трикутно-циліндричний візерунок орігамі, який має структуру циліндра, що складається з трикутних площин, здатних змінювати кут між один одним. Завдяки такій будові трикутно-циліндричні орігамі-структури при поздовжній деформації виявляють два типи руху - поступальний і обертальний. У деяких розробках, таких як робот-черв'як, орігамі-структури такого типу використовуються для перетворення одного типу руху в інший.

Раніше інші вчені теоретично показували можливість поширення одиночної хвилі розтягнення при стисненні в одномірній системі, що проявляє деформаційне розм'якшення. Це означає, що при ударі з одного боку до іншого дійде не удар, а розтягнення. Дослідники під керівництвом Цзінькюя Яна (Jinkyu Yang) з Вашингтонського університету експериментально продемонстрували подібну контринтуїтивну поведінку матеріалу на прикладі трикутно-циліндричної орігамі-структури.

Вчені вибрали структуру в якій базова комірка складається з двох трикутників, організованих у паралелограм. Разом шість таких осередків утворюють циліндр, на краях якого дослідники закріпили пластикові деталі для скріплення сегментів разом. Всього в конструкції знаходяться 20 сегментів, в яких чергується орієнтація. Це зроблено для того, щоб при стисненні сусідні сегменти скручувалися в різні боки і тим самим компенсували обертання один одного. Дослідники створили модель, що описує поведінку конструкції при стисненні. Модель описує систему з двома ступенями свободи, поведінка якої визначається двома типами пружин з різними коефіцієнтами жорсткості. Як пружини в реальній конструкції виступають згини двох типів.

Для експериментального підтвердження передбачуваної поведінки дослідники закріпили на кожному сегменті по кілька інфрачервоних маркерів і відстежили їх переміщення під час деформації. Експерименти показали, що після удару по крайньому сегменту спочатку в перших декількох сегментах відбувається інтенсивна стискаюча деформація, проте потім на цьому ж краї формується одиночна хвиля інтенсивного розтягнення, яка «обганяє» стиснення і поширюється до іншого краю з невеликим загасанням, тоді як стиснення затухає практично повністю в перших декількох сегментах.

Дослідники відзначають, що експериментальні дані досить точно відповідають поведінці моделі. Проаналізувавши поведінку структури, вони дійшли висновку, що асиметрична поведінка стиснення і розтягнення в такій структурі пов'язана саме з тим, що вона проявляє деформаційне розм'якшення при стисненні - тобто при стисненні жорсткість системи зменшується, а при розтягненні навпаки збільшується. Автори статті відзначають, що, хоча їх робота носить швидше теоретичний характер, що підтверджує саму можливість такої поведінки у великих системах, в майбутньому такий механізм можна буде використовувати в механізмах для пом'якшення ударів.

Існують й інші конструкції або матеріали з контринтуїтивними механічними властивостями. Наприклад, існують ауксетичні матеріали, які при розтягненні не зменшуються в поперечному перерізі, а розширюються. У 2016 році таку поведінку виявили у фосфорена і мономолекулярних білкових плівок. Крім того, існує «механічний діод», що зміщується під дією навантажень тільки в один бік, матеріал, жорсткість якого збільшується разом з довжиною, і матеріал, який мимоволі скручується при стисненні.