Тотиморфи: вчені створили новий клас матеріалів, здатних приймати будь-яку форму

Дослідники з Гарвардської школи інженерії і прикладних наук ім. Джона А. Полсона (SEAS) розробили матеріал, який може приймати і зберігати будь-яку можливу форму.

Винахід може знайти застосування в різних додатках, від робототехніки та біотехнології до архітектури

Одна з найбільших проблем при розробці матеріалів, що змінюють форму, - це врівноваження, здавалося б, суперечливих вимог до пристосовуваності і жорсткості. Висока пристосовуваність дозволяє приймати нові форми, але якщо цей параметр занадто високий, то буде проблематично ці форми підтримувати. Жорсткість допомагає зафіксувати матеріал, але якщо він занадто жорсткий, то вже не може приймати нові форми. Як же бути?

Команда вчених на чолі з Л. Махадеван, професором прикладної математики, почала з нейтрально стійкого елементарного осередку з двома жорсткими елементами, стійкою і важелем, а також двома розтягуваними пругими пружинами. Якщо ви коли-небудь бачили початок будь-якої картини Pixar, то маєте уявлення про «нейтрально стабільний» матеріал. Головка лампи Pixar стабільна в будь-якому положенні, тому що силі тяжкості завжди протидіють пружини, які розтягуються і стискаються узгоджено, незалежно від конфігурації лампи. В цілому, в нейтрально стабільних системах комбінація жорстких і пружних елементів врівноважує енергію осередків, роблячи кожну з них нейтрально стабільною, а тому вони можуть переходити між нескінченною кількістю положень або орієнтацій і бути стабільними в будь-якій з них.

«Маючи нейтрально стабільний елементарний осередок, ми можемо відокремити геометрію матеріалу від його механічної реакції як на індивідуальному, так і на колективному рівні», - пояснив Гаурав Чаудхарі, науковий співробітник SEAS і співавтор статті. «Геометрію елементарної комірки можна змінювати, змінюючи як її загальний розмір, так і довжину одиночної рухомої стійки, в той час як її пружній відгук можна змінювати, змінюючи або жорсткість пружин всередині конструкції, або довжину розпорядки».

Дослідники назвали збірку «тотиморфними матеріалами» через їх здатність трансформуватися в будь-яку стабільну форму. Вони з'єднали окремі елементарні комірки з природно стабільними суглобами, побудувавши 2D і 3D структури з окремих тотиморфних комірок. Команда продемонструвала, що один аркуш тотиморфних клітин може згинатися, закручуватися в спіраль, трансформуватися в форму з двома різними гранями і залишатися стабільними під дією ваги.

«Наш винахід відкриває шлях до нового класу матеріалів, деформаційний відгук яких можна контролювати в різних масштабах», - заявив Махадеван.