Крыло уховертки вдохновило инженеров на создание самосборного оригами

Инженеры научились создавать оригами-конструкции, которые могут самостоятельно складываться в одно или два стабильных положения. Они состоят из жестких сегментов, соединенных эластичным материалом, выступающим в качестве пружины. Регулируя форму и положение сегментов относительно друг друга можно задавать положения, которые может принимать вся конструкция. С помощью такой техники авторы напечатали на 3D-принтере несколько конструкций и даже искусственный аналог крыла уховертки, сообщается в Science.

Разработчики роботов и других устройств иногда используют в них технику оригами. Это позволяет создавать складные конструкции, которые обеспечивают большую площадь во время работы и занимают намного меньше места в остальное время. Но такие конструкции не меняют форму сами по себе и требуют дополнительных актуаторов для разворачивания в рабочее положение.

Исследователи под руководством Андрэ Штударт (Andre Studart) предложили использовать при создании оригами-конструкций другой подход. За основу новой техники они взяли строение крыла уховертки. Оно разделено на множество продольных сегментов, на стыке которых располагается эластичный белок резилин. Когда крыло насекомого раскрыто, этот белок растягивается и действует как пружина. В центре крыла располагается блокирующий механизм, имеющий два стабильных положения, соответствующих сложенному и разложенному состоянию крыла. Таким образом, насекомому достаточно затратить энергию лишь на раскрытие крыла, после чего оно заблокируется с достаточной силой, чтобы выдерживать аэродинамические нагрузки. Поскольку после раскрытия крыла белок между его сегментами действует как натянутая пружина, для закрытия уховертке нужно лишь преодолеть сопротивление блокировочного механизма, после чего крыло сложится самостоятельно.

Инженеры создали модель, которая описывает такое поведение крыла и научились создавать на ее основе искусственные конструкции с аналогичными свойствами. Элементы в таких конструкциях геометрически несовместимы между собой с точки зрения классической техники оригами, но в случае с эластичными соединениями между сегментами эта несогласованность позволяет создавать оригами, которое все же можно сложить.

Исследователи продемонстрировали это на примере простой квадратной конструкции, состоящей из четырех сегментов. Когда сегмент представляет собой квадрат, общая конструкция будет стремится к плоской форме с параллельным расположением сегментов. Если же между сегментами есть угол, эластичные соединения между ними будут действовать как поворотные и стягивающие пружины, за счет которых у конструкции будет два симметричных стабильных положения.

На основе этой техники исследователи создали несколько прототипов, меняя форму сегментов и углы между ними. Например, они напечатали четырехсегментную конструкцию, которая может стабильно находиться в полностью сложенном положении, при котором все ее части параллельны друг другу, или же принимать форму разложенной книги. Также они создали захват, который имеет два стабильных положения и, перемещаясь между ними, может захватывать предметы и удерживать их без необходимости в источнике энергии.

Инженеры отмечают, что такие конструкции можно даже печатать в уже сложенном виде на 3D-принтере. Авторы работы напечатали искусственное крыло уховертки и подтвердили, что оно может складываться аналогичным образом, но не наделили его способностью самосборки, поскольку это сильно усложняет процесс производства.

В прошлом году физики обосновали сложность складывания оригами без знания о том, в каком порядке нужно производить сгибы. Оказалось, что из-за наличия большого количества точек бифуркации в структуре складок необходимое число сгибателей, необходимых для сворачивания правильной конфигурации, быстро растет при увеличении сложности системы.

Григорий Копиев