Техника оригами помогла создать самосборный складной квадрокоптер

Швейцарские инженеры разработали оригами-структуру, выдерживающую большую нагрузку в заданных направлениях, но при этом легко складывающуюся при нагрузке в другом направлении. Она представляет композит, состоящий из жестких и эластичных слоев, от организации которых зависят свойства всей конструкции. Разработчики продемонстрировали применение конструкции на примере дрона со складными и самопроизвольно выпрямляющимися плечами. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

Инженеры нередко используют в своих конструкциях технику складывания, напоминающую оригами. Это позволяет экономить место при транспортировке и даже реализовывать необычные механизмы, например, преобразующие вращательное движение в поступательное. Но у такого подхода есть и недостатки. Как правило, такие конструкции состоят либо из жестких материалов и множества соединений, склонных к поломкам, либо гибких и неспособных сопротивляться сильным нагрузкам.

В начале 2018 года группа ученых из Швейцарии и США описала метод создания оригами-структур, совмещающих в себе жесткие и мягкие материалы, способных действовать в качестве пружины и блокироваться в одном или двух стабильных положениях. Теперь другая группа ученых под руководством Дарио Флореано (Dario Floreano) из Федеральной политехнической школы Лозанны развила эту идею и адаптировала подобные структуры для сильных нагрузок, а также создала несколько функциональных устройств на их основе.

Как и авторы предыдущей работы, исследователи использовали конструкцию, похожую на строение крыльев некоторых насекомых. Большую часть их крыла занимают жесткие фрагменты кутикулы, соединенные между собой эластичным белком резилином. В созданном инженерами искусственном аналоге роль жесткой основы играет полиметилметакрилат, более известный как оргстекло, а в качестве эластичного материала выступает силиконовый эластомер. Исследователи отмечают, что по своим механическим свойствам, например, модулю Юнга, эти материалы очень близки к своим природным аналогам.

Процесс создания конструкции заданной формы происходит следующим образом. Изначально на жесткую полимерную пластину толщиной полмиллиметра наносят тонкий клейкий слой. После этого лазерный луч выжигает ненужный клей на местах складывания, а также создает углубления в полидиметилсилоксане. Затем между двух таких пластин размещают предварительно растянутый эластомер толщиной 0,3 миллиметра и все слои соединяют в единый композит. В конце процесса пластины необходимо сломать по намеченным лазером линиям.

В результате образуется материал, который в местах складывания проявляет двойную жесткость. При небольшой нагрузке, не превышающей порог, заданный предварительно растянутым эластомером, материал не изгибается, а при превышении пороговой нагрузки он начинает обратимо изгибаться и возвращает исходную форму после прекращения нагрузки.

Инженеры создали на основе материала два демонстрационных устройства. Одно из них представляет собой захват, способный принимать два положения и сдавливать объекты с разной силой. Другой прототип представляет собой квадрокоптер со складными плечами, на концах которых расположены роторы. В разложенном положении пластины в плечах расположены под углом к друг другу, а также удерживаются у основания магнитами, что позволяет удерживать конструкцию дрона в полете в стабильном состоянии. Но для транспортировки или хранения плечи дрона можно сложить, сжав пластины каждого плеча. Если же их отпустить в таком положении, они самопроизвольно распрямятся в рабочее положение и будут готовы к полету. Кроме того, такая конструкция позволяет выдерживать довольно сильные удары без необратимых повреждений.

В прошлом году инженеры под руководством Дарио Флореано создали другой противоударный квадрокоптер. Его рама состояла из прочных, но эластичных деталей, прикрепленных к жесткому центральному ядру. Во время полета корпус дрона достаточно жесткий, но при столкновении с препятствием детали отделяются от ядра и обратимо деформируются.

Григорий Копиев