Инженеры научились управлять удлинением киригами-структур

Американские инженеры научились управлять распространением выступов по цилиндрическим киригами-структурам во время их удлинения при растяжении. В качестве примера применения метода инженеры показали, как актуатор с неравномерно распространяемыми выступами двигается в два раза быстрее, чем аналогичный актуатор с равномерной структурой. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Инженеры предлагают использовать для роботов самые разные механизмы движения. Помимо очевидного передвижения на колесах или ногах есть и другие способы, многие из которых были подсмотрены в живой природе. Один из них основан на движении некоторых змей, которые способны сокращать и расслаблять части своего тела. При этом продвижение вперед обеспечивается выступающими чешуйками, способными сминаться при движении вперед, но упирающимися в поверхность при движении назад.

В 2018 году группа инженеров под руководством Кати Бертольди (Katia Bertoldi) из Гарвардского университета создала змееподобного робота, воспроизводящего этот механизм. В его основе лежал лист с вырезами в технике киригами, обернутый в цилиндр вокруг расширяющегося пневматического актуатора. Робот двигается благодаря периодическому удлинению и сокращению, а также тому, что части киригами-структуры зацепляются за поверхность и не дают роботу двигаться назад. Однако он сокращался равномерно по всему объему, из-за чего на последнем этапе сокращения выступающие части конструкции уже не удерживали робота.

В своей новой работе инженеры показали, что переход частей киригами-конструкции между выступающим и плоским состоянием можно сделать неравномерным. Для начала авторы провели простой эксперимент и создали две киригами-конструкции с одинаковой структурой и параметрами вырезов, но одна из них была плоской, а другая цилиндрической. Эксперимент с растяжением показал, что одинаковые по вырезам конструкции ведут себя по-разному. В плоской конструкции наблюдается равномерное по объему удлинение, очень близкое к прилагаемой деформации, а в цилиндрической конструкции удлинение начинается у одного из краев, а затем по мере увеличения деформации оно распространяется прерывистым образом к другому краю.

Посмотрев на деформацию отдельных структурных ячеек киригами-структур, исследователи увидели в них принципиальное различие. В плоских листах петли (соединения между вырезами) после достижения критического напряжения начинают постепенно выгибаться в одну сторону, а в цилиндрических конструкциях они ведут себя как бистабильные элементы, которые под действием деформации резко меняют свое положение между двумя стабильными положениями и меняют знак изгиба. Кроме того, инженеры обнаружили, что на диаграмме растяжения в случае цилиндрической конструкции наблюдается «зуб текучести», тогда как у плоских листов такого поведения нет.

Моделирование позволило уточнить параметры процесса неравномерного удлинения цилиндрических конструкций. Выяснилось, что неравномерное поведение в цилиндрических конструкциях появляется не всегда, а только если соотношение между расстоянием между вырезами и их длиной находится в интервале от 0,025 до 0,15 и число базовых ячеек на срезе цилиндра составляет от четырех до 24. Меняя один из двух параметров при фиксации другого можно управлять выраженностью пика на диаграмме растяжения.

Наконец, наиболее важным с практической точки зрения стало наблюдение, что процесс растяжения начинается у точек с неравномерным строением, к примеру, концов цилиндра или областей, где параметры киригами-структуры меняются. В качестве примера они показали, что если соотношение между расстоянием между вырезами и их длиной у краев сделать меньше, чем в остальной части, то сначала растяжение будет идти в этих двух сегментах, а затем начнет распространяться от одного из них к другому. На примере актуаторов с разной конструкцией инженеры показали, что робот с таким строением будет зацепляться за поверхность выступами на одном из крайних сегментов, что позволяет ему не «скатываться» назад и двигаться вдвое быстрее аналогов.

Исследователи применяют технику киригами и для гораздо меньших по размеру объектов. К примеру, в 2015 году ученые выяснили, что некоторые параметры графена близки к параметрам бумаги, благодаря чего его можно использовать для вырезания киригами. Авторы работы подтвердили свои выводы на практике, вырезав с помощью лазера растягивающуюся пружину и шарнир.

Григорий Копиев