Оригами-структура превратила сжатие в распространяющееся растяжение

Американские и японские ученые создали блочную оригами-структуру с необычными механическими свойствами. При ударе деформация в ней трансформируется из сжатия, которое практически полностью гасится в начале структуры, в интенсивное растяжение в виде одиночной волны, распространяющейся дальше по ней. В будущем конструкции такого типа можно будет использовать в амортизаторах или других устройствах для смягчения ударов, рассказывают авторы статьи в Science Advances.

В своей работе ученые исследовали треугольно-цилиндрический узор оригами, который имеет структуру цилиндра, состоящего из треугольных плоскостей, способных менять угол между друг другом. Благодаря такому строению треугольно-цилиндрические оригами-структуры при продольной деформации проявляют два типа движения — поступательное и вращательное. В некоторых разработках, таких как робот-червь, оригами-структуры такого типа используются для превращения одного типа движения в другой.

Ранее другие ученые теоретически показывали возможность распространения одиночной волны растяжения при сжатии в одномерной системе, проявляющей деформационное размягчение. Это означает, что при ударе с одной стороны до другой дойдет не удар, а растяжение. Исследователи под руководством Цзинькюя Яна (Jinkyu Yang) из Вашингтонского университета экспериментально продемонстрировали подобное контринтуитивное поведение материала на примере треугольно-цилиндрической оригами-структуры.

Ученые выбрали структуру в которой базовая ячейка состоит из двух треугольников, организованных в параллелограмм. Вместе шесть таких ячеек образуют цилиндр, на краях которого исследователи закрепили пластиковые детали для скрепления сегментов вместе. Всего в конструкции находятся 20 сегментов, в которых чередуется ориентация. Это сделано для того, чтобы при сжатии соседние сегменты скручивались в разные стороны и тем самым компенсировали вращение друг друга. Исследователи создали модель, описывающую поведение конструкции при сжатии. Модель описывает систему с двумя степенями свободы, поведение которой определяется двумя типами пружин с разными коэффициентами жесткости. В качестве пружин в реальной конструкции выступают сгибы двух типов.

Для экспериментального подтверждения предполагаемого поведения исследователи закрепили на каждом сегменте по несколько инфракрасных маркеров и отследили их перемещения во время деформации. Эксперименты показали, что после удара по крайнему сегменту сначала в первых нескольких сегментах происходит интенсивная сжимающая деформация, однако затем на этом же крае формируется одиночная волна интенсивного растяжения, которая «обгоняет» сжатие и распространяется до другого края с небольшим затуханием, тогда как сжатие затухает практически полностью в первых нескольких сегментах.

Исследователи отмечают, что экспериментальные данные достаточно точно соответствуют поведению модели. Проанализировав поведение структуры, они пришли к выводу, что асимметричное поведение сжатие и растяжения в такой структуре связано именно с тем, что она проявляет деформационное размягчение при сжатии — то есть при сжатии жесткость системы уменьшается, а при растяжении наоборот увеличивается. Авторы статьи отмечают, что, хотя их работа носит скорее теоретический характер, подтверждающий саму возможность такого поведения в больших системах, в будущем такой механизм можно будет использовать в механизмах для смягчения ударов.

Существуют и другие конструкции или материалы с контринтуитивными механическими свойствами. К примеру, существуют ауксетические материалы, которые при растяжении не уменьшаются в поперечном сечении, а расширяются. В 2016 году такое поведение обнаружили у фосфорена и мономолекулярных белковых пленок. Кроме того, существует «механический диод», смещающийся под действием нагрузок только в одну сторону, материал, жесткость которого увеличивается вместе с длиной, и материал, самопроизвольно скручивающийся при сжатии.

Григорий Копиев