3D-печать упростила создание тенсегрити-конструкций

Южнокорейские инженеры предложили печатать тенсегрити-структуры на 3D-принтере. Сначала принтер печатает заготовку из расходуемого пластика с жесткими элементами каркаса внутри, а затем в подготовленные каналы заливают эластичный материал, работающий в качестве тросов. После этого расходуемый материал удаляют и остается только тенсегрити-структура. Метод позволил создать небольшие, но сложные структуры, которые трудно было бы собрать обычными методами, а также робота с тенсегрити-ногами из магнитного эластомера. Статья о методе опубликована в журнале Science Robotics.

Тенсегрити, или напряженная целостность — это вид конструкций, состоящих из жестких и гибких компонентов. Как правило, это стержни и тросы, которые соединяют концы стержней между собой. Главная отличительная особенность тенсегрити-конструкций заключается в том, что жесткие стержни не соприкасаются между собой и подвешены на тросах. Благодаря этому тросы работают на растяжение, а стержни только на сжатие, но не на изгиб. В результате у таких конструкций высокое отношение жесткости к массе, они устойчивы к деформациям, а также способны перераспределять деформацию с одной части на всю конструкцию.

Хотя некоторые проекты с тенсегрити-конструкцией уже существуют (например, устойчивый к сбросу с вертолета робот), в целом ее нельзя назвать популярной — несмотря на все достоинства. Отчасти это связано с тем, что для нее подходят не все материалы, а также такую конструкцию сложно собирать воедино из множества элементов, а также подбирать нужное натяжение.

Исследователи из Ульсанского национального университета науки и технологий под руководством Цзиюнь Ким (Jiyun Kim) предложили не собирать тенсегрити-структуры из отдельных элементов, а печатать на 3D-принтере в виде цельной конструкции. Метод состоит из двух этапов. На первом принтер с двумя печатающими головками одновременно печатает расходную матрицу из поливинилового спирта, а внутри нее стержни из полилактида и пустые каналы для тросов. На втором этапе в пустые каналы уже застывшей матрицы необходимо залить материал тросов, а затем, когда затвердеет и он, удалить поливиниловый спирт. В качестве материала для тросов инженеры использовали PDMS, PBAT или их смесь, а также растворенный в них ферромагнитные частицы оксида железа. Это позволяет управлять деформацией материала не только механически, но и бесконтактно с помощью магнитного поля.

В большинстве прототипов тенсегрити-структур авторы использовали базовую ячейку со строением шестиугольной призмы, которая, в зависимости от задач, соединялась с другими такими же ячейками в колонну или тор. Они показали множество различных примеров применения таких структур и их возможностей. Например, тенсегрити с тросами, реагирующими на магнитное поле, можно использовать для запрограммированного складывания, причем обратимого: при появлении магнитного поля баланс натяжения и сжатия нарушается, и конструкция складывается, но возвращается в исходную форму, когда поле отключают.

Еще один примечательный пример — это пятиногий ползающий робот с тенсегрити-ногами. Каждая из них состоит из пяти шестиугольных призм с чередующимся направлением. В основании ног установлено по два мотора, связанных с боковой или центральной частью конца ноги через веревку. При наматывании центральной веревки нога сокращается благодаря чередующимся призмам, а при наматывании боковой нога сгибается вниз. Благодаря этому робот с такими ногами сумел походить по полу, поворачивая в нужном направлении.

Авторы отмечают, что 3D-печать позволит не только создавать более сложные структуры, чем создаваемые обычными методами, но также использовать преимущества 3D-печати (возможность быстро создавать множество прототипов с четко заданными параметрами и отбирать лучшие конструкции) и методов оптимизации конструкции.

3D-печать ранее уже использовали для создания решетчатых конструкций, управляемых магнитным полем, но иным образом. Например, в 2018 году группа американских ученых представила метод создания решеток из полых трубок, внутрь которых необходимо залить магнитореологическую жидкость. Такое строение позволяет управлять жесткостью конструкции с помощью магнитного поля, не меняя при этом формы конструкции, в отличие от нового метода корейских инженеров.

Григорий Копиев