Инженеры из Южной Кореи и США разработали колесо с оригами-конструкцией, способное менять свою форму прямо во время езды. Они успешно испытали прототипы колес разного размера, в том числе способные выдерживать нагрузку до десяти килоньютонов: во время тестов автомобиль с четырьмя такими колесами успешно перевез человека и поменял конфигурацию в движении. Статья, посвященная конструкции и испытаниям, опубликована в журнале Science Robotics.
Инженеры давно используют в своих разработках конструкции, построенные по принципу оригами — японского искусства складывания сложных форм из плоского листа бумаги. Это позволяет делать роботов или другие устройства складными и менять их конфигурацию во время использования. В существенной части проектов оригами используется в исходном виде — в виде бумажных конструкций небольшой формы. Это годится для создания небольших прототипов, подтверждающих работоспособность концепции, но не подходит для масштабирования и реального применения.
Несколько лет назад швейцарские и американские инженеры предложили новый тип оригами-структур, позволяющий использовать тот же принцип складывания для создания жестких несущих конструкций. Такие структуры состоят из двух частей: эластичной полимерной мембраны, которая может растягиваться и гнуться, и нанесенных на нее с двух сторон жестких пластин. Помимо того, что жесткие пластины позволяют создавать жесткие конструкции, еще одно из преимуществ такой структуры заключается в том, что благодаря эластичной мембране стыки между пластинами становятся подпружиненными и позволяют конструкции самостоятельно собираться в нужную форму или возвращаться в нее после деформации.
Инженеры под руководством Чжо Гю-Чжина (Kyu-Jin Cho) из Сеульского национального университета уже создавали на основе похожей структуры оригами-колеса для робота с изменяемой формой, а теперь смогли усовершенствовать конструкцию и масштабировать ее до размеров автомобиля и соответствующих нагрузок.
Авторы взяли за основу паттерн оригами, известный как водяная бомбочка, потому что он позволяет создать колесо, в котором часть структур расположена перпендикулярно направлению нагрузки, а часть — перпендикулярно направлению трансформирующей силы (которая заставляет колесо менять конфигурацию), что позволяет сохранять оба положения с минимальными затратами энергии.
Инженеры несколько раз меняли структуру колеса, расположение его жестких фрагментов на полимерной подложке, толщину подложки и расстояние между жесткими фрагментами. Одной из главных проблем оказался подбор оптимального соотношение между толщиной эластомера и расстоянием, они решили ее при помощи моделирования в рамках теории балок Эйлера-Бернулли.
В результате они получили структуру из множества частей, среди которых основные — втулка и части, образующие обод и спицы. Кроме того, внутри расположены самоблокирующиеся структуры, которые позволяют поддерживать структурную целостность колеса, когда оно находится в конфигурации с большим диаметром, в том числе при боковых нагрузках, а также протектор. А в состоянии с малым диаметром целостность конструкции достигается за счет того, что спицы с разных сходятся друг к другу, а нагрузка от автомобиля и рельефа приходится в основном на перпендикулярные части обода. В основном колесо выполнено из эластичной основы, состоящей из ПЭТ и нейлоновой ткани, а также жестких панелей из алюминия.
Инженеры собрали четыре прототипа колес, которые могут находиться в двух конфигурациях: большой и бездорожной с диаметром 80 сантиметров, шириной 22 сантиметра и углублениями в протекторе, и небольшой, предназначенной для ровной дороги, с диаметром 46 сантиметров и шириной 48 сантиметров. Они собрали прототип автомобиля, в котором за вращение колес отвечает два электрических двигателя, передающих усилия через цепи, а за трансформацию между состояниями колес отвечают линейные гидравлические актуаторы, раздвигающие плоскости втулок колес и тем самым заставляющих поверхность колес менять форму. Инженеры также показали, что колесо можно установить и на обычный автомобиль.
Испытания показали, что колеса способны выдержать нагрузку в 10±2 килоньютона, а на трансформацию при скорости в один метр в секунду уходит пять секунд. Соотношение допустимой массы полезной нагрузки к массе самого колеса составляет более 50.
Авторы отмечают, что пока лишь доказали работоспособность самой конструкции, но в будущем ее необходимо будет оценить ее долгосрочную устойчивость к вибрациям и уровень шума, а также адаптировать материалы и методы производства к уже используемым в колесной промышленности для производства шин.
Это не первый проект, в рамках которого инженеры пытаются изобрести колесо заново. Например, в 2018 году американские военные испытали колесо для боевых машин, которое может на ходу переключаться между режимом круглого вращающегося колеса и треугольного гусеничного движителя. А австралийцы создали колеса, которые могут на ходу менять передаточное соотношение и высоту оси над землей.
Григорий Копиев