Создан новый тип оригами-материала, который может превращаться из одного рисунка в другой или даже в гибрид двух рисунков, мгновенно изменяя многие из своих структурных характеристик.
Структуры на основе оригами используются для создания развертываемых солнечных батарей для космоса, адаптируемых акустических систем для симфонических залов и даже систем защиты от столкновений с дронами.
Теперь исследователи из Технологического института Джорджии создали новый тип оригами, который может превращаться из одного рисунка в другой или даже в гибрид двух рисунков, мгновенно изменяя многие из своих структурных характеристик.
Исследование, которое опубликовано в журнале Physical Review Letters, показывает новые типы структур или метаматериалов на основе оригами, которые используют характеристики двух типов оригами.
«Этот гибридный оригами позволяет перепрограммировать механические свойства и возможность изменять эти свойства во время эксплуатации материала», - сказал Глаусио Паулино, профессор Технологической школы гражданского строительства и инженерии в Джорджии.
Исследователи начали с двух типов узоров оригами: миура-ори и яичная коробка, которые могут быть сформированы в виде листов с повторяющимися узорами. Миура-ори выглядит как ряды сложенных зигзагов, в то время как рисунок из яиц напоминает горный массив с повторяющимися вершинами и долинами.
Оба могут быть сжаты в очень маленький объем, но при расширении они ведут себя по-разному. Образец яичной коробки напоминает купол, когда он согнут, а миура-ори принимает форму седла.
«Традиционно, если у вас есть какой-то шаблон, то вы привязаны к его характеристикам», - сказал Паулино. «С этим новым подходом, который мы называем трансформацией, это уже не так».
Новый образец оригами достигает своей способности к изменению формы путем перепроектирования геометрии двух из четырех плоскостей, составляющих одну часть оригами. Сжимая эти две плоскости с одной стороны, это позволяет их складкам перемещаться с горы в долину или, другими словами, складываться в противоположном направлении.
Credit: Allison Carter
И что важно, переход от вершины к долине может происходить независимо от того, сформировано ли оригами из гибкого материала, такого как бумага, или жесткого материала, такого как металл.
Это означает, например, что структуры на основе оригами, используемые для акустических систем - которые уже способны расширяться и сжиматься для увеличения или уменьшения громкости звукового отклика - могли бы пойти еще дальше, изменив способ изгиба, чтобы потенциально предложить еще больший диапазон резонансных ответов. По словам Паулино, в примере с системой защиты от столкновений дронов новая модель оригами может предложить другие варианты настройки или изменить аспекты ее ударопрочности.
Новый шаблон оригами также способен принимать гибридную структуру, в которой определенные строки складываются в одну конфигурацию, а другие - в другую. В такой конфигурации структура будет демонстрировать характеристики обоих типов.
«Существует множество комбинаций с точки зрения того, как их можно настроить, что предлагает множество возможностей настройки для структур, основанных на шаблоне трансформации», - сказал Ке Лю, бывший аспирант в Технологическом институте Джорджии и ныне аспирант в Калифорнийский технологический институт.
Другой уникальной характеристикой трансформирующегого материала является то, что происходит, когда ряд миура-ори располагается между двумя рядами «яичных коробок». Как правило, когда применяется растяжение, чтобы отделить любой из рисунков, они реагируют, уступая и сглаживая свою форму. Тем не менее, в этом новом примере модель миура-ори фиксируется на своем месте.
«Блокировка очень прочная, и нет другого способа сломать это, кроме как разорвать всю структуру на части», - сказал Фанисри Пратапа, бывший научный сотрудник Georgia Tech, а ныне доцент кафедры гражданского строительства в Индийском институте Технология Мадраса.
По словам Пратапы, блокировка может позволить структурам ограничивать степень возможного расширения и изменять это ограничение на лету.
Источник: Phanisri P. Pratapa, Ke Liu, Glaucio H. Paulino. Geometric mechanics of origami patterns exhibiting Poisson's ratio switch by breaking Mountain/Valley assignment. Physical Review Letters, April 2019.
Вас также может заинтересовать: